一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法
【專利摘要】一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法，本發(fā)明涉及一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法。本發(fā)明是要解決不能精確地實際預(yù)測鏈路延遲；基于MANETs的方法不滿足車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用的需求以及駕駛員很難發(fā)現(xiàn)汽車節(jié)點速度變化的一般規(guī)律，進(jìn)而給預(yù)測鏈路延遲帶來了很大的困難的問題，而提出的一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法。該方法是通過1、計算兩車的相對速度值△v；2、計算兩車車頭的相對位移值△S；3、計算出的速度差平均值u、方差σ2，4、計算相對距離為L；5、計算鏈路延遲的數(shù)學(xué)期望值ET；等步驟實現(xiàn)的。本發(fā)明應(yīng)用于VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測領(lǐng)域。
【專利說明】-種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鏈路延遲是VANETs中V2V信息傳輸應(yīng)用及其安全應(yīng)用的關(guān)鍵重要參數(shù)之一。然 而，理論上分析預(yù)測鏈路延遲是非常復(fù)雜的，先前的研究工作曾有人考慮過交通流中行駛 車輛節(jié)點的速度、密度、位置、方向、之間的距離、無線信號的傳輸范圍、交通燈的變化、交叉 口的汽車轉(zhuǎn)向等對鏈路延遲的影響，但假設(shè)車輛速度、交通密度是恒定的，交通燈獨立，因 而不能精確地實際預(yù)測鏈路延遲。
[0003] 實際上道路行駛的汽車速度都在隨機地變化著，VANETs的復(fù)雜環(huán)境和無線信道的 脆弱性為網(wǎng)絡(luò)的鏈路延遲理論分析帶來了巨大挑戰(zhàn)：城市環(huán)境和高速公路環(huán)境下，車輛速 度的快速變化會直接影響鏈路延遲理論分析。在城市環(huán)境下，帶有交叉口的道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 交通燈的變化，交叉口的轉(zhuǎn)向等因素都會影響鏈路延遲分析。
[0004] VANETs中交通流中車輛的安全應(yīng)用這個課題已經(jīng)被許多研究人員、政府、交通部 門和駕乘人員研究了很久，因為它承諾保證道路交通的安全性、增強交通系統(tǒng)的運行可靠 性、提高交通系統(tǒng)的運行效率。先進(jìn)的無線通信技術(shù)和車載設(shè)備支持各種VANETs安全應(yīng) 用。安全應(yīng)用要求V2V數(shù)據(jù)實時、可靠、低延遲地傳輸，因此鏈路延遲就成了數(shù)據(jù)傳輸性能 的關(guān)鍵屬性和衡量指標(biāo)，也是多跳信息傳輸選擇中繼節(jié)點的重要指標(biāo)之一。
[0005] 從MANETs到VANETs中，鏈路延遲一直在研究，因為它是一個設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 和最大化網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)。在MANETs中，由于節(jié)點的移動不受方向和區(qū)域限制，速度 低，所以MANETs的分析方法不滿足車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用的需求。有些基于MANETs的方法 被應(yīng)用在簡單的高速公路環(huán)境，但是城市環(huán)境中需要考慮交通燈的影響，在交叉口前車速 的變化，車輛轉(zhuǎn)向等因素，所以基于MANETs的方法不再適用。研究了針對城市環(huán)境的鏈路 延遲和連接性的問題，當(dāng)然他們并沒有完全考慮城市交叉口鏈路延遲的影響因素。采用的 Manhanttan移動模型產(chǎn)生車輛軌跡，假設(shè)車輛密度恒定、車輛速度恒定是不切合實際的。
[0006] 鏈路延遲早在MANETs中曾有過許多研究，但是MANETs中的這些關(guān)于鏈路延遲或 鏈路連接性的研究都不適合VANETs，路由協(xié)議方面的研究（比如：DSR，A0DV，GPSR)也不適 合動態(tài)變化的VANETs的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于受道路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和信息傳播方向的限制，目 前對于VANETs中對鏈路延遲的研究只限于一維的高速公路環(huán)境和二維的城市環(huán)境，因此 VANETs中鏈路延遲的分析方法，不僅需要區(qū)分城市場景和高速公路場景，還要考慮影響該 鏈路延遲的各種因素。