一种基于交通流异构性的多IP通信方法与流程

本发明涉及一种通信方法，具体的说是一种交通流通信方法，属于通信技术领域。

背景技术：

为了适应交通业的迅速发展，交通系统中的通信需求也越来越丰富，并且这种通信模式的完善也有利于交通系统的完善。例如：车辆与车辆之间交换运行状态信息可以使车辆之间有效规避；车辆与行人之间的信息交互，可以让驾驶者在视线不佳时及时规避行人，避免发生碰撞；车辆与路边设施之间的信息交互有助于提高交通系统的通行效率；车辆与紧急车辆（警车、救护车、消防车）之间的信息交互可以为紧急车辆提供安全高效的绿色通道。

基于上文，在混合通信需求场景下，如何设计出一种适合多优先级异构信息有效传输的通信模式时本专利关注的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于交通流异构性的多IP通信方法，提高交通流的通行效率。

本发明提供了一种基于交通流异构性的多IP通信方法，包括以下步骤：

1）建立四种通信模式；分别为V2V模式、V2P模式、V2I模式和V2A模式，其中，V2V模式是指车辆与车辆之间的通信，V2P模式指的是车辆、基站和路边行人三方之间的通信，V2I模式指的是车辆、基站和路边设施之间的通信，V2A模式是指车辆与紧急车辆之间的通信模式；

2）收集异构信息；所述异构信息为车辆之间、交通环境之间、驾驶者之间存在差异的信息；

3）根据异构信息实现上述四种通信模式。

作为本发明的进一步限定，步骤3）中实现方案具体包括传输层、网络层和数据链路层三个层面；

3-1）传输层的实现方案

在传输层采用SCTP协议，为每辆车的通信终端配置两个IP地址，实现SCTP的多IP偶联机制，两通信终端上的四个IP地址两两互联构成四条链路，暂称为链路1、2、3、4；

3-2）网络层的实现方案

利用SCTP的偶联机制建立了4条链路为四种通信模式服务，为每个汽车的通信终端配置了两个IP地址，采用IPv6协议，

3-3）数据链路层的实现方案

V2V模式中信号传播方式采用单播，数据链路层校验方式采用不需要校验，

V2P模式中信号传播方式采用组播，数据链路层校验方式采用冗余校验，

V2I模式中信号传播方式采用组播，数据链路层校验方式采用冗余校验，

V2A模式中信号传播方式采用广播，数据链路层校验方式采用冗余校验。

作为本发明的进一步限定，步骤3-1）中四条链路配置不同的信道质量，假设链路1-4信道质量为逐渐降低，那么则利用链路1作为V2V模式信号传递的链路，链路2作为V2P模式信号传递的链路，链路3作为V2I模式信号传递的链路，链路4作为V2A模式信号传递的链路；即利用最好的信道传递最基础通信模式的信号；利用最差的信道传递最高级通信模式的信号；

四种通信模式的基础性有排序为：V2V模式>V2P模式>V2I模式>V2A模式，其对应的传输链路为链路1、2、3、4，SCTP在信道建立的时候，需要进行四次握手机制，设定链路1的建立需要进行6次握手；链路2、3、4的建立仅需要进行4次握手。

作为本发明的进一步限定，步骤3-2）中对于IPv6地址的具体使用采用静态IPv6地址和动态IPv6地址结合的方式；每辆车的通信终端分别配置两个IP地址，其中一个为动态IP地址，另一个为静态IP地址。

作为本发明的进一步限定，步骤1）中四种通信模式具体为：

V2V模式是指车辆与车辆之间的通信，车辆与车辆之间不经过基站，直接进行消息的传递，这种模式主要负责安全的规避问题，车辆之间共享车辆位置、速度、方向、加速度等信息，检测本车与其他车辆之间的相对运行状态，在车辆碰撞之前进行紧急制动，从而避免事故的发生；

V2P模式指的是车辆、基站和路边行人三方之间的通信，车辆通过传感器收集本车周围的路况信息，路边行人信息，对这些信息进行处理，在与行人发生碰撞之前进行紧急制动，并且将车辆信息发送给路边行人的可穿戴设备，用以提醒路人即将发生的碰撞；

