應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換機制
1.本發明涉及車輛自組織網絡中的v2v通信技術，具體涉及應用于二維與三維場景的車輛中繼節點切換機制。
背景技術：
2.車聯網作為現代智能交通的重要組成部分，在智能交通方面應用十分廣泛。其中，緊急消息廣播作為車聯網的安全類應用，能提供高效安全的駕駛環境，有效避免人員傷亡和減少經濟損失，因此對車聯網通信性能的要求也更為嚴苛，表現為更低的時延、更高的可靠性、更高的速率。
3.已有的中繼節點選擇方法集中在二維場景下研究，采用固定的通信范圍，僅考慮一跳的消息傳播性能，選出源節點的下一跳中繼節點。三維道路結構復雜，有著異于二維道路的特點。層與層之間存在的障礙物使得發送節點在不同層面通信范圍具有較大差異，隨著地勢的起伏，v2v天線的有效高度會隨之改變，影響著實際通信范圍的變化。正是由于這種通信范圍的差異，往往會影響中繼節點性能的連通性和跳數增加概率，因此，二維場景中繼節點選擇方法不能簡單地擴展應用于三維場景中。
技術實現要素：
4.本發明的目的在于考慮道路高程差,環境障礙物(如植被、巖石等物體)對中繼節點通信范圍的影響，針對二維場景下的中繼節點選擇方法不再適用于當前關鍵三維區域，提出了一種車聯網中繼節點的切換機制。
5.為解決上述問題，本發明采用了以下技術方案：
6.源節點向目的節點發送請求；
7.每個節點通過gps及傳感器收集車輛位置(經度、緯度及海拔高度)，通過gis輔助獲取周圍環境信息；
8.源節點通過信標beacon獲得其它節點的位置信息；
9.獲取車輛天線離地面的高度h
rx
；
10.根據車輛位置、車輛離地面高度計算出源節點天線的有效高度h
tx
及車輛之間的歐式距離；
11.h
tx
＝源節點的地面海拔高度-移動節點所在位置的地面海拔高度+車輛天線離地面高度；
12.采用修正后的ieee802.16d模型計算出源節點與其它節點之間的路徑損耗pl(d)，如(1)所示；
13.14.其中，d0為參考距離，γ＝a-bh
tx
+c/h
tx
，a、b、c為參數，cf為與載波頻率相關的系數，c
rx
為于接收天線相關的系數。
15.三維道路場景下車聯網中繼節點車輛會因地形、障礙物、相鄰大型車輛帶來陰影衰落。
16.陰影衰落描述的是中等尺度區間(數百波長)內信號電平中值的慢變化特性，陰影衰落的特征可用對數正態分布的隨機變量刻畫，即：
17.pl'(d)＝pl(d)+x
σ
??
(2)
18.x
σ
是一個零均值高斯分布的隨機變量，環境障礙物的類別、密度及寬度都會影響x
σ
的值。
19.取一般場景兩節點上下行傳輸線路允許路徑損耗最小值d為基準；
20.判斷源節點與某一任意節點的總值損耗pl'(d)是否小于d值，從而得出源節點通信范圍內的備選中繼節點；
21.根據貪婪算法gpsr到源節點的下一跳中繼節點，并記錄它距離源節點的道路長度length
r1
；
22.重復貪婪算法到源節點的第二跳中繼節點，記錄它距離第一跳中繼節點的道路長度length
r2
；
23.計算gpsr算法下消息傳播的兩跳道路總長w
gpsr
；
24.w
gpsr
＝length
r1
+length
r2
??
(3)
25.計算源節點通信范圍內其它備選節點距離源節點的道路長度；
26.遍歷源節點的備選節點，假設它們為源節點的第一跳中繼節點，并到它們通信范圍第二跳備選節點。將第二跳備選節點中沿道路最長的節點作為第二跳中繼，計算它距離第一跳中繼節點的道路長度；
27.計算遍歷方法的兩跳道路總長{w2,w3,w
i,
...,wn}；
28.將遍歷結果的最大值作為動態三維中繼方法的兩跳道路總長；
29.w
動態三維中繼
＝max{w2,w3,wi,...,wn}
??
