一种V2X车联网OBU消息过滤方法与透传系统

一种v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统
技术领域
1.本发明属于车联网领域，涉及一种v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统。


背景技术：

2.在v2x车联网领域，广播是分发时延-苛刻消息的最简单、快速的机制。但是无限制的消息广播机制会导致网络中消息副本过多，容易形成风暴，导致网络拥塞，降低了网络吞吐量及消息传输成功率。因此需要制定广播协议，在保证消息覆盖范围的同时，降低网络中消息副本数量。对事故消息等时延-苛刻的消息，为保证紧急消息实时传输，需要消息扩散速度快，因此设置其优先级高于普通车辆状态消息。
3.目前提出的车联网消息转发协议大都基于ad hoc网络中点对点的通信模式，即源节点在消息产生时就拥有明确的目标节点，在之后的转发过程中，也是以是否能可靠高效的将消息转发给目标节点作为其转发依据。在实际的由v2x等无线通信方式构成的车联网络中，网络中的节点无法获知整个网络所有节点的信息，即在安全消息产生之初，无法在源节点获得明确的目标节点信息。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统，包括v2x消息过滤子系统、本车处理子系统和v2x消息转发子系统；
7.所述v2x消息过滤子系统包括消息管理模块和预处理模块，其中：
8.所述消息管理模块用于对obu消息进行管理，对来自不同消息来源的同一交通对象的消息，obu通过本车的消息列表判断为新的交通事件才进行转发；
9.所述预处理模块用于去除车联网的广播中无效消息和规定消息的传播范围，使用消息的时空有效性和消息关联道路信息过滤无关的候选转发车辆；
10.所述v2x消息转发子系统包括转发优先权重计算模块、转发节点选择模块、基本消息交互模块；
11.所述转发权重计算模块用于选择车辆通信范围内的最远车辆节点，计算出转发权重后，优先选择权重最大的车辆节点转发消息；
12.所述转发节点选择模块：车辆周围非最高权重车辆使用转发计时器监听最高权重车辆的下一步转发；在计时器结束之前没有接收到下一跳消息则该车辆也作为转发节点，否则不进行转发；
13.所述基本消息交互模块用于使车辆间进行基本信息交互，所述基本消息为用于维护和更新车辆周围在通信距离之内的车辆信息，包括发送本车基本消息和接收其他车辆消息，车辆接收其他车辆的消息时，将其他车辆的信息写入候选车辆列表。
14.进一步，所述消息管理模块使用消息列表存储消息对应的交通事件；通过消息头
标识交通事件保证车辆能识别同一交通对象对应的交通事件；对于需要转发的消息，通过复合对象类型、对象id、对象位置和消息类型共同标识一种事件，将其作为消息头，构成唯一的对象id；其中复合对象类型第一级分为静止对象与运动对象，第二级分为包括车辆、行人、危险道路的具体对象类型；车辆首先对消息类型和消息对象进行判断，每个事件绑定转发消息对应的对象，对消息列表中已有的对象消息实现更新消息有效性部分。
15.进一步，所述消息存储列表提供消息优先级处理；将安全类消息分类为基本安全转发消息和危险状况消息，其中危险状况消息优先级高于基本安全转发消息；运动对象优先级高于静止对象；与当前车辆距离小的消息对象优先级高；高优先级消息对应的交通事件存储在低优先级消息对应的交通事件之前，优先处理高优先级消息。
16.进一步，所述预处理模块通过消息的时空有效性部分内容限制消息是否转发以及在车辆的消息列表中是否继续存在；其中针对消息转发时的源车辆和转发车辆转发决策步骤如下：
17.源车辆：接收来自某一对象的消息，obu根据对象的基本信息将消息组装为一个消息帧；基于周围候选车辆列表和消息自身的时空有效性限制，计算转发权重并选择转发节点；
18.转发车辆：车辆接收到需要转发的消息后，将消息头部与消息列表匹配；根据消息时间属性和时间有效值，判断消息是否过期，过期则删除消息事件并返回；否则进行消息空间有效性判断，包括有效距离、消息流向、消息关联路段进行判断，删除不符合转发要求的车辆节点后进行选择转发节点进行转发。
19.进一步，所述转发权重计算模块选择基于距离的转发概率进行转发，距离概率计算公式为：
20.pi＝(l
ij
/r)n21.di表示节点i位置，pi表示节点i转发概率；l
ij
表示从接收节点i到上一跳的发送节点j之间的距离；r表示节点的平均传输距离；n表示幂参数；
