本發(fā)明涉及車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是車輛，相對(duì)于其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，車輛節(jié)點(diǎn)的一大特征就是移動(dòng)速度非常高，即使是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上車輛節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度。車輛節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)導(dǎo)致車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劇烈變化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化使得網(wǎng)絡(luò)路由信息的建立更為困難，而節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路也需要反復(fù)重新建立，這也讓車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型更加復(fù)雜。如果從微觀角度考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的抽象與建模會(huì)非常困難，簡單的模型無法反映車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而復(fù)雜的模型在數(shù)學(xué)上又難以求解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

由于車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)際是由大量的數(shù)據(jù)包不斷地從一個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)流向下一個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)完成的，該行為類似于流體的流動(dòng)。本發(fā)明把車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)抽象成車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流，并利用流體力學(xué)理論來研究車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)規(guī)律，推導(dǎo)出車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流模型。

本發(fā)明技術(shù)方案為：

一種表征車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征的基于流體力學(xué)的數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)模型方法，具體方法包括如下步驟：

步驟1.車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流與流體的相似性分析；

步驟2.數(shù)據(jù)流與流體的參數(shù)轉(zhuǎn)化；

步驟3.車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)模型的建立。

有益效果

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性，導(dǎo)致如果考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的抽象與建模會(huì)非常困難，而簡單模型無法反映車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)雜模型在數(shù)學(xué)上又難以求解等問題，本專利基于流體力學(xué)的思想，實(shí)現(xiàn)了能夠表征車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征的數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)模型方法，從而有助于更深入了解車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組織及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，為車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)容量的相關(guān)研究提供理論模型基礎(chǔ)，同時(shí)為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供更準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)模型保障。

附表說明

表1車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流與流體的特性比較

表2數(shù)據(jù)流與流體的參數(shù)比擬

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施過程如圖1所示，包括如下3個(gè)方面：

①車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流與流體的相似性分析

②數(shù)據(jù)流與流體的參數(shù)轉(zhuǎn)化

③車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)模型的建立

①

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流與流體的相似性分析

(1)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的定義

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流為車聯(lián)網(wǎng)中已經(jīng)被源節(jié)點(diǎn)發(fā)出但還未被目的節(jié)點(diǎn)接收且存活時(shí)間大于零的數(shù)據(jù)包組成的集合。即

dataflow＝{packet|sendedbysource∧notreceivedbytarget∧timetolive>0}(1)

在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流中，數(shù)據(jù)包、車輛和信道是構(gòu)成車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的三個(gè)基本元素，其中，數(shù)據(jù)包是攜帶信息的載體，車輛可作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)或接收，信道則作為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)墓艿馈?/p>

(2)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流與流體的相似性分析

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流由大量的數(shù)據(jù)包組成，這些數(shù)據(jù)包的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有很大的隨機(jī)性，并且受到很多因素影響，但總體上沿著道路方向流動(dòng)。流體是由大量做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子組成，這些分子沒有固定的平衡位置，所以流體沒有固定的形狀并且具有流動(dòng)性。經(jīng)過分析可知，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流和流體具有很大的相似性，它們之間的具體比較如表1所示。

表1

②

數(shù)據(jù)流與流體的參數(shù)轉(zhuǎn)化

為了更好地利用流體力學(xué)的理論來理解和推導(dǎo)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)模型，把數(shù)據(jù)流的參數(shù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的流體力學(xué)參數(shù)，這也使得整個(gè)理論體系更加完整。參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2

③

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)模型的建立

車聯(lián)網(wǎng)具有節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大等特性，使得其是一種由大量自驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的混沌狀態(tài)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，很難像移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)那樣從微觀角度對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為進(jìn)行建模，從而得到理想的網(wǎng)絡(luò)模型并對(duì)其進(jìn)行有效的數(shù)學(xué)求解。以下本發(fā)明根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的連續(xù)性、數(shù)據(jù)傳輸過程、節(jié)點(diǎn)相互干擾效應(yīng)，推導(dǎo)出與車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)容量密切相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸率、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、傳輸速度等參數(shù)的關(guān)系方程，得到車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)模型，具體如下：

(1)數(shù)據(jù)流參數(shù)隨時(shí)間的變化率

根據(jù)數(shù)據(jù)流參數(shù)是否具有方向性，可以用矢量場(chǎng)和標(biāo)量場(chǎng)來對(duì)其進(jìn)行描述。因?yàn)閿?shù)據(jù)流的參數(shù)為位置與時(shí)間的函數(shù)，對(duì)某一參數(shù)r，可以表示為

r＝r(x,t)(2)

其中，x表示位置，t表示時(shí)間。

定理1車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流中的某點(diǎn)所具有的任一參數(shù)r隨時(shí)間的變化率為

證明：

將參數(shù)r對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可得其隨時(shí)間變化率。由于位置x也是隨時(shí)間t變化的，即

x＝x(t)(4)

