本发明属于智能交通系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于WAVE协议的信息多跳转发方法。

随着4G的商用化开始、移动互联网的迅猛发展，以及每个城市面临的交通拥堵问题逐渐严重，智能交通系统(ITS，Intelligent Transport System)逐渐展现出其庞大的市场和发展前景。作为ITS领域中的热门技术之一，WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)协议是由美国交通部主导，由IEEE制定的一套适用于车辆移动自组织网络中的车间通信技术。WAVE协议遵循了OSI的分层设计，针对车辆的移动拓扑环境做出了优化，引入了多信道切换操作，在网络层使用了信道分配机制和服务广播及订阅机制，并且设计了一种WSMP(WAVE Short Message Protocol)协议来实现低延迟的信息传输。

车联网主要依赖两方面的通信技术：短距离无线通信和远距离的移动通信技术，前者主要是RFID传感设备及类似WIFI等2.4G通信技术，后者主要是GPRS、3G、LTE、4G等移动通信技术。专用短程通信技术DSRC是美国联邦通信委员会FCC分配5.9GHz频率用作智能交通系统ITS通信的技术。为满足车载网络通信需求，IEEE制定了由IEEE802.11的IEEE802.11p补充标准和IEEE1609标准簇共同组成的WAVE协议栈。

图1是WAVE协议栈结构图。如图1所示，WAVE的MAC层和PHY层基于IEEE802.11p补充协议。IEEE802.11p是对IEEE802.11标准于车载环境下的增强补充，在DSRC的5.9GHz频段上提供高速移动OBU之间、OBU同RSU之间数据交换的能力。参照OSI标准模型，IEEE1609.x位于IEEE802.11p之上，涵盖数据链路层、网络层、传输层、应用层和车载网络节点管理和通信安全而制定的。

如图1所示，WAVE1609协议在数据平面提供了IPv6协议和WSMP协议，因此可以选择两种方式来传输数据。其中，IPv6是IETF设计的用于替代现行版本IP协议——IPv4的下一代IP协议，完全遵循IETF RFC2460标准的。WSMP协议是针对车辆环境设计的一种高效低延迟点对点通信方式，适用于车辆之间以及车辆到路边节点之间的通信。

在WAVE1609协议中，IPv6的使用需要注意以下两点：

1)IPv6的IP参数，如IPv6地址、掩码、网关、DNS等信息，是通过系统管理员，或者由WME(WAVE Management Entity，WAVE管理实体)根据WSA(WAVE Service Advertiseme，WAVE服务公告)中的信息来配置的，而且可能根据应用场合而频繁变化；

2)在使用IPv6之前，必须先向WME进行服务请求，并分配到SCH(业务信道)后，才能开始用IPv6进行数据传输。

由于IPv6的IP参数是由系统管理员配置或者由WME根据WSA中信息来配置，不支持路由功能，所以报文只能是单跳可达的。

WSMP协议的特点在于，报文的底层物理参数(如MAC地址、发送速率、信道)，是由上层应用直接控制。WSMP是一种点对点的通信协议，不支持多跳转发，报文的目的MAC必须是当前通信范围内单跳可达的。

综上所述，由于WSMP协议本身的局限性以及IPv6协议参数的配置策略，导致WAVE设备不具备多跳转发的能力，只支持单跳报文发送。这样WAVE设备的通信范围就受到了限制。在实际的车联网中，很多应用用户期望能够多跳转发，取得更大的通信范围。表1是车联网应用需求分析表。

表1

根据表1可知，部分应用，例如安全信息应用，应该让附近周围的车辆节点都能及时知道，这样可以减少交通意外的发生。单跳的通信范围有限，不能让更多的车辆收到安全信息。多跳可以扩大车辆的通信范围，让更远处的车辆也能收到安全信息。在单播的应用中，有些应用期望能够多跳转发至更远处的节点。例如V-V交互(车辆交互通信)是WAVE应用中比较常用的一类应用，但是车辆可能不在对方车辆的通信范围内。因此如果仅是单跳通信的话，那么该通信将失败。如果有多跳的支持话，那么车辆在比较大的通信范围内也可以实现正常通信。

