应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换机制
1.本发明涉及车辆自组织网络中的v2v通信技术，具体涉及应用于二维与三维场景的车辆中继节点切换机制。
背景技术：
2.车联网作为现代智能交通的重要组成部分，在智能交通方面应用十分广泛。其中，紧急消息广播作为车联网的安全类应用，能提供高效安全的驾驶环境，有效避免人员伤亡和减少经济损失，因此对车联网通信性能的要求也更为严苛，表现为更低的时延、更高的可靠性、更高的速率。
3.已有的中继节点选择方法集中在二维场景下研究，采用固定的通信范围，仅考虑一跳的消息传播性能，选出源节点的下一跳中继节点。三维道路结构复杂，有着异于二维道路的特点。层与层之间存在的障碍物使得发送节点在不同层面通信范围具有较大差异，随着地势的起伏，v2v天线的有效高度会随之改变，影响着实际通信范围的变化。正是由于这种通信范围的差异，往往会影响中继节点性能的连通性和跳数增加概率，因此，二维场景中继节点选择方法不能简单地扩展应用于三维场景中。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于考虑道路高程差,环境障碍物(如植被、岩石等物体)对中继节点通信范围的影响，针对二维场景下的中继节点选择方法不再适用于当前关键三维区域，提出了一种车联网中继节点的切换机制。
5.为解决上述问题，本发明采用了以下技术方案：
6.源节点向目的节点发送请求；
7.每个节点通过gps及传感器收集车辆位置(经度、纬度及海拔高度)，通过gis辅助获取周围环境信息；
8.源节点通过信标beacon获得其它节点的位置信息；
9.获取车辆天线离地面的高度h
rx
；
10.根据车辆位置、车辆离地面高度计算出源节点天线的有效高度h
tx
及车辆之间的欧式距离；
11.h
tx
＝源节点的地面海拔高度-移动节点所在位置的地面海拔高度+车辆天线离地面高度；
12.采用修正后的ieee802.16d模型计算出源节点与其它节点之间的路径损耗pl(d)，如(1)所示；
13.14.其中，d0为参考距离，γ＝a-bh
tx
+c/h
tx
，a、b、c为参数，cf为与载波频率相关的系数，c
rx
为于接收天线相关的系数。
15.三维道路场景下车联网中继节点车辆会因地形、障碍物、相邻大型车辆带来阴影衰落。
16.阴影衰落描述的是中等尺度区间(数百波长)内信号电平中值的慢变化特性，阴影衰落的特征可用对数正态分布的随机变量刻画，即：
17.pl'(d)＝pl(d)+x
σ
ꢀꢀ
(2)
18.x
σ
是一个零均值高斯分布的随机变量，环境障碍物的类别、密度及宽度都会影响x
σ
的值。
19.取一般场景两节点上下行传输线路允许路径损耗最小值d为基准；
20.判断源节点与某一任意节点的总值损耗pl'(d)是否小于d值，从而得出源节点通信范围内的备选中继节点；
21.根据贪婪算法gpsr到源节点的下一跳中继节点，并记录它距离源节点的道路长度length
r1
；
22.重复贪婪算法到源节点的第二跳中继节点，记录它距离第一跳中继节点的道路长度length
r2
；
23.计算gpsr算法下消息传播的两跳道路总长w
gpsr
；
24.w
gpsr
＝length
r1
+length
r2
ꢀꢀ
(3)
25.计算源节点通信范围内其它备选节点距离源节点的道路长度；
26.遍历源节点的备选节点，假设它们为源节点的第一跳中继节点，并到它们通信范围第二跳备选节点。将第二跳备选节点中沿道路最长的节点作为第二跳中继，计算它距离第一跳中继节点的道路长度；
27.计算遍历方法的两跳道路总长{w2,w3,w
i,
...,wn}；
28.将遍历结果的最大值作为动态三维中继方法的两跳道路总长；
29.w
动态三维中继
＝max{w2,w3,wi,...,wn}
ꢀꢀ
(4)
30.判断w
gpsr
是否小于w
动态三维中继
，若满足判断条件则该区域触发二维切换至三维的中继节点选择机制，由首个进入该区域的中继节点切换至三维道路场景下的中继节点选择方法，若不满足，则继续沿用之前的二维道路场景中继节点选择方法。若之前已由二维切换至三维道路场景下的中继节点选择方法，但发现第n个中继节点又不满足切换阈值条件时，则由第n个节点退出三维道路中继节点选择方法，选择合适的二维道路场景中继节点选择方法，切换算法完成。
31.本发明应用于二维道路与三维道路的中继节点选择方法切换判断，本方法能够有效判别需要采用三维场景中继节点选择道路的关键特征，给出了切换阈值和切换机制，能够根据具体场景判断出更合理的中继节点选择方法。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