根據(jù)復(fù)合函數(shù)的求導(dǎo)法則，可得

至此，證明完畢。

根據(jù)定理1可知，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流參數(shù)隨時(shí)間的變化率由和兩部分組成。其中，表示該參數(shù)在某一固定的位置上隨時(shí)間的變化率，稱其為當(dāng)?shù)貙?dǎo)數(shù)，表示因位置的變化而導(dǎo)致的參數(shù)變化率，稱其為遷移導(dǎo)數(shù)。

由定理1，可求得車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的加速度為

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流密度隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流流量隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為

定理2車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流任一參數(shù)總量隨時(shí)間的變化率為

其中，r表示車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流所具有的某個(gè)參數(shù)的總量，r表示數(shù)據(jù)流中每個(gè)數(shù)據(jù)包所具有的該參數(shù)的值，t表示時(shí)間，ρ表示數(shù)據(jù)流的密度，v表示數(shù)據(jù)流的速度，ds表示微元長度(一維流動(dòng))或微元面積(二維流動(dòng))，cv表示車聯(lián)網(wǎng)所處區(qū)域，cl表示車聯(lián)網(wǎng)邊界線。

證明：

對(duì)于參數(shù)r，在任意時(shí)刻t，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流所具有的該參數(shù)總量為

rt＝∫rtρtds(10)

其中，下標(biāo)t表示參數(shù)r在時(shí)刻t時(shí)的值。

由導(dǎo)數(shù)的定義，可以得出r對(duì)時(shí)間的全導(dǎo)數(shù)為

令時(shí)間t時(shí)和時(shí)間t+δt時(shí)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流所處區(qū)域的交集為b，時(shí)間t時(shí)系統(tǒng)所處區(qū)域和b的差集為a，時(shí)間t+δt時(shí)系統(tǒng)所處區(qū)域與b的差集為c，則式(11)可變?yōu)?/p>

在式(12)右邊加上再減去得

取區(qū)域cv，使其邊界和時(shí)間t時(shí)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流所處區(qū)域的邊界完全重合，則

式(14)表示了在區(qū)域cv中，參數(shù)r隨時(shí)間的變化率。

由于表示的是在δt時(shí)間內(nèi)流出區(qū)域cv的數(shù)據(jù)包數(shù)，則表示的是在δt時(shí)間內(nèi)流出區(qū)域cv的數(shù)據(jù)包集合所具有的參數(shù)r的總量，所以表示的是單位時(shí)間內(nèi)流出區(qū)域cv的該參數(shù)的值。取區(qū)域cv出流部分的控制線的微元為該微元上的流速為則

由于表示的是在δt時(shí)間內(nèi)流入?yún)^(qū)域cv的數(shù)據(jù)包數(shù)，則表示的是在δt時(shí)間內(nèi)流入?yún)^(qū)域cv的數(shù)據(jù)包集合所具有的參數(shù)r的總量，所以表示的是單位時(shí)間內(nèi)流入?yún)^(qū)域cv的該參數(shù)的值。取區(qū)域cv入流部分的控制線的微元為該微元上的流速為則

結(jié)合式(15)和式(16)，得

聯(lián)立式(14)和式(17)，可得

至此，證明完畢。

由定理2可知，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流所具有的任意參數(shù)r的總量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)分為和兩部分。其中，表示的是固定區(qū)域內(nèi)的參數(shù)r的時(shí)間變化率，表示的是單位時(shí)間通過車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流邊界線的參數(shù)r的凈通量。

分析定理2可得，在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流處于定常流動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)流所具有的任一參數(shù)的總量的變化只與通過邊界線的凈通量相關(guān)，而與數(shù)據(jù)流內(nèi)部的流動(dòng)情況無關(guān)。據(jù)此可知，在分析車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的參數(shù)規(guī)律時(shí)，可以忽略數(shù)據(jù)流內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)情況。

(2)數(shù)據(jù)流連續(xù)性方程

因?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流滿足連續(xù)性假設(shè)，其各個(gè)參數(shù)都是時(shí)間與空間的連續(xù)、可微函數(shù)，由此，可得車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的連續(xù)性方程。在車聯(lián)網(wǎng)中取一路段作為控制區(qū)域，該區(qū)域的入流線的長度為l1，入流處數(shù)據(jù)流的流速為v1，密度為ρ1，出流線的長度為l2，出流處數(shù)據(jù)流的流速為v2，密度為ρ2，區(qū)域中的數(shù)據(jù)包數(shù)為m。

若數(shù)據(jù)流區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)包數(shù)不發(fā)生變化，則

由定理2可知

結(jié)合式(19)和式(20)，得

其中，s為區(qū)域的面積，因?yàn)閰^(qū)域的面積不會(huì)隨時(shí)間改變，所以上式可以化簡為

當(dāng)數(shù)據(jù)流處于定常流動(dòng)時(shí)，上式第一項(xiàng)為0，所以

即

對(duì)其進(jìn)行積分可得

ρ1v1l1＝ρ2v2l2(25)

由式(25)可知，在定常數(shù)據(jù)流中，在同一信道上的任一位置通過的流量相同。此外，在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的一個(gè)固定區(qū)域中，如果沒有數(shù)據(jù)包流過邊界線并且區(qū)域內(nèi)的車輛節(jié)點(diǎn)起中繼節(jié)點(diǎn)的作用，則區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)包數(shù)守恒。