22.对于相同道路车辆，消息流向与车辆航向角同向，λ＝1；逆向，λ＝0.5；对于不在此道路车辆，由车辆j位置dj与di判断车辆是否靠近消息对象；假设t1时刻两者距离为s1，t2时刻两者距离为s2，计算出该车辆j靠近车辆i的速度对应的λ值为：
[0023][0024]
最后的概率计算公式为pi＝λ(l
ij
/r)n。
[0025]
进一步，所述转发节点选择模块使用转发权重和转发计时器设定进行转发节点选择；计算出所有候选节点的转发权重后设置计时器，权重高的节点优先转发，在计时器结束之前未收到其他候选车辆节点的转发消息，将该消息进行转发，否则只进行存储更新不进行转发；转发计时器设定方法为：
[0026][0027]
其中d是一跳的传输范围，d是发送者和接收者之间的距离，maxdelay是最大的转发延迟，pi为候选车辆i的转发权重。
[0028]
进一步，消息转发过程中源车辆的转发决策步骤如下：
[0029]
a1：接收来自某一对象的消息，根据对象的类型、经纬度位置信息判断消息是否已经在消息列表中存在，存在则不进行消息处理，否则进入步骤a2；
[0030]
a2：车辆根据对象的信息将消息组装为一个消息帧，由对象运动状态、对象类型信息计算出消息优先级，按照优先级大小降序的方式将消息存入消息列表；
[0031]
a3：基于消息自身的时空有效性限制，判断消息是否转发；
[0032]
a4：消息转发子系统维护周围候选转发车辆，收到需转发的消息之后，计算当前时刻候选转发车辆节点的转发权重；
[0033]
a5：将需转发消息和计算出的转发权重广播给下一跳车辆并指定转发权重最大的车辆转发，同时其他候选车辆设定转发计时器；
[0034]
a6：在候选车辆转发计时器结束之后，未收到第二跳广播消息，该候选车辆立即进行转发。
[0035]
进一步，消息转发过程中转发车辆的转发决策步骤如下：
[0036]
b1：车辆接收到需要转发的消息后，将消息头部与消息列表匹配；
[0037]
b2：根据消息时间属性和时间有效值，判断消息是否过期，过期则删除消息事件并返回；
[0038]
b3：进行消息空间有效性判断，包括有效距离、消息流向、消息关联路段进行判断，删除不符合转发要求的车辆节点后选择转发节点进行转发；
[0039]
b4：消息转发子系统维护周围候选转发车辆，收到需转发的消息之后，计算当前时刻候选转发车辆节点的转发权重；
[0040]
b5：将需转发消息和计算出的转发权重广播给下一跳车辆并指定转发权重最大的车辆转发，同时其他候选车辆设定转发计时器；
[0041]
b6：在候选车辆转发计时器结束之后，未收到第二跳广播消息，该候选车辆立即进行转发。
[0042]
本发明的优点及有益效果如下：
[0043]
本发明提出的机制针对车载终端对于来自车身传感器感知信息及其他v2x通信设备的v2x消息作为v2x本车消息和v2x转发消息进行v2x消息的过滤与转发；该系统基于基本消息交互模块构建周围候选车辆列表，过滤掉该表中与该消息转发过程关联性低于阈值的车辆。v2x消息过滤子系统维护一个消息列表，转发车辆根据消息头，更新已有的消息、转发新增加的消息、删除过期消息。计算出候选车辆的转发权重之后，当前车辆选择权重最高的周围候选车辆进行转发，并对其他候选车辆依据转发权重设置转发计时器监听转发。在计时器结束之后没有收到转发消息，该车辆也进行转发，保证消息转发的可靠性。
[0044]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0046]
图1是本发明的v2x消息过滤与透传方法与机制架构图
[0047]
图2是转发消息的消息内容帧格式定义；
[0048]
图3是消息列表的内部架构图；
[0049]
图4是透传机制中的消息交互过程框图。
具体实施方式
[0050]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0051]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0052]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0053]
一种v2x车联网obu消息过滤方法与透传机制，该机制包括v2x消息过滤子系统、本车消息处理子系统和v2x消息转发子系统；
[0054]