WAVE1609协议中定义一个控制信道CCH和六个服务信道SCH。标准中指出，WAVE设备的默认操作，是CCH和SCH交替切换。以100ms为一个周期，其中先接入CCH50ms，然后再接入SCH50ms，如此循环。其中CCH上主要用于传输管理信息，其中包括最主要的WSA(WAVE Service Advertiseme)帧，WSA帧封装在VSA(Vendor Specific Action)帧中发送，而SCH上主要传输服务信息。选用哪个SCH对于服务提供者而言，是自己决定；而对于服务使用者而言，则是通过WSA来获取。而在该协议中IPv6的数据只能在SCH信道上传输，WSMP的数据则能在CCH和SCH信道上传输。虽然六个SCH信道可以同时传输数据，做到频谱资源最大化利用，但是CCH信道却只有一个。CCH将主要用于传输控制和管理相关的信息，服务数据将在SCH信道上传输。所有信道都共享无线介质，而且报文都是无方向扩散。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于WAVE协议的信息多跳转发方法，通过在WSA报文中加入转发控制字段，实现信息多跳转发，解决现有WAVE1609协议不支持多跳转发的问题。

为实现上述发明目的，本发明基于WAVE协议的信息多跳转发方法包括以下步骤：

S1：当源节点需要发送信息，构建转发控制字段，如果信息属于多跳业务，则根据信息所属服务类型和需求，在转发控制字段中设置转发标识和跳数限制，转发标识为强制转发或可选转发，跳数限制为最大跳数，如果信息属于单跳业务，则将转发控制字段填充为单跳业务标识；源节点将转发控制字段加入WSA报文，将WSA封装到VSA中，添加源地址和目的地址，并在CCH信道时隙将WSA报文在CCH信道上通告，准备发送信息报文；

S2：车载网中其他节点在CCH信道上接收源节点发送的WSA报文并解析，如果是单跳业务，按照单跳处理流程进行处理；如果是多跳业务，分为两种情况：

如果是单播业务，判断自己是否是该报文的目的节点，如果是，接收并使用报文；如果不是，判断节点是否进行转发，如果需要转发，接收并转发信息报文，否则不作任何操作；

如果是广播业务，则判断是否需要该服务，如果需要，节点判断是否进行转发，如果需要转发，则接收并使用信息报文，并且转发信息报文，如果不需要转发，则仅接收并使用信息报文；如果不需要该服务，判断节点是否进行转发，如果需要转发，接收并转发信息报文，否则不作任何操作；

判断是否需要转发的方法为：首先判断转发标识，如果转发标识为强制转发，则判定为需要转发；如果转发标识为可选转发，则计算当前节点可用网络资源，如果可用网络资源大于预设的可转发门限，则判定为需要转发，否则判定为不需要转发；

S3：在SCH信道时隙，源节点和步骤S2中判定需要接收信息报文的节点均切换至WSA报文指定的SCH信道，源节点发送信息报文，需要接收信息报文的节点接收信息报文；

S4：节点接收到信息报文后，如果只需要使用信息报文，则提供给应用使用，如果还需要转发信息报文，先判断该信息报文是否为重复报文，如果是，丢弃报文，不进行转发；否则将步骤S2解析得到的跳数限制减1作为新的跳数限制，如果当前跳数限制大于0，本节点作为新的源节点，根据CCH时隙接收到的WSA报文中的原转发标识和新的跳数限制构建转发控制字段，重新构建WSA报文，对信息报文进行发送，否则丢弃报文，不进行转发。

本发明基于WAVE协议的信息多跳转发方法，如果信息属于多跳业务，则源节点根据信息的服务类型的需求，在转发控制字段中设置转发标识和跳数限制，如果属于单跳业务，则将转发控制字段填充为单跳业务标识，源节点将转发控制字段加入WSA报文并在CCH时隙进行通告，其他节点接收到WSA报文并解析，根据转发控制字段判断本节点对该信息报文的处理方式，包括是否接收、是否使用以及是否转发；在SCH时隙，源节点发送信息报文，需要接收信息报文的节点接收信息报文，如果节点需要转发信息报文，则重新构建转发控制字段以及WSA报文，然后作为信息报文的源节点，对该信息报文进行转发。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过在WSA报文中设置转发控制字段，从而在WAVE协议中实现信息多跳转发；