(3)數(shù)據(jù)傳輸方程

節(jié)點(diǎn)發(fā)送速度越快，則數(shù)據(jù)流流動(dòng)速度越快，可以認(rèn)為是節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)流做功，數(shù)據(jù)流受到虛擬力f的作用。對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的某一個(gè)區(qū)間，設(shè)該區(qū)間長度為δx，數(shù)據(jù)流密度為ρ，則數(shù)據(jù)包數(shù)為ρ*δx，根據(jù)牛頓第二定律，可得

ρ*δx*a＝δf(26)

所以

對(duì)δx取極限，當(dāng)δx→0時(shí)

根據(jù)定理1，可求得

結(jié)合式(27)和式(29)，可得

式(30)即為車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的運(yùn)動(dòng)方程。下面來對(duì)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的虛擬力進(jìn)行進(jìn)一步分析。首先考慮定常數(shù)據(jù)流，定常數(shù)據(jù)流的參數(shù)如密度、速度等不隨時(shí)間變化，即這些參數(shù)只是位置x的函數(shù)，所以式錯(cuò)誤！未找到引用源。中的偏導(dǎo)數(shù)可以改為全導(dǎo)數(shù)，即

由于式(31)可以進(jìn)一步化簡，得

在式(32)兩邊都乘以ρ*dx，得

ρvdv-df＝0(33)

由于流量q＝ρv，帶入式(33)，得

qdv-df＝0(33)

對(duì)式(34)進(jìn)行積分，得

f＝f1+q(v-v1)(35)

其中，f1和v1分別是某一已知狀態(tài)下車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的虛擬合力和流速。

為了利用流體力學(xué)來分析車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流，假設(shè)了車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流受到一種虛擬力的作用，要使這種虛擬力具有物理意義，還需要對(duì)這種虛擬力進(jìn)行量綱分析。量綱是將一個(gè)物理導(dǎo)出量用若干個(gè)基本量的冥之積表示出來的表達(dá)式。在對(duì)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的虛擬力進(jìn)行量綱分析時(shí)，涉及到的基本物理量有：長度(l)，質(zhì)量(m)，時(shí)間(t)。車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流流速v定義為單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離，即v＝s/t，所以其量綱為(l×t^-1)。車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流密度定義為單位長度內(nèi)的數(shù)據(jù)包數(shù)，即ρ＝m/s，所以其量綱為(m×l^-1)。車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流流量q＝ρv，其量綱為(m×t^-1)。由此，可以導(dǎo)出車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流虛擬力f的量綱為(l×m×t^-2)，其單位為m×package/s²。在下文中，將把車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的虛擬力統(tǒng)稱為傳輸壓力。傳輸壓力的物理意義在于，對(duì)于具有m個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)流系統(tǒng)，根據(jù)牛頓第二定律f＝ma，傳輸壓力的增量使該系統(tǒng)產(chǎn)生加速度a。

雖然研究傳輸壓力時(shí)，是以定常車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流作為研究對(duì)象的，但是流體壓力并不會(huì)因?yàn)榱黧w是定常流體還是非定常流體而產(chǎn)生差別，所以所得到的關(guān)于傳輸壓力的結(jié)論也可應(yīng)用到非定常車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流中。

(4)節(jié)點(diǎn)間相互干擾方程

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流中數(shù)據(jù)包之間的碰撞會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包失效，從而引起數(shù)據(jù)流流速降低，這種現(xiàn)象類似于流體的粘性作用。數(shù)據(jù)流流速降低可以看成是一種虛擬內(nèi)摩擦力作用的結(jié)果，該力的大小與數(shù)據(jù)流的粘度、信道長度和數(shù)據(jù)流流量隨流動(dòng)方向的變化率成正比，即

其中，μ為車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的粘度，μ＝2(v1-v)，v1為數(shù)據(jù)流簡單波的最大波速。

注意上式只在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流存在粘性作用時(shí)成立。在之前的分析中已經(jīng)知道車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流中并不總是存在粘性作用，只有當(dāng)其密度達(dá)到一定的閾值后粘性作用才開始凸顯。把這個(gè)閾值定義為ρf，則車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的粘性大小可以更準(zhǔn)確地表示為

把車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的粘性系數(shù)定義為單位長度的粘性大小，即

在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流引入粘性作用后，重新對(duì)其受力情況進(jìn)行分析，可得到考慮粘性作用的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的運(yùn)動(dòng)微分方程

其中，τf就是車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流的粘性阻力項(xiàng)

創(chuàng)新點(diǎn)

提出了一種表征車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征的基于流體力學(xué)的數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)模型方法，從而有助于更深入了解車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組織及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性，導(dǎo)致如果考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的抽象與建模會(huì)非常困難，而簡單模型無法反映車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)雜模型在數(shù)學(xué)上又難以求解等問題，本發(fā)明基于流體力學(xué)的思想，給出了能夠表征車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征的數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)模型方法，從而有助于更深入了解車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組織及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，為車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)容量的相關(guān)研究提供理論模型基礎(chǔ)，同時(shí)為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供更準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)模型保障。