CN103024046A - 一种面向物联网的通信中继节点部署方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于物联网通信领域，具体涉及一种用于物联网辅助通信的中继节点部署机制。辅助中继节点作为物联网中车与车间通信的消息中继，可用于提升全网消息投递成功率与缩短消息投递延时。本发明旨在设计中继节点部署策略，在基于车辆的物联网架构中，基于城市道路上的车流量密度或车辆经过频度计算路口代价值，并根据路口代价值和城市拓扑图中各路口之间的距离来优化部署多个中继节点，车辆通过中继节点交互数据，以有限的中继节点数目获取对全网性能的最大提升。
Description
技术领域
本发明属于物联网通信领域，具体涉及一种用于物联网辅助通信的中继节点部署机制。辅助中继节点作为物联网中车与车间通信的消息中继，可用于提升全网消息投递成功率与缩短消息投递延时。本技术旨在设计中继节点部署策略，以有限的中继节点数目获取对全网性能的最大提升。
背景技术
物联网是智能交通的重要组成部分，具有广阔的应用前景。其中，车辆间的多跳无线通信是物联网应用的重要支撑技术。
在物联网中，节点移动速度快，网络拓扑变化频繁，无线通信环境恶劣，这些特征严重影响了物联网中无线数据收发性能。已有研究成果表明，通过在物联网中加入通信辅助节点增强网络架构，可以使网络数据投递成功率得到显著提升。加入的通信辅助节点可以根据其组网形式分作三类：基于网络访问点（Access Point,AP），基于网状网（mesh），基于孤立中继节点（relay）。基于AP的方式是通过在城市中部署接入互联网的访问点协助车辆间进行数据转发；基于mesh网的方式是通过在城市中部署以网状网互联的通信辅助节点；基于relay的方式则是通过在城市中部署彼此间相互孤立的，具备短距离无线通信能力，能为移动车辆提供消息转发中继的节点。在这三种部署方式中，基于孤立中继节点的通信辅助方式由于低成本和部署灵活的优势，成为首选的网络架构增强手段。
在一般的移动自组网中（MANET），有部分关于中继节点部署的相关研究成果，但是由于MANET中的节点移动模式同物联网中车辆的移动模式差异较大，因此这些研究成果无法直接沿用在物联网场景下。本发明将重点针对物联网的移动特性和结构特性设计中继节点部署机制。
发明内容
本发明旨在设计网络中继节点的部署方式，以有限数量的中继节点数最大化数据投递成功率和投递延时收益。
本发明涉及的网络由携带短距离无线通信设备的车辆，以及部署在城市中固定位置的同样具备短距离无线通信能力的中继节点组成。中继节点互不相邻，无法直接通信。车辆也必须通过中继节点将数据包转发给其他车辆。车辆是可移动的，中继节点是静止的。
一种面向物联网通信的多中继节点部署方法，在基于车辆的物联网架构中，基于城市道路上的车流量密度或车辆经过频度计算路口代价值，并根据路口代价值和城市拓扑图中各路口之间的距离来优化部署多个中继节点，车辆通过中继节点交互数据。
其中的物联网架构，具体为令G(V，E)表示城市的路网拓扑，V表示路口集合，E表示路段集合。对于路口x和路口y，如果存在一个路段直接连通两个路口，且中间没有任何其它路口，则称路口x和路口y是相邻路口，假定有N个中继节点需要部署，N是远远小于城市中路口数量的正整数，每个中继节点将只部署在路口位置，每个路口最多布置一个中继节点，车辆间交换数据必须通过中继节点，即数据源车辆将数据发送给中继节点，然后由数据目标车辆从中继节点上取回数据，中继节点彼此不相邻，数据源车辆可以将数据复制给若干中继节点，中继节点将删除已被成功接收或超时的数据拷贝。
其中所述路口代价值反映城市道路车流分布或车辆经过频度，其计算方法为：
方法1：在每个路口设置摄像头，记录每一时段经过该路口的车辆数，统计最近连续多个时段所记录车辆总数，取平均值，得到单位时段内的经过该路口的车辆数平均值，作为该路口的代价值；