(2)本发明提出的信息多跳转发方法可以与其他标准WAVE设备保持良好的兼容；

(3)本发明提出的信息多跳转发的方法，扩展了WAVE应用的使用范围。

图1是WAVE协议栈结构图；

图2是源节点的报文处理流程示意图；

图3是WSA报文结构示意图；

图4是转发节点和目的节点的WSA报文处理流程示意图；

图5是图4中转发判断处理流程示意图；

图6是图4中信息报文转发处理流程示意图；

图7是实施例1的应用场景；

图8是实施例1中车辆V1、V2和V3的工作流程图；

图9是实施例2的应用场景；

图10是实施例2中各车辆的工作流程图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本发明基于WAVE协议的信息多跳转发方法，主要利用了WSA报文，在WSA报文中增加了转发控制字段，各节点通过解析接收到的WSA报文中的转发控制字段，来实现多跳转发。在多跳转发中，可以将车载网中的节点划分为源节点、中间节点和目的节点。

图2是源节点的报文处理流程示意图。如图2所示，源节点的报文流程为：

S201：构建转发控制字段：

当源节点需要发送信息，首先构建转发控制字段。转发控制字段，也称FCC(Forward Control Character)，用于描述节点是否应该转发。转发控制字段包括转发标识和跳数限制。当源节点需要发送信息就需要构建转发控制字段，如果信息属于多跳业务，就在转发控制字段中设置转发标识和跳数限制，如果属于单跳业务，则将转发控制字段填充为单跳业务标识。表2是转发控制字段示例。

表2

如表2所示，本实施方式中，转发控制字段的长度为8bit，其中第1、2位为转发标识(FF0,FF1)，转发标识用于标识是否需要多跳转发，采用01表示为强制转发；10表示可选转发。第3至6位为跳数限制(FHL0～FHL3)，采用0001～1110表示报文跳数可选值，即最小跳数为1，最大跳数为14。表3是跳数限制对应表。第7～8位共2bit是保留位，填入00或11。其他单跳情况下，转发控制字段填充为0x00或0xFF。

转发跳数 对应二进制信息 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 1010 11 1011 12 1100 13 1101 14 1110

表3

跳数限制可以根据实际需要进行设置，但是由于车载网络的限制，跳数限制即便设置得很大也无法达到满意的远距离通信效果，因此一般情况下跳数限制的最大值设置为14。

S202：构建WSA报文：

转发控制字段构建好后，将转发控制字段加入WSA报文。图3是WSA报文结构示意图。如图3所示，WSA报文中包含服务信息、信道信息、WAVE路由广播等，本实施方式的各实施例中，转发控制字段是放置在WSA报文的服务信息扩展域中的。

S203：通告WSA报文：

源节点将WSA封装到VSA中，添加源地址和目的地址，并在CCH信道时隙将WSA报文在CCH信道上通告，构建待发送的信息报文，准备发送。当业务为广播时，目的地址为广播地址；当业务为单播时，目的地址为目的节点地址。

S204：发送信息报文：

在SCH信道时隙，源节点切换至WSA报文中指定的SCH信道，发送信息报文。源节点根据上层指定的参数将步骤S203中构建好的信息报文通过WAVE数据平面的WSMP协议或者IPv6协议将报文发送出去。

转发节点与目的节点的报文处理流程基本一致，故将其处理流程合并说明。图4是转发节点和目的节点的WSA报文处理流程示意图。如图4所示，在WSA报文处理阶段，转发节点和目的节点的WSA报文处理流程包括以下步骤：