33.图1为本发明实施例所提供的一种应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换
机制触发或退出流程图；
34.图2为图1中步骤s200的具体流程图；
35.图3为本发明实例所提供的应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换机制中的gpsr方法两跳选取和三维动态中继方法两跳选取示意图。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.本发明结合图1进行了应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换阈及机制的详细说明，包括以下步骤：
38.s100、源节点及消息传播方向道路上的其它车辆借助gps获取自身的三维位置坐标，包括经度，维度和海拔高度；借助gis获取目标环境障碍物参数；
39.s200、根据s100获取的三维位置信息及障碍物参数到源节点实际通信范围内的所有备选节点；
40.s300、得到贪婪算法gpsr和三维遍历法各自的两跳通信距离总和；
41.s400、将gpsr方法两跳的结果作为切换阈值，定义三维遍历法得到结果的最大值作为动态三维中继方法的两跳道路总长。比较两者的结果，若动态三维中继方法的两跳距离大于当前阈值，则触发中继节点切换机制。
42.s500、由首个满足该阈值判断条件的中继节点启动三维道路中继节点选择方法，不满足判断条件则不需要切换或退出三维道路中继节点选择方法。若之前已由二维切换至三维道路场景下的中继节点选择方法，但发现第n个中继节点又不满足切换条件时，则由第n个节点退出三维道路中继节点选择方法，选择合适的二维道路场景中继节点选择方法，切换机制完成。
43.其中，本实例的步骤s100中，目标环境障碍物可以为植被，岩石或山体等，因植被引起的特有衰减率，取决于植被的种类、密度及密度的宽广范围；
44.参考图2，在本实例的步骤s200中，源节点可以通过beacon得到其它车辆的三维位置坐标，计算它们的相对高度差，欧式距离。接收天线的高度为车辆天线距离地面的高度，发送天线的高度为两节点相对高度差加车辆距离地面天线的高度，根据ieee802.16d无线通信模型计算两车辆的路径损耗，再加上gis得到的障碍物衰减因子损耗，即为最终的总值损耗。根据工程所选的无线设备参数，天馈线性能等指标，计算出上下行线路的最大允许路径损耗，一般取上下行传输线路允许路径损耗较小的为基准，通过判断两节点间的最终路径损耗是否小于该基准得到源节点的下一跳中继备选集节点；
45.在本实例的步骤s300中，在源节点的备选节点中根据贪婪算法选择消息传播沿道路长度最远的节点为第一跳的中继节点，第二跳也同样选中第一跳通信范围内沿道路长度最远的节点，计算第二跳节点距离源节点的道路长度，将此作为gpsr方法两跳的结果；遍历源节点的备选集节点，分别计算它们距离源节点的道路长度，将它们当做发送端，到它们通信范围内的第二跳备选节点，选择第二跳备选节点中沿道路最长的节点作为第二跳中继，计算它们距离发送端的道路长度，计算三维遍历法得到的两跳道路总长{w2,w3,wi,...,
wn}。
46.进一步，参照图3对本发明的gpsr和三维遍历方法进行描述。例如，图3以s1为源节点，s2,s3,s4均为它的下一跳备选节点，s4沿道路长度最远，s5,s6为它通信范围内的备选节点，而s4,s5,s6,s7皆在s3的通信范围内；
47.在本实例的步骤s400中，将gpsr方法两跳的结果与三维遍历方法两跳的最大值进行比较，若三维遍历方法两跳的结果大于gpsr方法两跳的结果，说明由于障碍物或高程差对通信范围的影响，二维场景的中继节点选择方法并不一定最优，将动态三维中继方法的两条距离大于gpsr方法的两跳距离作为触发中继节点选择方法切换的阈值条件；
48.在本实例的步骤s500中，根据步骤s400的判断结果来决定是否启动中继节点切换机制，若满足步骤s400的判断条件，则由首个符合该条件的节点启动切换机制，选择新的三维道路中继节点选择方案。若不满足，则无需启动切换机制或由该节点退出当前三维道路中继节点选择方法。由此，便可为不同的道路特征匹配不同的中继节点选择方法提供一个合理有效的切换机制。
49.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
技术特征：
