一种城市环境下基于稳定性分簇的车载路由协议方法技术

本发明专利技术提出一种城市环境下基于稳定性分簇的车载路由协议方法，包括：近似节点分簇集形成、簇头选举和分簇维护。近似节点分簇集的形成是指在移动方向相同的相邻节点间通过Beacon报文交换自身状态信息，将随机变化的移动速度建模为正态分布模型，排除与整体速度差异特大节点后组成近似节点集，创建和更新近似节点表；簇头选举是重新将近似节点表中节点的速度、位置和相邻节点数建模为正态分布模型，通过计算竞争优先级选择最优簇头节点；分簇维护阶段针对性地处理节点加入或脱离分簇和分簇合并等来保证分簇的稳定性。本方法的分簇机制有更小的簇头变化率和更长的簇头维持时间；在城市环境下能够有效地改善分组递交率和降低时延。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及车载自组织路由协议车载自组织网络
，特别涉及一种城市环境下基于稳定性分簇的车载路由协议方法。
技术介绍
车载自组织网VANET是将道路上的车辆和众多智能移动设备连接起来构建的一个多跳、自组织通信网络，是一种应用于智能交通环境下的新型的无线移动自组织网MANET。其中，路由协议是决定VANET通信网络性能优劣的关键技术。传统的MANET路由协议设计的考虑因素与VANET相异，而且VANET具有节点移动快速、网络拓扑变化频繁、通信链路不稳定和城市交通环境复杂等特点，这无疑增加了路由协议设计的挑战性。因此，设计一种稳定健壮的VANET路由协议是具有非常重要的意义。在城市环境下的VANET网络是由密集的车辆与众多的智能设备构成的超大规模的通信网络，为了能减少路由开销和避免网络拥堵，采用基于分簇的路由协议可提高网络扩展性。平面结构路由协议的节点地位和功能都相同，而应用分簇路由协议的网络会被划分为多个分簇子集，节点的级别和功能有所区别，每个分簇包含普通节点、簇头节点和网关节点三类。分簇路由协议通常包含4个主要部分：分簇算法、簇内路由、簇间路由和分簇维护，簇内成员节点可以直接与簇头通信，簇间节点可以通过簇头或网关节点进行多跳通信，而簇头节点需要管理和维护成员节点及进行簇间通信，资源开销较大。因此，对于如何形成一个稳定健壮的分簇结构及选择一个合理的簇头，对降低路由计算开销、通信负荷和提升网络整体性能具有重要意义。典型的基于分簇路由协议包括CGSR、CBRP等。CGSR路由协议是在DSDV协议的基础上进行扩展的分簇路由协议，簇头节点需周期性广播消息以维护整个网络拓扑，造成较大的路由维护开销。CBRP路由协议是对DSR路由协议扩展改进的一种基于分簇结构的源路由按需路由协议，其LID分簇算法并不适用于VANET网络。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提出了一种城市环境下基于稳定性分簇的车载路由协议方法，此协议方法基于稳定性的分簇机制比LID和HC分簇算法具有更小的簇头变化率和更长的簇头维持时间；相对AODV和CBRP协议，此协议在城市环境下能够有效地改善分组递交率和降低时延。为达到上述目的，本专利技术的技术方案具体为：一种城市环境下基于稳定性分簇的车载路由协议方法，包括以下步骤：第一：在预设通信范围内的相邻节点间通过周期性地广播Beacon报文来交换节点自身的状态信息，利用统计分析方法将车辆节点的移动速度建模为正态分布模型，只选取车速在设定置信区间范围内的节点，排除具有差异性的节点以重新组成新的近似节点分簇集合。通过设置置信区间后，将满足速度在Vmin≤Vj≤Vmax范围内的邻居节点将重新组成新的集合，并专门创建一个近似节点表SNT来存储该集合内的节点状态信息。第二：在簇头选举机制中使用相邻节点数、速度和位置参数计算出竞争优先级来选出最优的簇头节点，并向近似节点集内的节点广播簇头报文以形成稳定的分簇结构。