S401：接收并解析WSA报文：

在CCH信道时隙，车载网中其他节点在CCH信道上接收源节点发送的WSA报文并解析，得到转发控制字段、SCH信道等信息。

S402：根据步骤S401解析得到的转发控制字段判断信息类型是否为多跳业务，如果是多跳业务，进入步骤S404，否则进入步骤S403。

S403：按照单跳处理流程进行处理，即按照现有WAVE协议中的处理流程进行处理。

S404：判断是否为广播报文，如果是，进入步骤S407，否则进入步骤S405。

S405：根据目的地址判断自己是否是报文的目的节点，如果是，说明报文已经到达终点，进入步骤S406，否则说明还需要进行转发，进入步骤S411。

S406：接收并使用信息报文。根据步骤S402、S404、S405的判断可知，进入本步骤的是多跳单播业务，并且本节点是报文的目的节点。对于目的节点，应该接收信息报文，并按照WAVE协议中的报文处理流程进行处理，即向应用发送服务可用通告，等待应用调用信息报文并处理，上层应用接收到服务可用通告后，会根据需要调用信息报文，其具体过程与现有技术一致，在此不再赘述。信息报文的发送与接收在SCH时隙进行，即进入SCH时隙后，需要接收信息报文的节点切换至WSA报文指定的SCH信道，接收源节点发送的信息报文。

S407：判断本节点是否需要该服务，即该信息是否是某个上层应用需要的信息，如果是，进入步骤S408，否则进入步骤S411。

S408：判断节点是否进行转发，如果是，进入步骤S409，否则进入步骤S410。

图5是图4中转发判断流程示意图。如图5所示，转发判断包括以下步骤：

S501：根据步骤S401解析得到的转发控制字段，判断是否是强制转发，如果是，说明节点必须将该报文接收并转发，进入步骤S504，否则进入步骤S502。

S502：计算当前节点的可用网络资源ANR(Available Network Resource)。通常可用网络资源ANR应该综合评定当前节点的各种网络资源，包括信道资源利用率、当前节点忙闲程度、节点的储存空间、该节点发送服务成功的概率等诸多影响网络性能的因素，具体特征参数可以根据需要进行选择。在实际应用中，可用网络资源ANR的具体值的计算方法可以根据需要进行设置，例如可以根据选择的各特征参数值加权平均。

S503：判断ANR是否大于预设的可转发门限，可转发门限是当前节点可以转发报文的门限值，如果大于，说明节点可以提供资源进行报文转发，进入步骤S504，否则进入步骤S505。

S504：判定结果为需要转发。

S505：判定结果为不需要转发。

S409：接收并使用信息报文，转发信息报文。

当报文是本节点某上层应用所需要的服务的时候，不管是否转发，都要接收并使用信息报文。

S410：接收并使用信息报文，不转发信息报文。

S411：判断节点是否进行转发，如果是，进入步骤S412，否则进入步骤S413。

S412：接收信息报文并转发。

S413：不作任何操作，即不针对该报文进行任何后续操作，继续原来的工作。

虽然步骤S408和步骤S411都是判断是否进行转发，但是根据节点是否需要该服务，而有两套不同的处理流程，主要区别在于是否使用该信息报文。

图6是图4中信息报文转发处理流程示意图。如图6所示，信息报文转发的处理流程包括以下步骤：

S601：判断是否为重复报文，即是否接收过相同的信息报文，如果是，进入步骤S604，否则进入步骤S602。

S602：跳数限制减1，作为新的跳数限制，即节点将之前在CCH时隙接收到的WSA报文中转发控制字段中的跳数限制减1。

S603：判断当前的跳数限制是否大于0，如果不是，进入步骤S5604，否则进入步骤S605。

S604：丢弃报文。

S605：构建新的转发控制字段：根据步骤S602得到的新的跳数限制和之前接收的WSA中的转发标识来构建新的转发控制字段。

S606：构建新WSA报文并通告：根据步骤S605得到的转发控制字段，构建本节点转发信息报文的WSA报文，并作为源节点在CCH时隙时在CCH信道上通告该WSA报文。