V2I模式指的是车辆、基站和路边设施之间的通信，在该模式下，车辆将收集到的所有的异构信息通过基站传递给数据处理中心，数据处理中心通过对数据的处理，模拟这些车辆在路网中的行驶状态；

V2A模式是指车辆与紧急车辆之间的通信模式，紧急车辆包括警车、救护车和消防车，当这些紧急车辆将自身的运行状态和目标位置通过基站传递给数据处理中心的时候，数据处理中心会收集目标路径上所有的车辆信息，并且计算出这些紧急车辆以怎样的状态运行才是最优运行状态，并且将这些信息发送给目标路径上的所有车辆，目标车辆收到请求之后会改变自身的运行状态，合理的避让这些紧急车辆，以便为这些紧急车辆提供足够的道路资源。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计四种通信场景，相较于现有方案，可以从四个角度改善交通流运行状态：车辆之间的通信使车辆可以做出紧急规避动作，减少事故的发生；车辆与行人通信可以在驾驶者视线受阻的请款下有效的规避路边行人；车辆与路边单元通信可以通过分析车辆异构性有效的提升交通流的运行效率；车辆与紧急车辆通信可以让紧急车辆执行任务时更加有效。

附图说明

图1为本发明中四种通信模式场景示意图。

图2为本发明中异构信息示意图。

图3为本发明中车辆终端之间的偶联机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明针对车联网设计了四种应用场景，分别是V2V模式、V2P模式、V2I模式和V2A模式；场景图如图1所示；

四种主要场景如图1所示，这四种通信模式按照等级划分为四级，每辆车根据的性能和需求设定自己的通信等级，所有的车辆都必须满足第一级通信模式，即V2V模式；所有车辆可以具备等级更高的通信模式，前提是能实现该等级以下的所有通信模式。下面就四种通信模式一一介绍。

V2V模式是指车辆与车辆之间的通信，车辆与车辆之间不经过基站，直接进行消息的传递；这种模式主要负责安全的规避问题，车辆之间共享车辆位置、速度、方向、加速度等信息，检测本车与其他车辆之间的相对运行状态，在车辆碰撞之前进行紧急制动，从而避免事故的发生。

V2P模式指的是车辆、基站和路边行人三方之间的通信，当驾驶者视线不佳时。车辆通过传感器收集本车周围的路况信息，路边行人信息，对这些信息进行处理，在与行人发生碰撞之前进行紧急制动，并且将车辆信息发送给路边行人的可穿戴设备，用以提醒路人即将发生的碰撞。这种通信方式基于基站作为中间传递设施。虽然这类安全规避问题不适合用LTE-V的处理方式，但是5G基站广泛部署前提下，这种通信方式可以满足超低时延的要求。

V2I模式指的是车辆、基站和路边设施之间的通信，在该模式下，车辆将收集到的所有的异构信息通过基站传递给数据处理中心，数据处理中心通过对数据的处理，模拟这些车辆在路网中的行驶状态，从而得出两个结论：其一，对于整个交通流而言，所有车辆在车流中以怎样的状态行驶才可以最大程度的提高交通流的运行效率；其二，对每辆车而言，以怎样的状态以及路线行驶对自己来说是最优选择。 综合这两方面考虑，计算出所有的车辆的最佳行驶状态，并且通过基站向所有的车辆传递消息，车辆接收到消息之后，会按照既定策略改变自己的行驶状态，从而实现整个交通流的最优运作；另外路边设施（例如信号灯）也会接收到基站的信号，自适应的调整信号灯的时间与状态，以配合交通流实现整体运行效率的提高。

V2A模式是指车辆与紧急车辆之间的通信模式，紧急车辆包括警车、救护车和消防车。当这些紧急车辆将自身的运行状态和目标位置通过基站传递给数据处理中心的时候，数据处理中心会收集目标路径上所有的车辆信息，并且计算出这些紧急车辆以怎样的状态运行才是最优运行状态，并且将这些信息发送给目标路径上的所有车辆，目标车辆收到请求之后会改变自身的运行状态，合理的避让这些紧急车辆，以便为这些紧急车辆提供足够的道路资源。