(4)
30.判斷w
gpsr
是否小于w
動態三維中繼
，若滿足判斷條件則該區域觸發二維切換至三維的中繼節點選擇機制，由首個進入該區域的中繼節點切換至三維道路場景下的中繼節點選擇方法，若不滿足，則繼續沿用之前的二維道路場景中繼節點選擇方法。若之前已由二維切換至三維道路場景下的中繼節點選擇方法，但發現第n個中繼節點又不滿足切換閾值條件時，則由第n個節點退出三維道路中繼節點選擇方法，選擇合適的二維道路場景中繼節點選擇方法，切換算法完成。
31.本發明應用于二維道路與三維道路的中繼節點選擇方法切換判斷，本方法能夠有效判別需要采用三維場景中繼節點選擇道路的關鍵特征，給出了切換閾值和切換機制，能夠根據具體場景判斷出更合理的中繼節點選擇方法。
附圖說明
32.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
33.圖1為本發明實施例所提供的一種應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換
機制觸發或退出流程圖；
34.圖2為圖1中步驟s200的具體流程圖；
35.圖3為本發明實例所提供的應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換機制中的gpsr方法兩跳選取和三維動態中繼方法兩跳選取示意圖。
具體實施方式
36.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
37.本發明結合圖1進行了應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換閾及機制的詳細說明，包括以下步驟：
38.s100、源節點及消息傳播方向道路上的其它車輛借助gps獲取自身的三維位置坐標，包括經度，維度和海拔高度；借助gis獲取目標環境障礙物參數；
39.s200、根據s100獲取的三維位置信息及障礙物參數到源節點實際通信范圍內的所有備選節點；
40.s300、得到貪婪算法gpsr和三維遍歷法各自的兩跳通信距離總和；
41.s400、將gpsr方法兩跳的結果作為切換閾值，定義三維遍歷法得到結果的最大值作為動態三維中繼方法的兩跳道路總長。比較兩者的結果，若動態三維中繼方法的兩跳距離大于當前閾值，則觸發中繼節點切換機制。
42.s500、由首個滿足該閾值判斷條件的中繼節點啟動三維道路中繼節點選擇方法，不滿足判斷條件則不需要切換或退出三維道路中繼節點選擇方法。若之前已由二維切換至三維道路場景下的中繼節點選擇方法，但發現第n個中繼節點又不滿足切換條件時，則由第n個節點退出三維道路中繼節點選擇方法，選擇合適的二維道路場景中繼節點選擇方法，切換機制完成。
43.其中，本實例的步驟s100中，目標環境障礙物可以為植被，巖石或山體等，因植被引起的特有衰減率，取決于植被的種類、密度及密度的寬廣范圍；
44.參考圖2，在本實例的步驟s200中，源節點可以通過beacon得到其它車輛的三維位置坐標，計算它們的相對高度差，歐式距離。接收天線的高度為車輛天線距離地面的高度，發送天線的高度為兩節點相對高度差加車輛距離地面天線的高度，根據ieee802.16d無線通信模型計算兩車輛的路徑損耗，再加上gis得到的障礙物衰減因子損耗，即為最終的總值損耗。根據工程所選的無線設備參數，天饋線性能等指標，計算出上下行線路的最大允許路徑損耗，一般取上下行傳輸線路允許路徑損耗較小的為基準，通過判斷兩節點間的最終路徑損耗是否小于該基準得到源節點的下一跳中繼備選集節點；
45.在本實例的步驟s300中，在源節點的備選節點中根據貪婪算法選擇消息傳播沿道路長度最遠的節點為第一跳的中繼節點，第二跳也同樣選中第一跳通信范圍內沿道路長度最遠的節點，計算第二跳節點距離源節點的道路長度，將此作為gpsr方法兩跳的結果；遍歷源節點的備選集節點，分別計算它們距離源節點的道路長度，將它們當做發送端，到它們通信范圍內的第二跳備選節點，選擇第二跳備選節點中沿道路最長的節點作為第二跳中繼，計算它們距離發送端的道路長度，計算三維遍歷法得到的兩跳道路總長{w2,w3,wi,...,
wn}。
46.進一步，參照圖3對本發明的gpsr和三維遍歷方法進行描述。例如，圖3以s1為源節點，s2,s3,s4均為它的下一跳備選節點，s4沿道路長度最遠，s5,s6為它通信范圍內的備選節點，而s4,s5,s6,s7皆在s3的通信范圍內；
47.在本實例的步驟s400中，將gpsr方法兩跳的結果與三維遍歷方法兩跳的最大值進行比較，若三維遍歷方法兩跳的結果大于gpsr方法兩跳的結果，說明由于障礙物或高程差對通信范圍的影響，二維場景的中繼節點選擇方法并不一定最優，將動態三維中繼方法的兩條距離大于gpsr方法的兩跳距離作為觸發中繼節點選擇方法切換的閾值條件；
48.在本實例的步驟s500中，根據步驟s400的判斷結果來決定是否啟動中繼節點切換機制，若滿足步驟s400的判斷條件，則由首個符合該條件的節點啟動切換機制，選擇新的三維道路中繼節點選擇方案。若不滿足，則無需啟動切換機制或由該節點退出當前三維道路中繼節點選擇方法。由此，便可為不同的道路特征匹配不同的中繼節點選擇方法提供一個合理有效的切換機制。