S607：发送信息报文：在SCH时隙时，节点切换至WSA报文指定的SCH信道，发送信息报文。

当WAVE设备使用某种应用服务时，基于应用的类别选择不同的处理流程。对于单跳应用，参考标准WAVE设备之间通信流程。为了更好地说明本发明的工作过程，列举三个不同的应用在不同的需求下的运行实例来进行说明。

实施例1

本实施例的应用为路况安全信息应用。图7是实施例1的应用场景。如图7所示，其应用场景中共有6辆车，其中V1发现有交通事故发生需要将该信息向其他车辆传递，采用多跳强制转发来达到快速、高效、及时的将信息传递。下面仅以车辆V1、V2和V3来描述本实施例中信息发送的工作流程。

图8是实施例1中车辆V1、V2和V3的工作流程图。如图8所示，实施例1中车辆V1、V2和V3的工作流程如下：

1)0～50ms：CCH工作时隙

车辆V1作为该路况安全信息的源节点，为了达到本实施例中信息的传递需求，设置WSA中的FCC＝0x78，即FCC＝(01111000)2，表示车辆V1发出的信息报文属于强制转发，转发的跳数限制为14。构建该信息的WSA报文，设置SCH信道为SCH1，目标节点地址为广播地址，并作为源节点在CCH上通告该WSA报文。车辆V1封装路况安全信息报文，准备发送。

由于车辆V2在车辆V1的一跳范围内，车辆V2在CCH时隙侦听到车辆V1发出的WSA报文，解析可得到该信息属于强制转发类型，信息发送信道为SCH1。判断可知车辆V2需要该服务，因此车辆V2的操作为接收并使用信息报文，转发信息报文。

2)50～100ms：SCH工作时隙

车辆V1和车辆V2均切换至SCH1来发送和接收信息报文。

车辆V1将封装好的信息报文通过WAVE数据平面的WSMP协议或者IPv6协议发送出去。

车辆V2收到信息报文后提供给应用使用，并进行转发，由于此时跳数限制减1后为13，大于0，因此此时车辆V2根据在上一个CCH时隙中收到的车辆V1的WSA报文重新构建新的WSA报文，包括复制转发标识和重设跳数限制，并在WSA中设置自己在下一个SCH中要工作的SCH信道，本实施例中车辆V2设置SCH工作信道为SCH2。

3)100～150ms：CCH工作时隙

车辆V2此时作为该路况安全信息的源节点在本CCH时隙在CCH信道上发送上一步骤中构建的WSA报文。

一跳范围内的车辆V3侦听到车辆V2在CCH信道发送的WSA，和之前的车辆V2一样，解析可得到该信息属于强制转发类型，信息发送信道为SCH2。判断可知车辆V3需要该服务，因此车辆V3的操作同样为接收并使用信息报文，转发信息报文。

4)150～200ms：SCH工作时隙

车辆V2和车辆V3均切换至SCH2来发送和接收信息报文。

车辆V2将封装好的信息报文通过WAVE数据平面的WSMP协议或者IPv6协议发送出去。

车辆V3收到信息报文后提供给应用使用，并进行转发，由于此时跳数限制减1后为12，大于0，因此此时车辆V3根据在上一个CCH时隙中收到的车辆V2的WSA报文重新构建新的WSA报文，包括复制转发标识和重设跳数限制，并在WSA中设置自己在下一个SCH中要工作的SCH信道。

以此类推，不断重复在时隙中的接收和转发过程，进到跳数限制为0，从而达到将路况安全信息扩散出去的效果。而其他在车辆V1一跳范围的车辆，例如车辆V5，其工作过程与车辆V2相同，由于每个车辆在进行转发的时候都是采用的广播方式，因此每个车辆在接收到该信息报文后都需要判断是否接收到该报文，如果曾经接收到过则不作处理，以免浪费网络资源。

实施例2

本实施例的应用为Internet接入服务。通过对Internet接入服务的需求进行分析，可以知道该服务需要多跳，但是并不一定需要节点对其报文进行强制转发，可选转发即可满足该服务需求。图9是实施例2的应用场景。如图9所示，本实施例中，车辆V6需要Internet接入服务，路侧单元RSU将其需要的Internet服务通过车辆V1接入WAVE网络，各个节点通过计算自己当前的可用网络资源ANR并与自己的可转发门限比较，选择性进行转发。