异构信息的收集及其意义

异构信息指的是车辆之间、交通环境之间、驾驶者之间存在差异的信息。例如车辆与车辆之间的大小、晴天和雨天、驾驶者的性别等等都属于异构信息。这些异构参数会对交通流的行驶状态产生巨大的影响。

根据美国交通部实际测试得到的数据，通过将这些异构信息应用在不同的模式（V2V和V2I模式），可以有效的避免交通事故；实测数据如下：V2V 系统可以避免 79% 的各类交通事故。具体地说，V2V 系统可以避免 81% 的轻型车辆事故以及 71% 的重型车辆事故。V2I 系统可以避免 26% 的各类交通事故。具体地说，V2I 系统可以避免 27% 的轻型车辆事故以及 15% 的重型车辆事故。将 V2V 和 V2I 系统整合起来，可以避免 83% 的轻型车辆事故以及 72% 的重型车辆事故。并且根据权威机构研究表明，V2X系统能够提高30%以上的通行效率。

本专利针对通信模式的设计问题，将需要收集的信息分为三类，具体信息如图2所示，图2详细的介绍了一些重要的异构信息及其之间的关系；由于四种通信模式各有侧重，因此其所需收集的异构信息亦不同，下表给出不同的通信模式需要收集的异构信息。

表1 通信模式对应待收集信息

表1给出了四种应用场景分别需要收集的异构性信息和通信方式，在不同的模式下收集不同的信息，不仅可以提高交通流的运行状态、减少事故发生的概率，还能避免不必要的信息收集，从而达到节约资源的目的。

四种通信模式的实现方案

本发明涉及到四种通信模式：V2V模式、V2P模式、V2I模式和V2A模式。下文将从传输层、网络层和数据链路层三个层面介绍这四种通信模式的实现方案与实现细节，从而建立完善通信模式体系。

传输层的实现方案

为了适应这四种通信模式，本文在传输层拟采用SCTP协议，这是一种将TCP协议和UDP协议的优势相结合的通信协议；SCTP协议的特点在于其偶联通信方式，这是一种多IP对多IP的通信方式，结合本专利内容，其偶联方式如图3所示，本专利为每辆车的通信终端配置两个IP地址，从而实现SCTP的多IP偶联机制；车辆A具有IP地址IPA和IPB; 车辆B具有IP地址IPC和IPD；这四个IP地址两两互联构成四条链路，暂称为链路1、2、3、4，这四条链路有着不同的信道质量；假设链路1信道质量最好；链路4信道质量最差。那么则利用链路1作为V2V模式信号传递的链路；链路4用作V2A模式信号传递的链路。即利用最好的信道传递最基础通信模式的信号；利用最差的信道传递最高级通信模式的信号，具体匹配方式如图3。

在此基础上，我们即可认为四种通信模式的基础性有排序为：V2V模式>V2P模式>V2I模式>V2A模式（V2V模式为最基础通信模式），其对应的传输链路为链路1、2、3、4。根据现实场景种四种模式的使用情况，可以做以下假定：链路1最为重要，且信息传递频繁，不需要经常拆除链路；链路4最不重要，且信息传递不频繁，需要经常拆除链路。SCTP在信道建立的时候，需要进行四次握手机制，但是这是一个工程型的数字，没有数学推导证明；也没有任何物理意义，仅仅是经验只谈。所以本专利针对四种不同的链路，设计不同的链路建立机制，即握手次数不同。本文根据实际情况，拟设定链路1的建立需要进行6次握手；链路2、3、4的建立仅需要进行4次握手。

网络层的实现方案

本发明利用SCTP的偶联机制建立了4条链路为四种通信模式服务，所以本文为每个汽车的通信终端配置了两个IP地址。鉴于IPv4环境下IP地址严重匮乏，即使使用动态IP地址技术也无法满足如此庞大的IP地址需求，所以本专利的网络层技术部署背景为IPv6协议，即本文提到的通信模式的部署背景为IPv6环境。