方法2：基于车辆经过频度的路口代价计算方法：每个路口的代价值初值为0，然后计算城市中任意两个路口之间的最短路径，针对每条路径，为路径上的每一个路口的代价值加1，将最终获得值作为每个路口的代价值。
其中根据路口代价值和城市拓扑图中各路口之间的距离来部署多个中继节点的步骤包括如下步骤：
步骤1，根据各个路口的代价值，建立一个代价值从大到小的路口队列；对于代价值相同的路口，则其次序按照与城市中心位置的直线距离，降序排列，如果距离仍然相同，则随机选择；
步骤2：首先向路口队列中权值最高的路口处放置一个中继节点，然后从队列中删除该路口；
步骤3：从路口队列中选择满足距离所有已经放置中继节点的那些路口距离均大于L，且队列中最靠前的路口，其中L是与城市面积大小相关的一个距离值，如果存在这样的一个路口，则向该路口放置一个中继节点，然后从队列中删除该路口；如果不存在，则减小L的值，从新执行步骤3；
步骤4：若还有尚未部署的中继节点，则继续执行步骤3，直至所有的中继节点部署完毕。
其中所述车辆通过中继节点交互数据具体包括：若信源车辆在移动过程中遇到一个中继节点，则将其待发数据转发给该中继节点，每条数据至多可以转发给k个中继节点，k是一个小的自然数，k<=N；当目标车辆经过某个中继节点时，中继节点检查本地是否存有需要转发给该车辆的数据；如果有且该车辆尚未收到过该数据时，则转发给该车辆，然后从本地删除该数据；如果该车辆已经收到过该数据，则直接本地删除，不转发数据。
附图说明
图1为实施例一相关街区及相应中继节点部署方案。
具体实施方式
本发明将计算路口代价值，并依据路口代价值大小选择中继节点的部署位置。
1）计算路口代价值：
本发明涉及两种路口代价计算方法：
方法1：根据每个路口部署的摄像头，记录每一时段经过该路口的车辆数，统计最近连续多个时段（如连续5个小时、或连续5天、或连续5个十分钟）所记录车辆总数，取平均值，得到单位时段内的经过该路口的车辆数平均值，作为该路口的代价值；
方法2：基于车辆经过频度的路口代价计算方法：每个路口的代价值初值为0，然后计算城市中任意两个路口之间的最短路径，针对每条路径，为路径上的每一个路口的代价值加1；将最终获得值作为每个路口的代价值。
在上述两种方法中，方法1根据统计交通流量情况计算路口代价值，比方法2能够更好地反映城市中的车辆密度分布，但是需要额外设备支持；方法2根据道路长度信息计算路口代价值，相对方法1，其优势在于不需要额外设备支持，便于实现。
2）建立路口队列：
根据第1步中计算得到的路口代价值，建立一个代价值从大到小的路口队列；对于代价值相同的路口，则其次序按照与城市中心位置的直线距离，降序排列，如果距离仍然相同，则随机选择。
3）部署中继节点：
步骤1：首先向路口队列中代价值最高的路口处放置一个中继节点，然后从路口队列中删除该路口;
步骤2：从路口队列中选择满足距离所有已经放置中继节点的那些路口距离均大于L（L是与城市面积大小和平均路段长度相关的一个距离值，如L=1公里），且队列中最靠前（即代价最大）的路口。如果存在这样的一个路口，则向该路口放置一个中继节点，然后从队列中删除该路口；如果不存在，则减小L的值（如L=L-0.1公里），重新执行步骤2；
步骤3：若还有尚未部署的中继节点，则继续执行步骤2，直至所有的中继节点部署完毕。
4）借助中继节点转发数据：
若信源车辆在移动过程中遇到一个中继节点，则将其待发数据转发给该中继节点，每条数据至多可以转发给k个中继节点，k是一个小的自然数，k<=N；当目标车辆经过某个中继节点时，中继节点检查本地是否存有需要转发给该车辆的数据；如果有且该车辆尚未收到过该数据时，则转发给该车辆，然后从本地删除该数据；如果该车辆已经收到过该数据，则直接本地删除，不转发数据。
下面结合附图及实例对本发明作进一步的说明。本实例将基于路口代价值计算方法1进行说明，方法2类似。