重新计算SNT表中k个节点的平均速度和平均位置间距，SNT表内的节点集在排除速度奇异的节点后通常不存在速度偏差过大的节点，因此可以使用平均差统计方式来表示分簇集内节点的差异程度。再求节点i与每个节点在速度和位置间距的平均差，并求节点i自身的速度和位置间距与整体节点平均值的相对差异，最后计算节点的竞争优先级。一旦竞争优先级最大，该节点就具备作为簇头候选节点向SNT表中的节点广播簇头消息报文，相邻节点收到信息后响应报文并加入分簇以形成稳定的分簇结构。第三：在分簇维护阶段针对性地处理节点加入或脱离分簇和分簇合并等引起分簇结构变化的情况。簇头节点脱离分簇：当簇头脱离分簇时触发成员节点尽快重新选举簇头节点，簇成员节点将在维护的SNT表中重新发起簇头选举过程，计算当前时刻的竞争优先级CP以重新选择替代的节点。簇成员节点脱离分簇：单个簇成员节点脱离后将失去与相邻节点间的联系，从其邻居表和SNT表中删除该节点的信息以更新拓扑数据库。该脱离分簇的节点则清除SNT表且更改状态为C_UNDECIDED，然后重新产生Beacon报文通知相邻节点以重新分簇或请求加入另一分簇；若周围没有相邻节点，则自身成为簇头节点。节点请求加入分簇：当一个处于未定义状态的节点m进入一个分簇的通信范围后，将会向分簇的簇头节点发送Beacon报文以告知自身的当前信息，簇头接收到信息后，并不立即发送簇头广播报文，而是先判断簇头c与节点m之间的差异度DD来决定是否接受该节点。若节点m在通信范围内同时接收到多个分簇的簇头广播报文，则节点m将从多个簇头广播报文中获取簇头的速度和位置信息，再通过计算节点与簇头的差异度来选择加入哪个分簇，节点m选择加入差异度小的分簇。相邻分簇合并：在城市的交叉口路段，经常由于车辆减速或停止等原因使两个分簇相遇，通常为了减少整体VANET网络的分簇冗余，成员节点数少的分簇将合并到大的分簇结构中。重新分簇：在建立分簇结构一段时间之后，可能需要重新选择簇头节点以维持分簇结构的稳定性。而且，在重新选举簇头前应判断该簇头节点是否需要更改其状态，簇头节点需要从SNT表中获取节点信息并重新计算此时的相邻节点数、速度和位置间距的平均值及其平均差值，然后重新计算其簇头竞争优先级。当簇头节点的竞争优先级满足条件时，簇头节点放弃C_HEAD状态并修改自身状态为C_MEMBER，然后通过HELLO报文声明自己的变化情况。其他簇成员节点在失去簇头节点时需要重新选择合适的簇头，因此可以直接调用簇头选举过程。一种城市环境下基于稳定性分簇的车载路由协议方法。本专利技术将在CBRP协议的基础上进行改进，引入一种基于稳定性分簇的路由机制SBCRP，仿真结果表明，SBCRP协议基于稳定性的分簇机制比LID和HC分簇算法具有更小的簇头变化率和更长的簇头维持时间；相对AODV和CBRP协议，SBCRP协议在城市环境下能够有效地改善分组递交率和降低时延。相对于现有技术，本专利技术具有如下优点和有益效果：针对城市环境中车流密度大、分布不均匀、交通道路复杂等问题导致的网络拓扑结构频繁变化和通信链路不稳定等情况，本专利技术提出了一种基于稳定性分簇的车载自组织网路由协议(SBCRP协议)。该协议主要针对分簇算法进行改进，保证分簇内节点的稳定性，然后选举出一个合适且稳定的簇头节点，最后，进一步维护分簇结构的稳定。通过对LID、HC分簇算法和SBCRP的稳定性分簇机制的仿真结果进行对比分析，SBCRP协议在簇头变化率和簇头维持时间具有更好的性能；然后再通过对AODV、CBRP和SBCRP协议的仿真结果进行对照解析，表明了SBCRP协议虽然增加了路由开销和计算开销，但提高了分组递交率并降低了端到端时延。