49.以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是在本發明的發明構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的技術領域均包括在本發明的專利保護范圍內。
技術特征：
1.一種應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換機制，其特征在于，包括以下過程：1)通過車載gps獲取車輛當前的三維位置信息，包括，經度、緯度及其海拔高度；由車輛自帶的gis獲取周圍環境障礙物參數；2)根據所述的車輛坐標及障礙物參數計算源節點通信區域內的下一跳可用備選節點；3)計算得到源節點的可用備選節點的下一跳最遠可通信位置，得到gpsr方法和三維遍歷法的兩跳通信距離，其中，最遠可通信位置和通信距離均沿道路長度定義；4)定義三維遍歷法得到結果的最大值作為動態三維中繼方法的兩跳道路總長，將gpsr計算得到的兩跳距離小于動態三維中繼法的兩跳距離作為車聯網中繼節點切換的閾值條件；5)根據判斷當前節點是否滿足閾值條件，來決定是否啟動三維道路中繼節點選擇方法。2.根據權利要求1所述的一種應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換機制，其特征在于，步驟2)中考慮到高層差和障礙物使得不同節點的通信范圍存在較大差異，v2v車輛通信范圍不再固定，得到源節點通信區域內的下一跳可用備選節點具體過程如下：源節點利用beacon獲取其他車輛的位置信息；車輛天線離地面的高度為h
rx
，h
tx
＝源節點的地面海拔高度-移動節點所在位置的地面海拔高度+車輛天線離地面高度；采用修正后的ieee802.16d模型計算出源節點與其它節點之間的路徑損耗pl(d)，如(1)所示；陰影衰落描述的是中等尺度區間(數百波長)內信號電平中值的慢變化特性，陰影衰落的特征可用對數正態分布的隨機變量刻畫，即：pl'(d)＝pl(d)+x
σ
????
(2)x
σ
是一個零均值高斯分布的隨機變量；取一般場景兩節點上下行傳輸線路允許路徑損耗最小值d為基準；判斷源節點與某一任意節點的總值損耗pl'(d)是否小于d值，從而得出源節點通信范圍內的備選中繼節點。3.根據權利要求1所述的一種應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換機制，其特征在于，步驟3)中，得到gpsr方法和三維遍歷法的兩跳通信距離的具體過程如下：根據貪婪算法gpsr到源節點的下一跳中繼節點，并記錄它距離源節點的道路長度length
r1
；重復貪婪算法到源節點的第二跳中繼節點，記錄它距離第一跳中繼節點的道路長度length
r2
；計算gpsr算法下消息傳播的兩跳道路總長w
gpsr
；
w
gpsr
＝length
r1
+length
r2
?????
(3)計算源節點通信范圍內其它備選節點距離源節點的道路長度；遍歷源節點的備選節點，假設它們為源節點的第一跳中繼節點，到它們通信范圍第二跳備選節點，將第二跳備選節點中沿道路最長的節點作為第二跳中繼，計算它距離第一跳中繼節點的道路長度；計算三維遍歷法得到的兩跳道路總長{w2,w3,w
i
,...,wn}。4.根據權利要求1所述的一種應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換機制，其特征在于，步驟4)中，根據步驟3)三維遍歷法得到的兩跳距離集合，從中選出一個最大值，將這個最大值作為動態三維中繼方法的兩跳道路總長，即：w
動態三維中繼
＝max{w2,w3,w
i
,...,wn}
?????
(4)將gpsr方法兩跳的結果作為切換閾值，gpsr方法得到的兩跳距離小于動態三維中繼方法的兩跳距離，作為二維場景與三維場景的中繼節點切換的閾值條件。5.根據權利要求1所述的一種應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換機制，其特征在于，步驟5)中，給出了二維場景與三維場景的中繼節點切換機制。當有中繼節點滿足步驟4)的閾值條件，gpsr方法得到的兩跳距離小于動態三維中繼方法的兩跳距離時，由首個進入該區域的中繼節點切換至三維道路場景下的中繼節點選擇方法，若不滿足，則繼續沿用之前的二維道路場景中繼節點選擇。若之前已由二維切換至三維道路場景下的中繼節點選擇方法，但發現第n個中繼節點又不滿足切換閾值條件時，則由第n個節點退出三維道路中繼節點選擇方法，選擇合適的二維道路場景中繼節點選擇方法，切換機制完成。
技術總結
應用于二維與三維場景的車聯網中繼節點切換機制，考慮了道路高度差與環境障礙物對V2V通信范圍所帶來的影響，結合兩跳范圍內節點的分布，判斷一般情況使用的二維中繼節點選擇方法是否適用于當前場景，完成節點切換策略。計算GPSR方法和遍歷方法得出的沿道路長度的兩跳通信范圍；判斷GPSR的計算結果是否小于遍歷結果的最大值；若小于則啟動三維中繼方法，若GPSR計算結果較大則繼續采用二維中繼方法。本發明動態的估算當前中繼節點通信范圍，并研究何時采用關鍵三維區域的觸發與退出機制去匹配相應的中繼節點選擇方法。更有助于結合實際場景確保V2V通信超低時延、高可靠的特性，從而提高緊急消息傳播效率。從而提高緊急消息傳播效率。從而提高緊急消息傳播效率。