在道路上行駛的車輛，其行駛速度會受到如駕駛員的駕駛習(xí)慣、周圍 車輛的數(shù)量、周圍車輛的速度和紅綠燈等各種因素的影響，導(dǎo)致很難發(fā)現(xiàn)汽車節(jié)點速度變 化的一般規(guī)律，進(jìn)而給預(yù)測鏈路延遲帶來了很大的困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了解決一、在城市環(huán)境下受到交叉口的道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交通 燈的變化，交叉口的轉(zhuǎn)向等因素影響鏈路延遲分析，不能精確地實際預(yù)測鏈路延遲；二、 MANETs的分析方法不滿足車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用的需求；基于MANETs的方法關(guān)于鏈路延遲 或鏈路連接性的研究都不適合VANETs、路由協(xié)議方面的研究和動態(tài)變化的VANETs的網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；三、駕駛員很難發(fā)現(xiàn)汽車節(jié)點速度變化的一般規(guī)律，進(jìn)而給預(yù)測鏈路延遲帶來了 很大的困難的問題，而提出了一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法。
[0008] 上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0009] 步驟一、假設(shè)有第i號車輛的速度為$?第j號車輛速度為則相對速度為 根據(jù)相對速度計算兩車的相對速度值Λ v ;
[0010] 步驟二、計算第i號車輛與第j號車輛兩車車頭的相對位移值Λ S ;
[0011] 步驟三、根據(jù)步驟一計算的相對速度值Λ V計算出Λ V服從一般正態(tài)分布即高斯 分布4;.+;相·的速度差平均值u、方差σ2,其中，\為服從正態(tài)分布的i號車速度的隨機 變量，'為服從正態(tài)分布j號車速度的隨機變量，Vi為第i號車輛的速度值，\為第j號車 輛速度值；
[0012] 步驟四、根據(jù)步驟二計算的相對位移值Λ S計算出第i號車輛與第j號車輛從開 始預(yù)測起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對距離為L ;其中，鏈路斷開狀態(tài)為兩車頭距離 大于無線通信半徑r ;

【權(quán)利要求】
1. 一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法，其特征在于一種VANETs中V2V鏈路 延遲的動態(tài)預(yù)測方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的： 步驟一、假設(shè)有第i號車輛的速度為·^，第j號車輛速度為￠,.則相對速度為g -?，根 據(jù)相對速度Δ?Η十算兩車的相對速度值Λ v ; 步驟二、計算第i號車輛與第j號車輛兩車車頭的相對位移值Λ S ; 步驟三、根據(jù)步驟一計算的相對速度值Λ ν計算出Λ ν服從一般正態(tài)分布即高斯分布 我-r/和?以的速度差平均值U、方差σ 2,其中，Vi為服從正態(tài)分布的i號車速度的隨機變量， Vj為服從正態(tài)分布j號車速度的隨機變量，Vi為第i號車輛的速度值，Vj為第j號車輛速 度值； 步驟四、根據(jù)步驟二計算的相對位移值Λ S計算出第i號車輛與第j號車輛從開始預(yù) 測起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對距離為L ;其中，鏈路斷開狀態(tài)為兩車頭距離大于 無線通信半徑r ;
步驟五、根據(jù)步驟二得到的平均值u、方差〇2以及步驟四得到的相對距離L計算鏈路 延遲的數(shù)學(xué)期望值 2d其中，t為產(chǎn)生相對位移AS所需要的時 4<1 間；即完成了一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法，其特征在于：步 驟一中假設(shè)有第i號車輛的速度為?，第j號車輛速度為^，則相對速度為g-巧,根據(jù)相 對速度Λν計算任意兩車的相對速度值Λ v具體為： Λ V是i號車輛與j號車輛兩車的相對速度值，則
式中，diri代表i號車輛行駛的方向，dir j代表j號車輛行駛的方向，其中在街道地圖 上，由西向東和由南向北行駛的車輛為正向行駛。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法，其特征在于：步 驟二中計算第i號車輛與第j號車輛兩車車頭的相對位移值Λ S為：
i號車輛的位移為5,，j號車輛位移為。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法，其特征在于： 步驟三中根據(jù)步驟一計算的相對速度值Λv計算出Λv服從一般正態(tài)分布即高斯分布 的速度差平均值u、方差。2的具體過程為： i號車輛與j號車輛兩車速度差的概率密度函數(shù)為：
其中，Vi為服從正態(tài)分布的i號車速度的隨機變量，Vj為服從正態(tài)分布j號車速度的 隨機變量，第i號車輛速度平均值Ui與第j號車輛速度平均值Uj ; 上式中令：
其中，為第i號車服從一般正態(tài)分布的方差，erf為第j號車服從一般正態(tài)分布的方 差； 對向行駛的第i號車與第j號車兩車的速度和獨立服從正態(tài)分布，同理可得下式：