该分簇机制主要针对城市环境下的特点来进行设计，它能够提高分簇结构的稳定，降低网络拓扑结构频繁变化对通信链路带来的影响。另外，该分簇机制在一定程度上也同样适用于高速场景，高速环境下的车辆同样可以利用车辆的方向、速度和位置距离等信息来形成具有一定稳定性的分簇。附图说明图1为近似节点分簇集的形成过程图。图2为簇头选举机制示意图。图3为节点请求加入分簇过程图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城市环境下基于稳定性分簇的车载路由协议方法，其特征在于，包括：步骤1，形成新的近似节点分簇集：在预设通信范围内的移动方向相同的相邻节点间通过周期性地广播Beacon报文来交换节点自身的状态信息，再利用Beacon报文中的方向、速度和速度标准差信息排除相邻节点间特征差异在预设范围的特大节点，从而每个节点形成新的近似节点分簇集；步骤2，簇头选举：在簇头选举机制中使用相邻节点数、速度和位置参数计算出竞争优先级来选出最优的簇头节点，该簇头节点向近似节点分簇集内的节点广播簇头报文以形成稳定的分簇结构；步骤3，分簇维护：在分簇维护阶段处理节点加入或脱离分簇和分簇合并所引起分簇结构变化的情况。

【技术特征摘要】
1.一种城市环境下基于稳定性分簇的车载路由协议方法，其特征在于，包括：步骤1，形成新的近似节点分簇集：在预设通信范围内的移动方向相同的相邻节点间通过周期性地广播Beacon报文来交换节点自身的状态信息，再利用Beacon报文中的方向、速度和速度标准差信息排除相邻节点间特征差异在预设范围的特大节点，从而每个节点形成新的近似节点分簇集；步骤2，簇头选举：在簇头选举机制中使用相邻节点数、速度和位置参数计算出竞争优先级来选出最优的簇头节点，该簇头节点向近似节点分簇集内的节点广播簇头报文以形成稳定的分簇结构；步骤3，分簇维护：在分簇维护阶段处理节点加入或脱离分簇和分簇合并所引起分簇结构变化的情况。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：利用统计分析方法将车辆节点的移动速度建模为正态分布模型，选取车速在设置置信区间范围内的节点，排除在预设范围有差异性的节点以重新组成新的近似节点分簇集合；具体是设置置信区间后，将满足速度在Vmin≤Vj≤Vmax范围内的邻居节点j重新组成新的近似节点分簇集合，并专门创建一个近似节点表SNT来存储该集合内的节点状态信息。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2的簇头选取的过程为：计算近似节点表SNT中k个节点的平均速度和平均位置间距，再求节点i与每个节点在速度和位置间距的平均差，并求节点i自身的速度和位置间距与整体节点平均值的相对差异，最后计算节点的竞争优先级；一旦竞争优先级最大，该节点就具备作为簇头候选节点向近似节点表SNT中的节点广播簇头消息报文，相邻节点收到信息后响应报文并加入分簇以形成稳定的分簇结构。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算近似节点表SNT中k个节点的平均速度和近似节点表SNT中节点i和其他节点之间的平均位置间距分别为： v c ‾ = 1 k Σ j = 1 k V j - - - ( 1 ) ]]> P j = ( x i - x j ) 2 + ( y i - y j ) 2 p c ‾ = 1 k Σ j = 1 k P j = 1 k Σ j = 1 k ( x i - x j ) 2 + ( y i ...

【专利技术属性】
技术研发人员：周杰英，刘映淋，许杨鹏，彭石，林勤南，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44