[發明專利]一種基于鏈路服務質量的空地一體化車聯網中繼選擇方法

有效

• 申請號: 202011178556.1
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112367692B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 何亦昕;張若南;翟道森;唐曉;蔣毅
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04W40/22
• 分類號: H04W40/22;H04W4/40
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于鏈路服務質量的空地一體化車聯網中繼選擇方法，其特征在于，所述基于鏈路服務質量的空地一體化車聯網中繼選擇方法包括以下步驟：

第一步，構建由V個移動車輛節點、U個無人機節點的空地一體化車聯網模型；

第二步，基于空地一體化車聯網模型，構建源節點至中繼節點之間的鏈路服務質量模型；

第三步，基于空地一體化車聯網模型，構建中繼節點至目的節點之間的節點轉發能力模型；

第四步，基于源節點至中繼節點之間的鏈路服務質量模型、中繼節點至目的節點之間的節點轉發能力模型，構建中繼節點選擇機制；

第五步，基于中繼節點選擇機制，構建冗余副本刪除機制；

所述第一步構建由V個移動車輛節點、U個無人機節點的空地一體化車聯網模型，具體包括：

步驟(1.1)，構建由V個移動車輛節點、U個無人機節點的空地一體化車聯網模型，移動車輛節點和無人機節點均稱為網絡節點，移動車輛節點和無人機節點的總數為N，N＝V+U，車輛可與無人機進行信息雙向傳輸，網絡中任一網絡節點均可作為中繼節點進行選擇，源節點可為網絡中任一網絡節點，目的節點可為網絡中任一網絡節點，網絡節點集合可表示為：N_k,k＝1,2,...,N；

步驟(1.2)，每個網絡節點都有相應的通信范圍，無人機節點的通信范圍為r_u，車輛節點的通信范圍為r_v，在通信范圍內的節點可進行相互通信；節點之間周期性交互Hello報文，用于發現可用鄰居節點；

步驟(1.3)，在空地一體化車聯網中，網絡的拓撲結構是時變的，可利用無人機與車輛的移動性采用存儲-攜帶-轉發的方式來進行信息傳輸，從源節點到目的節點傳輸路徑path{N_a,N_b}表示為：

path{N_a,N_b}＝{(t₁,N_a,k₁),...,(t_i+1,k_i,N_b)}； (S.1)

其中，N_a表示源節點，N_b表示目的節點，k_i表示第i跳的中繼節點，t_i表示第i跳的時刻；

步驟(1.4)，從源節點到目的節點的端到端傳輸時延T_a,b表示為：

其中，n表示從源節點到目的節點的總跳數，T_S、T_P、T_Q和T_C分別表示從源節點到目的節點的發送時延、傳播時延、處理時延和攜帶時延；

所述第二步基于空地一體化車聯網模型，構建源節點至中繼節點之間的鏈路服務質量模型具體包括：

步驟(2.1)，根據香農公式，源節點N_a與中繼節點N_j之間的信道容量C_a,j為：

其中，B表示帶寬，P表示源節點發射功率，n₀表示信道噪聲的功率譜密度，γ表示路徑損耗因子，h_a,j表示源節點N_a與中繼節點N_j之間的小尺度衰落，h_a,j服從指數分布，表示為：

其中，λ表示率參數；

步驟(2.2)，根據式(S.3)、(S.4)，可知信息成功傳輸概率為：

其中，R表示源節點N_a的真實傳輸速率，當C_a,j≥R時，信息可被成功轉發；

步驟(2.3)，根據式(S.1)-(S.5)，鏈路服務質量I_a,j表示為：

所述第三步基于空地一體化車聯網模型，構建中繼節點至目的節點之間的節點轉發能力模型具體包括：

步驟(3.1)，本方法所提出的節點轉發能力模型主要包括兩部分：節點活躍度和節點間相遇頻繁程度；

步驟(3.2)，將信息的有效存活時間以τ為時間單位劃分成l個時間間隔，第m個時間間隔表示為τ_m；在τ_m中，m≤l，節點活躍度D_j(τ_m)是指在τ_m時間內，網絡中某一節點N_j與其他節點相遇的頻繁程度，表示為：

其中，S_j(τ_m)表示在τ_m時間內節點N_j與相遇節點組成的集合，S_j(τ_m-1)表示在τ_m-1時間內節點N_j與相遇節點組成的集合；

步驟(3.3)，節點間相遇頻繁程度F_j,b(τ_m)表示為：

其中，E_j,b(τ_m)表示在τ_m時間內節點N_j與目的節點N_b相遇的次數，表示在τ_m時間內節點N_j與網絡中所有節點相遇的次數；

步驟(3.4)，根據式(S.7)、(S.8)，可知節點N_j對于目的節點N_b在τ_m時間內的轉發能力Q_j,b(τ_m)表示為：

Q_j,b(τ_m)＝D_j(τ_m)F_j,b(τ_m) (S.9)；

所述第四步基于源節點至中繼節點之間的鏈路服務質量模型、中繼節點至目的節點之間的節點轉發能力模型，構建中繼節點選擇機制具體包括：

步驟(4.1)，通過計算源節點N_a與中繼節點N_j之間的鏈路服務質量I_a,j和節點轉發能力Q_j,b，可得在τ_m時刻的集合C，C表示為：

其中，r為鄰居節點個數，對從大到小排序，可得新集合C′，C′表示為：

其中，

步驟(4.2)，為了有效地提高空地一體化車聯網的傳輸成功率，降低傳輸時延，源節點可采用多副本數據傳輸機制，通過設立閾值ξ_a,j來自適應地增加副本數，ξ_a,j由式(S.12)來進行計算：

根據閾值ξ_a,j，將C′分為兩個集合，C′_relay和C′_dis，分別表示為：

選擇C_r′_elay集合內的鄰居節點作為中繼節點進行信息傳輸；

所述第五步基于中繼節點選擇機制，構建冗余副本刪除機制具體包括：

步驟(5.1)，基于節點轉發能力模型設計了一種控制網絡開銷的效用函數ψ(N_b,M,N_j)，該函數表示為：

其中，ψ(N_b,M,N_j)表示目的節點為N_b的消息M在中繼節點N_j處的效用值，T_a,j表示消息M從源節點N_a處產生到現在所用的時間，F_j,b(τ_m)表示在τ_m時間內中繼節點N_j與目的節點N_b相遇的頻繁程度，C_TTL和η表示數據的有效性，由式(S.16)、(S.17)進行計算：

步驟(5.2)，當中繼節點N_j收到數據M后，根據式(S.15)對該數據的效用值進行計算，如果滿足式(S.18)則進行存儲，否則丟棄該數據：

其中，表示中繼節點N_j緩存數據效用值的均值，表示中繼節點N_j緩存的數據總數；如果中繼節點N_j的緩存已滿，N_j將丟棄效用值最小的數據M_dis，M_dis表示為：