由于車輛速度均值ρ=-為u的無偏估計，即："=-Σν\. (18) 其中，η為i號車輛或j號車輛從開始預(yù)測到鏈接斷開所用的總時間，vk為i號車輛或 j號車輛在k時刻的速度； 而樣本方差
米用EMA(Exponentialmovingaverage)法平滑平均值u的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法，其特征在于步驟 四中根據(jù)步驟二計算的相對位移值Λ S計算出第i號車輛與第j號車輛從開始預(yù)測起到達(dá) 鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對距離為L具體過程為： (1) 選擇j號車輛即中繼節(jié)點為參考系，i號車輛是中繼節(jié)點通信范圍內(nèi)的任一車輛節(jié) 點假設(shè)中繼節(jié)點是靜止的，則i號車輛的相對速度為Λ v = Vi-\，i號車與j號車從當(dāng)前時 刻到鏈路斷開時產(chǎn)生的相對位移Λ S = (d+D+r)-D = d+r ;其中，d為開始預(yù)測時刻i號車 與j號車的距離，D為j號車從開始預(yù)測時刻到鏈路斷開時刻的所行駛路程； (2) 在以j號車輛為參照物的參考系中，i號車輛即i號節(jié)點的相對速度Λ v不變，產(chǎn) 生相對位移Λ S所需要的時間t為：
(3) 忽略路上橫向行駛的i號車與j號車兩個車輛之間的縱向定義y軸方向的距離為 W ; 即：
屯為i號車與j號車兩個車輛之間的縱向定義X軸方向 (5) 的距離； (4) 令d = Xi-Xj，Xi為i號車所在位置的橫向坐標(biāo)、X」為j號車所在位置的橫向坐標(biāo)， r是無線信號傳輸半徑； 則i號車與j號車從開始預(yù)測起到鏈路斷開時的相對距離L分以下①和②兩種情況： ① 、當(dāng)仙>0時，即兩車相對速度向右： Xi〈Xj，所以d = Xi-XjXO,這時i號車開始預(yù)測起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對距 離為L = r-d ; Xi>Xj，所以d = Xi-XjX)，這時i號車開始預(yù)測起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對距 離是L = r-d ; ② 、當(dāng)Awn時，g卩i號車與j號車的相對速度向左： Xi>Xj，所以d = Xi-XjX)，這時i號車開始預(yù)測起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對距 離為L = r+d ; Xi〈Xj，所以d = Xi-XjXO,這時i號車開始預(yù)測起到達(dá)鏈路斷開狀態(tài)需要走過的相對距 離為L = r+d ; 綜上①和②分析，結(jié)論得到如下通用公式：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種VANETs中V2V鏈路延遲的動態(tài)預(yù)測方法，其特征在于步驟 五中根據(jù)步驟二得到的平均值u、方差〇2以及步驟四得到的相對距離L計算鏈路延遲的數(shù)
學(xué)期望值/: 的具體過程為： u<l (1) 通信范圍內(nèi)r (r為0?300m)的任意V2V兩車任意時刻預(yù)測產(chǎn)生相對位移L所需 要的時間由（4)式推導(dǎo)成下式（7)計算出兩車鏈路延遲時間T為：
鏈路延遲是指從開始預(yù)測時刻到兩車鏈路斷開時刻的時間； (2) i號車與j號車進(jìn)入通信范圍內(nèi)的每秒進(jìn)行預(yù)測兩車鏈路延遲時間T，假設(shè)兩車處 于第k秒狀態(tài)時，i號車與j號車保持此時第k秒的車輛相對速度的平均值和方差u k，〇 k2 不變行駛到鏈路斷開的距離Lk ; (3) 每次預(yù)測時，根據(jù)兩車鏈路延遲時間T與隨機變量V的關(guān)系*隨機變量V的 r 分布為正態(tài)分布，由分布函數(shù)F(t)定義得： _)=，(Γ年命)=-今=1-，_ (22) P表示發(fā)生的概率 兩邊對t求導(dǎo)有
將（15)式帶入（23)式得

(4) 采用平均鏈路延遲公式，從開始預(yù)測到鏈路斷開中的每一秒預(yù)測一次第i號車與 第j號車兩車鏈路延遲的數(shù)學(xué)期望值：
(5) 根據(jù)相對速度正態(tài)分布的概率密度函數(shù)確= t>0的時間T的期望的 ?j〇 積分上限up_bound和下限low_bound ;
low_bound = L/ (u+4 〇 ) (29) 所以（27)式被推導(dǎo)成下式：
將（24)式帶入（30)式得到（31)式：
當(dāng)u〈l時，采用前1秒計算的ΕΤ值，S卩（31)式被推導(dǎo)成公式（32):
當(dāng)u〈l時，公式（32)將采用前1秒u > 1計算的ET值；如果i號與j號兩個車輛鏈路 開始連接時的u〈l，則賦給ET -個大于100?300的隨機值。
【文檔編號】G08G1/01GK104064029SQ201410318558
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】崔剛, 王秀峰, 王春萌, 付忠傳, 吳翔虎, 暴建民, 莫毓昌, 朱東杰, 張策, 張必英 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)