如图1所示，v2x消息过滤系统包括：消息管理模块和预处理模块；v2x消息转发子系统包括转发优先权重计算模块、转发节点选择模块和基本消息交互模块。基本消息交互模块：广播基本消息，接收其他车辆的基本消息，将其他车辆的信息写入候选车辆列表。创建和维护周围候选车辆列表时，该机制中使用国标消息中的bsm(basic safe message)作为基本消息，保证车辆之间的安全信息共享。同时获取交通对象的方式还可以是周围路侧设备如rsu(road side unit)、mec(muti-access edge computing)等感知到的交通对象和车辆自身感知到的交通对象。基本消息的内容包括：交通对象的类型、经纬度、速度、航向角、所在路段等内容。
[0055]
在本发明中，消息分为v2x转发消息和v2x本车消息，转发消息为从其他车辆广播的v2x本车消息中获取内容得到的需要传输到其他车辆的消息，基本消息进行周期性广播用于更新候选车辆列表。
[0056]
如图2所示，图中描述了消息的帧结构，其中转发车辆通过复合对象类型、对象id、对象位置和消息类型共同标识一种消息，将其作为消息头部。其中复合对象类型第一级分为静止对象与运动对象，第二级分为车辆、行人、危险道路等具体对象类型。对象id在整个系统中是唯一的。除了消息头部分外，内容中还包括时间戳、有效时间、有效范围、所在路段
等与消息有效性相关的内容，是作为消息能否继续转发的重要依据。最后，消息内容中还包括消息转发时的控制字段，包括转发权重表、广播跳数和消息源车辆id等信息。由此，图2中的消息结构可以清楚的描述该智能网联车辆系统中的消息，包括通过消息头唯一表示车联网消息、其余内容判断消息的有效性与消息的广播控制。
[0057]
如图1和图3所示，消息管理模块：为了将获取到的消息进行路由转发，车辆首先对消息类型和消息对象进行判断和消息头内容填充。为避免车联网中转发消息数量过多，将对象消息作为存储到消息列表。每个交通事件绑定转发消息对应的对象，如故障车辆、行人、道路危险状况等，由于v2x消息如故障消息、基本安全消息都是周期性发送消息，为了避免对同一对象的消息无限制转发造成的消息风暴和吞吐量问题，在转发过程中车辆只对消息列表中的不存在的对象消息进行转发，对消息列表中已有的对象消息实现更新消息有效性部分。并且，消息存储列表可提供消息优先级处理。将安全类消息分类为基本安全转发消息和危险状况消息。危险状况消息优先级高于基本安全转发消息，运动对象优先级高于静止对象，距离近的消息对象优先级高于距离远的消息。对应的消息按照优先级顺序将消息降序放置在消息列表中，优先处理高优先级消息。
[0058]
如图4所示，车辆接收的消息来自其他车辆、周围的rsu，并且针对所指向的对象或消息类型，消息种类不同会具有不同的属性。图中obux体现的是与主obu进行基本消息交互，obun体现的是接收主obu的消息。obu中的基本消息生成模块负责生成本车的基本消息并将其广播到其他装载有obu的车辆，event列表接收到event消息后对列表进行更新，并根据转发要求将对应消息通过转发子系统发送到obun。为了将获取到的消息进行中继转发，车辆首先对消息类型和消息对象进行判断。对于需要转发的消息，车辆会把消息统一成一种或几种规定的转发格式。
[0059]
最后，如图1所示将消息过滤子系统的结果：需转发的消息输入消息转发子系统，将基本消息交互模块维护的候选车辆列表输入转发权重计算模块，选择基于距离计算的转发概率方式进行转发，di表示节点i位置，pi表示节点i转发概率；l
ij
表示从接收节点i到上一跳的发送节点j之间的距离；r表示节点的平均传输距离；n表示幂参数。对于相同道路车辆，消息流向与车辆航向角同向，λ＝1；逆向，λ＝0.5。对于不在此道路车辆，由车辆j位置dj与di判断车辆是否靠近消息对象。假如t1时刻两者距离为s1，t2时刻两者距离为s2，计算出该车辆j靠近车辆i的速度对应的λ值，最后的概率计算公式为pi＝λ(l
ij
/r)n。
[0060]
转发节点选择模块使用由转发权重计算模块计算出的各节点转发权重和转发计时器进行转发节点选择。转发计时器设定方法为：其中d是一跳的传输范围，d是发送者和接收者之间的距离，maxdelay是最大的转发延迟，在具体实施中设定为50毫秒，pi为候选车辆i的转发权重。权重高的节点优先转发，在计时器结束之前未收到其他候选车辆节点的转发消息，将该消息进行转发，否则只进行存储更新不进行转发。
[0061]
由上述的obu消息过滤方法与透传机制的各组成部分，对于消息转发过程中的源车辆节点和转发车辆节点提出转发决策步骤。
[0062]