1.一种应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换机制，其特征在于，包括以下过程：1)通过车载gps获取车辆当前的三维位置信息，包括，经度、纬度及其海拔高度；由车辆自带的gis获取周围环境障碍物参数；2)根据所述的车辆坐标及障碍物参数计算源节点通信区域内的下一跳可用备选节点；3)计算得到源节点的可用备选节点的下一跳最远可通信位置，得到gpsr方法和三维遍历法的两跳通信距离，其中，最远可通信位置和通信距离均沿道路长度定义；4)定义三维遍历法得到结果的最大值作为动态三维中继方法的两跳道路总长，将gpsr计算得到的两跳距离小于动态三维中继法的两跳距离作为车联网中继节点切换的阈值条件；5)根据判断当前节点是否满足阈值条件，来决定是否启动三维道路中继节点选择方法。2.根据权利要求1所述的一种应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换机制，其特征在于，步骤2)中考虑到高层差和障碍物使得不同节点的通信范围存在较大差异，v2v车辆通信范围不再固定，得到源节点通信区域内的下一跳可用备选节点具体过程如下：源节点利用beacon获取其他车辆的位置信息；车辆天线离地面的高度为h
rx
，h
tx
＝源节点的地面海拔高度-移动节点所在位置的地面海拔高度+车辆天线离地面高度；采用修正后的ieee802.16d模型计算出源节点与其它节点之间的路径损耗pl(d)，如(1)所示；阴影衰落描述的是中等尺度区间(数百波长)内信号电平中值的慢变化特性，阴影衰落的特征可用对数正态分布的随机变量刻画，即：pl'(d)＝pl(d)+x
σ
ꢀꢀꢀꢀ
(2)x
σ
是一个零均值高斯分布的随机变量；取一般场景两节点上下行传输线路允许路径损耗最小值d为基准；判断源节点与某一任意节点的总值损耗pl'(d)是否小于d值，从而得出源节点通信范围内的备选中继节点。3.根据权利要求1所述的一种应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换机制，其特征在于，步骤3)中，得到gpsr方法和三维遍历法的两跳通信距离的具体过程如下：根据贪婪算法gpsr到源节点的下一跳中继节点，并记录它距离源节点的道路长度length
r1
；重复贪婪算法到源节点的第二跳中继节点，记录它距离第一跳中继节点的道路长度length
r2
；计算gpsr算法下消息传播的两跳道路总长w
gpsr
；
w
gpsr
＝length
r1
+length
r2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)计算源节点通信范围内其它备选节点距离源节点的道路长度；遍历源节点的备选节点，假设它们为源节点的第一跳中继节点，到它们通信范围第二跳备选节点，将第二跳备选节点中沿道路最长的节点作为第二跳中继，计算它距离第一跳中继节点的道路长度；计算三维遍历法得到的两跳道路总长{w2,w3,w
i
,...,wn}。4.根据权利要求1所述的一种应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换机制，其特征在于，步骤4)中，根据步骤3)三维遍历法得到的两跳距离集合，从中选出一个最大值，将这个最大值作为动态三维中继方法的两跳道路总长，即：w
动态三维中继
＝max{w2,w3,w
i
,...,wn}
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)将gpsr方法两跳的结果作为切换阈值，gpsr方法得到的两跳距离小于动态三维中继方法的两跳距离，作为二维场景与三维场景的中继节点切换的阈值条件。5.根据权利要求1所述的一种应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换机制，其特征在于，步骤5)中，给出了二维场景与三维场景的中继节点切换机制。当有中继节点满足步骤4)的阈值条件，gpsr方法得到的两跳距离小于动态三维中继方法的两跳距离时，由首个进入该区域的中继节点切换至三维道路场景下的中继节点选择方法，若不满足，则继续沿用之前的二维道路场景中继节点选择。若之前已由二维切换至三维道路场景下的中继节点选择方法，但发现第n个中继节点又不满足切换阈值条件时，则由第n个节点退出三维道路中继节点选择方法，选择合适的二维道路场景中继节点选择方法，切换机制完成。
技术总结
应用于二维与三维场景的车联网中继节点切换机制，考虑了道路高度差与环境障碍物对V2V通信范围所带来的影响，结合两跳范围内节点的分布，判断一般情况使用的二维中继节点选择方法是否适用于当前场景，完成节点切换策略。计算GPSR方法和遍历方法得出的沿道路长度的两跳通信范围；判断GPSR的计算结果是否小于遍历结果的最大值；若小于则启动三维中继方法，若GPSR计算结果较大则继续采用二维中继方法。本发明动态的估算当前中继节点通信范围，并研究何时采用关键三维区域的触发与退出机制去匹配相应的中继节点选择方法。更有助于结合实际场景确保V2V通信超低时延、高可靠的特性，从而提高紧急消息传播效率。从而提高紧急消息传播效率。从而提高紧急消息传播效率。