表4是实施例2中各车辆的通信范围。为了便于描述，假定各车辆在本实施例信息传输过程中位置相对静止。

车辆编号 通信范围 V1 V2，V4 V2 V3，V5，V6 V3 V2，V6 V4 V5 V5 V4，V2，V6 V6 V2，V3，V5

表4

图10是实施例2中各车辆的工作流程图。如图10所示，实施例2中各车辆的工作流程如下：

1)0～50ms：CCH工作时隙

车辆V1作为该报文在WAVE网络中的源节点，根据报文的传递需求，设置WSA中的FCC＝0xA8，即FCC＝(10101000)2，表示车辆V1发出的信息报文属于可选转发，转发跳数限制为10。构建该信息的WSA报文，设置SCH信道为SCH1，目标节点地址为目的地址，即车辆V6的地址，并作为源节点在CCH上通告该WSA报文。

车辆V2和车辆V4在CCH时隙侦听到车辆V1发出的WSA报文，解析可得到该信息属于可选转发类型，信息发送信道为SCH1。车辆V2和车辆V4判断可知自己不是目的节点，判断是否转发。车辆V2和V4分别计算各自节点可用网络资源ANR，并将ANR和各自节点可转发门限比较，二者的ANR均大于可转发门限，因此车辆V2和V4都加入转发。综上可知，车辆V2和V4只接收信息报文并转发，不使用信息报文。

2)50～100ms：SCH工作时隙

车辆V1和V2、V4均切换至SCH1来发送和接收信息报文。

车辆V1将封装好的信息报文通过WAVE数据平面的WSMP协议或者IPV6协议发送出去。

车辆V2收到信息报文后，由于此时跳数限制减1后为9，大于0，因此此时车辆V2根据在上一个CCH时隙中收到的车辆V1的WSA报文重新构建新的WSA报文，包括复制转发标识和重设跳数限制，并在WSA报文中设置自己在下一个SCH中要工作的SCH信道，本实施例中车辆V2设置SCH工作信道为SCH2。

车辆V4收到报文后，由于此时跳数限制减1后为9，大于0，因此此时车辆V2根据在上一个CCH时隙中收到的车辆V1的WSA报文重新构建新的WSA报文，包括复制转发标识和重设跳数限制，并在WSA报文中设置自己在下一个SCH中要工作的SCH信道，本实施例中车辆V4设置SCH工作信道为SCH4。

3)100～150ms：CCH工作时隙

车辆V2和车辆V4此时分别作为源节点在CCH时隙时在CCH信道上发送上一步骤中构建的WSA。

车辆V3侦听到车辆V2在CCH信道发送的WSA报文，解析得到该信息是可选转发类型。车辆V3判断可知自己不是目的节点，判断是否转发。计算本节点ANR，将ANR和本节点可转发门限比较，ANR小于等于可转发门限，因此不转发该报文。

车辆V5侦听到车辆V4在CCH信道发送的WSA报文，解析得到该信息是可选转发类型。车辆V5判断可知自己不是目的节点，判断是否转发。计算本节点ANR，将ANR和本节点可转发门限比较，ANR小于等于可转发门限，因此不转发该报文。

车辆V6侦听到车辆V2在CCH信道发送的WSA报文，解析得到其目的节点地址为自身地址，因此接收并使用信息报文。

4)150～200ms：SCH工作时隙

车辆V2和车辆V6均切换至SCH2来发送和接收信息报文。车辆V4切换至SCH4信道来发送信息报文。

车辆V2将封装好的信息报文通过WA车辆VE数据平面的WSMP协议或者IPV6协议在SCH2信道发送出去。

车辆V4将封装好的信息报文通过WA车辆VE数据平面的WSMP协议或者IPV6协议在SCH4信道发送出去。

车辆V6收到车辆V2的信息报文后，解析信息报文，给相应应用发送服务可用通告，不再转发该报文。

其他车辆继续工作在自己原计划工作的信道。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。