(1)消息转发过程中源车辆的转发决策步骤如下：
[0063]
1)接收来自某一对象的消息，根据对象的类型、经纬度位置等信息判断消息是否
已经在消息列表中存在，存在则不进行消息处理，否则进入步骤2。
[0064]
2)车辆根据对象的信息将消息组装为一个消息帧，由对象运动状态、对象类型等信息计算出消息优先级，按照优先级大小降序的方式将消息存入消息列表。
[0065]
3)基于消息自身的时空有效性限制，判断消息是否转发。
[0066]
4)消息转发子系统维护周围候选转发车辆，收到需转发的消息之后，计算当前时刻候选转发车辆节点的转发权重。
[0067]
5)将需转发消息和计算出的转发权重广播给下一跳车辆并指定转发权重最大的车辆转发，同时其他候选车辆设定转发计时器。
[0068]
6)在候选车辆转发计时器结束之后，未收到第二跳广播消息，该候选车辆立即进行转发。
[0069]
(2)消息转发过程中转发车辆的转发决策步骤如下：
[0070]
1)车辆接收到需要转发的消息后，将消息头部与消息列表匹配。
[0071]
2)根据消息时间属性和时间有效值，判断消息是否过期，过期则删除消息事件并返回。
[0072]
3)进行消息空间有效性判断，包括有效距离、消息流向、消息关联路段进行判断，删除不符合转发要求的车辆节点后选择转发节点进行转发。
[0073]
4)之后转发步骤同源车辆的转发步骤的步骤4。
[0074]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统，其特征在于：包括v2x消息过滤子系统、本车处理子系统和v2x消息转发子系统；所述v2x消息过滤子系统包括消息管理模块和预处理模块，其中：所述消息管理模块用于对obu消息进行管理，对来自不同消息来源的同一交通对象的消息，obu通过本车的消息列表判断为新的交通事件才进行转发；所述预处理模块用于去除车联网的广播中无效消息和规定消息的传播范围，使用消息的时空有效性和消息关联道路信息过滤无关的候选转发车辆；所述v2x消息转发子系统包括转发优先权重计算模块、转发节点选择模块、基本消息交互模块；所述转发权重计算模块用于选择车辆通信范围内的最远车辆节点，计算出转发权重后，优先选择权重最大的车辆节点转发消息；所述转发节点选择模块：车辆周围非最高权重车辆使用转发计时器监听最高权重车辆的下一步转发；在计时器结束之前没有接收到下一跳消息则该车辆也作为转发节点，否则不进行转发；所述基本消息交互模块用于使车辆间进行基本信息交互，所述基本消息为用于维护和更新车辆周围在通信距离之内的车辆信息，包括发送本车基本消息和接收其他车辆消息，车辆接收其他车辆的消息时，将其他车辆的信息写入候选车辆列表。2.根据权利要求1所述的v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统，其特征在于：所述消息管理模块使用消息列表存储消息对应的交通事件；通过消息头标识交通事件保证车辆能识别同一交通对象对应的交通事件；对于需要转发的消息，通过复合对象类型、对象id、对象位置和消息类型共同标识一种事件，将其作为消息头，构成唯一的对象id；其中复合对象类型第一级分为静止对象与运动对象，第二级分为包括车辆、行人、危险道路的具体对象类型；车辆首先对消息类型和消息对象进行判断，每个事件绑定转发消息对应的对象，对消息列表中已有的对象消息实现更新消息有效性部分。3.根据权利要求1所述的v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统，其特征在于：所述消息存储列表提供消息优先级处理；将安全类消息分类为基本安全转发消息和危险状况消息，其中危险状况消息优先级高于基本安全转发消息；运动对象优先级高于静止对象；与当前车辆距离小的消息对象优先级高；高优先级消息对应的交通事件存储在低优先级消息对应的交通事件之前，优先处理高优先级消息。4.根据权利要求1所述的v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统，其特征在于：所述预处理模块通过消息的时空有效性部分内容限制消息是否转发以及在车辆的消息列表中是否继续存在；其中针对消息转发时的源车辆和转发车辆转发决策步骤如下：源车辆：接收来自某一对象的消息，obu根据对象的基本信息将消息组装为一个消息帧；基于周围候选车辆列表和消息自身的时空有效性限制，计算转发权重并选择转发节点；转发车辆：车辆接收到需要转发的消息后，将消息头部与消息列表匹配；根据消息时间属性和时间有效值，判断消息是否过期，过期则删除消息事件并返回；否则进行消息空间有效性判断，包括有效距离、消息流向、消息关联路段进行判断，删除不符合转发要求的车辆节点后进行选择转发节点进行转发。5.根据权利要求1所述的v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统，其特征在于：所述转