附图1是包括A～I一共9个路口、12个路段的城市道路拓扑示例，括号中的数字是在历史单位时间内经过该路口的车辆数目平均值，在代价值计算方法1中该值将表示为该路口对应的代价值。各个路段的长度相同。在本实例中，需要部署的中继节点数目指定为N=3，L的初值为路段长度，E为全图中心点。当路口代价值已知，可得路口队列：{B,G，H,A,E,F，C,I,D}，因此中继节点将按照序列中的优先级进行部署。第1、2个中继节点将分别部署在具有最高代价值和次高代价值的路口B与路口G处。由于H与A路口与已部署有中继节点的路口B和G距离不超过L，所以第3个中继节点部署在更低优先级的路口F处。
在附图1中，假设车辆X有数据待发送给车辆Y，则X会在行驶过程中将数据包复制给途径的G、F两个路口处的中继节点，则目标车辆Y会在经过F处的中继节点时取得数据。
Claims (5)
1.一种面向物联网通信的多中继节点部署方法，其特征在于：
在基于车辆的物联网架构中，基于城市道路上的车流量密度或车辆经过频度计算路口代价值，并根据路口代价值和城市拓扑图中各路口之间的距离来优化部署多个中继节点，车辆通过中继节点交互数据。
2.根据权利要求1所述的面向物联网通信的多中继节点部署方法，其特征在于，所述基于中继节点的物联网架构中令G(V，E)表示城市的路网拓扑，V表示路口集合，E表示路段集合；路口x和y为相邻路口，网络中假定有N个中继节点需要部署，N是远远小于城市中路口数量的正整数，每个中继节点将只部署在路口位置，每个路口最多布置一个中继节点，车辆间交换数据必须通过中继节点，然后由数据目标车辆从中继节点上取回数据，中继节点彼此不相邻，数据源车辆可以将数据复制给若干中继节点，中继节点将删除已被成功接收或超时的数据拷贝。
3.根据权利要求1所述的面向物联网通信的多中继节点部署方法，其特征在于，所述路口代价值反映城市道路车流分布或车辆经过频度，其计算方法为：
方法1：在每个路口设置摄像头，记录每一时段经过该路口的车辆数，统计最近连续多个时段所记录车辆总数，取平均值，得到单位时段内的经过该路口的车辆数平均值，作为该路口的代价值；
方法2：基于车辆经过频度的路口代价计算方法：每个路口的代价值初值为0，然后计算城市中任意两个路口之间的最短路径，针对每条路径，为路径上的每一个路口的代价值加1，将最终获得值作为每个路口的代价值。
4.根据权利要求1所述的面向物联网通信的多中继节点部署方法，其特征在于，根据路口代价值和城市拓扑图中各路口之间的距离来部署多个中继节点的步骤包括如下步骤：
步骤1，根据各个路口的代价值，建立一个代价值从大到小的路口队列；对于代价值相同的路口，则其次序按照与城市中心位置的直线距离，降序排列，如果距离仍然相同，则随机选择；
步骤2：首先向路口队列中权值最高的路口处放置一个中继节点，然后从队列中删除该路口；
步骤3：从路口队列中选择满足距离所有已经放置中继节点的那些路口距离均大于L，且队列中最靠前的路口，向该路口放置一个中继节点，然后从队列中删除该路口；如果不存在满足上述条件的路口，则减小L的值，重新执行步骤3；其中L是与城市面积大小相关的一个距离值，；
步骤4：若还有尚未部署的中继节点，则继续执行步骤3，直至所有的中继节点部署完毕。
5.根据权利要求1所述的面向物联网通信的多中继节点部署方法，其特征在于，其中所述车辆通过中继节点交互数据具体包括：
若信源车辆在移动过程中遇到一个中继节点，则将其待发数据转发给该中继节点，每条数据至多可以转发给k个中继节点，k是一个小的自然数，k<=网络中需部署的中继节点总数；当目标车辆经过某个中继节点时，中继节点检查本地是否存有需要转发给该车辆的数据；如果有且该车辆尚未收到过该数据时，则转发给该车辆，然后从本地删除该数据；如果该车辆已经收到过该数据，则直接本地删除，不转发数据。
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