IPv6协议带来的IP地址的极大扩展是物联网技术的基础，因此本专利在网络层使用IPv6协议非常合适。对于IPv6地址的具体使用一般有两种方案：静态IPv6地址和动态IPv6地址。

本专利结合实际情况，拟采用动态IP地址和静态IP地址相结合的方式。每辆车的通信终端分别配置两个IP地址，其中一个为动态IP地址，另一个为静态IP地址。静态IP地址为固定地址，因此该地址会与车辆进行绑定，并且该地址会绑定车辆的基本信息，这些基本信息也就是车辆的部分异构信息和部分驾驶者异构信息。因此两辆车之间若是通过静态IP地址建立的链路传递信息，则不必收集已经绑定的信息，而实直接调用数据库即可。但是高级通信模式使用频率较少，因此正常情况下4条链路并非同时存在，因此若是每个终端配置两个静态IP地址，就会造成IP资源的极大浪费。鉴于此，本文为终端配置的第二个IP地址采用动态IP机制，即车辆在使用更高级模式时，才会为终端动态配置第二个IP地址，建立额外的链路。

这种静态IP地址和动态IP地址相结合的方式既可以满足偶联机制的多IP需求，还可以极大的节省IP地址资源，此外静态IP地址上绑定的异构信息还可以减少信息收集层面上的开销，非常适用于本专利提出的此种通信方式。

数据链路层的实现

表2 信号传播方式和校验方式

表2介绍介绍四种通信模式分别对应的信号传播方式和数据链路层的校验方式，下文将具体介绍这样的选择依据。

V2V模式是指车辆与车辆之间的通信，车辆与车辆之间不经过基站，直接进行消息的传递。这种模式主要负责安全的规避问题，该通信模式是最基础的通信模式，需要实时传递车辆位置、速度、方向、加速度等信息，检测本车与其他车辆之间的相对运行状态。结合上一节中规定该通信模式需要进行6次握手机制，且链路相对稳定，所以对于此种通信模式，为了节约开销和增加实时性，在此种通信模式下建议不进行差错校验。其余三种通信模式由于其通信链路相对不稳定，所以这三种通信模式均需进行数据链路层的冗余校验。

V2V模式虽然涉及车辆与车辆之间的通信，且每辆车都需要了解周围多辆车的异构信息，但其实每辆车只需要与周围两辆车进行通信即可，为了使每辆车都了解周围的所有车辆信息，车辆在进行通信的时候，不仅需要将本车信息传递出去，还需要将已了解的信息都传递出去。利用这种传递方式，每辆车都可以得到周围所有车辆的信息。这样增加了单条链路的负担，但是却极大的减少了链路的数量，在无限信道空间资源有限而交通流量巨大的背景下，这种传播方式无疑使最适合的。而其余三种模式都涉及到车辆与基站的交互，所以采用组播或者广播的方式更为合适。

每辆车会根据自身车辆情况或者驾驶者设定选择自己能够支持的通信模式。如果该车辆支持所有的通信模式，则车辆会在特定场景执行相应的通信模式：当车辆在十字路口时，由于视线受阻，需要进行V2P模式通信，做出相应的行人避让行为。当这个交通流运行效率低下时，交通流中的车辆便会执行V2I通信模式，通过合理的资源调配和车辆分流来提升交通流的运行效率。当交通流中出现紧急车辆时，其余车辆便会执行V2A通信模式，为紧急车辆提供一条绿色通道。

在IPv6环境和未来车辆网的大背景下，本专利基于交通流异构信息的收集和处理，针对四种不同的应用场景设计了四种不同的通信模式，并且进行优先级的区分。在此基础上介绍异构信息的具体收集和处理方式，并且从传输层、网络层和数据链路层三个层面介绍这四种通信模式的实现方案与实现细节，从而建立了基于交通异构性的多IP通信模式。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。