发权重计算模块选择基于距离的转发概率进行转发，距离概率计算公式为：p
i
＝(l
ij
/r)
n
d
i
表示节点i位置，p
i
表示节点i转发概率；l
ij
表示从接收节点i到上一跳的发送节点j之间的距离；r表示节点的平均传输距离；n表示幂参数；对于相同道路车辆，消息流向与车辆航向角同向，λ＝1；逆向，λ＝0.5；对于不在此道路车辆，由车辆j位置d
j
与d
i
判断车辆是否靠近消息对象；假设t1时刻两者距离为s1，t2时刻两者距离为s2，计算出该车辆j靠近车辆i的速度对应的λ值为：最后的概率计算公式为p
i
＝λ(l
ij
/r)
n
。6.根据权利要求1所述的v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统，其特征在于：所述转发节点选择模块使用转发权重和转发计时器设定进行转发节点选择；计算出所有候选节点的转发权重后设置计时器，权重高的节点优先转发，在计时器结束之前未收到其他候选车辆节点的转发消息，将该消息进行转发，否则只进行存储更新不进行转发；转发计时器设定方法为：其中d是一跳的传输范围，d是发送者和接收者之间的距离，maxdelay是最大的转发延迟，p
i
为候选车辆i的转发权重。7.根据权利要求1所述的v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统，其特征在于：消息转发过程中源车辆的转发决策步骤如下：a1：接收来自某一对象的消息，根据对象的类型、经纬度位置信息判断消息是否已经在消息列表中存在，存在则不进行消息处理，否则进入步骤a2；a2：车辆根据对象的信息将消息组装为一个消息帧，由对象运动状态、对象类型信息计算出消息优先级，按照优先级大小降序的方式将消息存入消息列表；a3：基于消息自身的时空有效性限制，判断消息是否转发；a4：消息转发子系统维护周围候选转发车辆，收到需转发的消息之后，计算当前时刻候选转发车辆节点的转发权重；a5：将需转发消息和计算出的转发权重广播给下一跳车辆并指定转发权重最大的车辆转发，同时其他候选车辆设定转发计时器；a6：在候选车辆转发计时器结束之后，未收到第二跳广播消息，该候选车辆立即进行转发。8.根据权利要求7所述的v2x车联网obu消息过滤方法与透传系统，其特征在于：消息转发过程中转发车辆的转发决策步骤如下：b1：车辆接收到需要转发的消息后，将消息头部与消息列表匹配；b2：根据消息时间属性和时间有效值，判断消息是否过期，过期则删除消息事件并返回；b3：进行消息空间有效性判断，包括有效距离、消息流向、消息关联路段进行判断，删除不符合转发要求的车辆节点后选择转发节点进行转发；
b4：消息转发子系统维护周围候选转发车辆，收到需转发的消息之后，计算当前时刻候选转发车辆节点的转发权重；b5：将需转发消息和计算出的转发权重广播给下一跳车辆并指定转发权重最大的车辆转发，同时其他候选车辆设定转发计时器；b6：在候选车辆转发计时器结束之后，未收到第二跳广播消息，该候选车辆立即进行转发。

技术总结
本发明涉及一种V2X车联网OBU消息过滤方法与透传机制，属于车联网领域，包括V2X消息过滤子系统和V2X消息转发子系统；V2X消息过滤处理子系统维护消息列表并过滤掉不需要继续转发消息，解决OBU端消息处理量与效率问题；V2X消息转发子系统主要是对输入的过滤后消息转发候选车辆列表中车辆计算转发权重，选择转发最优节点，解决V2X消息透传节点选择问题，提高覆盖范围。本发明能利用ITS中车辆的感知设备和V2X通信方式提高车辆感知范围并通过减少转发消息数量提高消息吞吐量和消息传输效率。本发明提高了OBU消息处理效率，提高车联网系统中的V2X消息的吞吐量和覆盖范围。中的V2X消息的吞吐量和覆盖范围。中的V2X消息的吞吐量和覆盖范围。


技术研发人员：蒋建春 何浩 曾素华 余浩 黄鑫元 林峰
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2022.12.16
技术公布日：2023/7/31