基于多描述編碼和距離的車載網(wǎng)DSR路由技術(shù)研究*

盧 穎，陳日莉

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海工程學(xué)院，陜西 西安710072;2.山東英才學(xué)院 計算機電子信息工程學(xué)院，山東 濟南250104)

0 引言

車載自組網(wǎng)是智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要用于實現(xiàn)車輛之間、車輛與交通設(shè)施之間的無線通信，應(yīng)用場景包括交通道路實時信息共享、車輛視頻通信和高速公路收費管理等［1，2］，節(jié)點之間通過多跳方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。MSR［3］協(xié)議主要是引入路徑狀態(tài)探測機制從而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞并減小了網(wǎng)絡(luò)時延。SMR［4］路由技術(shù)不允許中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點響應(yīng)RREQ，同時中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ時采用與源節(jié)點不同的算法，從而構(gòu)造兩條最大程度不相交的路由用于發(fā)送數(shù)據(jù)。Nguyen T等人利用固定FEC編碼方式傳輸數(shù)據(jù)，并給出了在多條路徑上分配流量的方法［5］。文獻［6］建立了一種基于車載節(jié)點間鏈接的車載網(wǎng)路由技術(shù)。但是，以上研究成果均忽略了如何降低路由開銷和根據(jù)節(jié)點間通信距離進行路由建立與選擇的問題，因此，本文基于以上兩點提出了一種基于多描述編碼技術(shù)發(fā)送路由消息、根據(jù)通信距離選擇主路徑的改進型DSR路由技術(shù)。實驗分析表明:改進的DSR路由技術(shù)在端到端時延、分組投遞率和路由請求開銷等方面具有良好的性能。

1 車載自組網(wǎng)DSR路由選擇原理

1.1 多描述編碼技術(shù)原理

采用多描述編碼(multiple description coding，MDC)廣播路由請求和回復(fù)消息，同時本文使用標準的變換編碼框架來實現(xiàn)用于發(fā)送路由消息的多描述編碼技術(shù)。不同類型的車輛節(jié)點通過自組織方式形成一個無線車載網(wǎng)，每一個車載節(jié)點通過多跳路由與其它車輛、路邊基站或者某道路區(qū)域控制中心服務(wù)器相連接進行無線通信。車載自組網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中車輛作為自組網(wǎng)的節(jié)點，采用自組網(wǎng)方式構(gòu)成一個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

圖1 車載自組網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig 1 Vehicular Ad Hoc network system structure

本文在實現(xiàn)多描述編碼技術(shù)時，將N個臨近節(jié)點作為輸入變量與N個常數(shù)建立一一映射關(guān)系。對于發(fā)送路由請求數(shù)據(jù)包(RREQ)和路由回復(fù)數(shù)據(jù)包(RREP)兩種不同情況，采用兩組變換系數(shù)，每組分配N/2個系數(shù)，編碼后以相同的概率采用獨立形式發(fā)送到各個無線通信鏈路。多描述編碼技術(shù)基于系數(shù)變換，如果某個描述在無線信道上傳輸過程中丟失，該數(shù)據(jù)可以根據(jù)系數(shù)矩陣變換得到。采用多描述編碼技術(shù)發(fā)送RREQ和RREP的工作流程如圖2和圖3所示。

1.2 基于多描述編碼和通信距離的路由選擇原理

在車載自組網(wǎng)中，無線信號傳播一般采用基線地面反射模型［7］，該模型是基于地面節(jié)點空間路徑和數(shù)據(jù)發(fā)送端與接收端之間地面反射路徑建立的。數(shù)據(jù)接收節(jié)點收到的信號功率如公式(1)所示

其中，Ps為數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的信號功率，Ge為數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間直接傳輸數(shù)據(jù)的功率增益，

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送端多描述編碼技術(shù)實現(xiàn)流程Fig 2 Realization flow chart of multiple description coding technology of data sending end

圖3 數(shù)據(jù)接收端多描述編碼技術(shù)實現(xiàn)流程Fig 3 Realization flow chart of multiple description coding technology of data receiving end

ht和he分別為發(fā)送節(jié)點所用的數(shù)據(jù)發(fā)送部件和數(shù)據(jù)接收點節(jié)點所用的接收部件的天線高度，ε為兩節(jié)點之間的天線增益，d記為數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點間的一跳通信距離，φ為噪聲干擾造成的系統(tǒng)損耗。對于基線地面模型，信號功率與一跳通信距離的平方以及噪聲干擾造成的損耗成反比。由此可得出數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的一跳通信距離如公式(2)所示

當分簇簇頭節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點或者數(shù)據(jù)接收節(jié)點根據(jù)接收到的路由廣播消息和RREP消息結(jié)合公式(2)可以計算出當前車載節(jié)點與一跳的數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點之間的通信距離。

基于多描述編碼和通信距離的路由技術(shù)，首先發(fā)現(xiàn)分簇區(qū)域內(nèi)的路由，然后建立多條不相交路徑并從中選擇主路徑，如圖4和圖5所示。

圖4 發(fā)現(xiàn)路由建立主路徑Fig 4 Establishment of the main path finding routing

圖4 和圖5分別描述了改進型DSR路由技術(shù)建立多條路徑和從中選擇主路徑的流程。如圖4所示，車載節(jié)點1和2收到來自數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點S發(fā)送的采用多描述編碼技術(shù)發(fā)送的RREQ消息，從而在節(jié)點S的臨近區(qū)域內(nèi)形成2條不相交的通信路徑即路徑 1:S—1—2—3—D;路徑 2:S—4—5—D。各節(jié)點可以根據(jù)式(1)和式(2)計算出彼此之間一跳的通信距離，結(jié)合自身的剩余能量從兩條路徑中建立一條主路徑。

圖5 回復(fù)路由選擇主路徑Fig 5 Main path choosing by response routing

圖5 中的數(shù)據(jù)接收節(jié)點D采用多描述編碼技術(shù)反饋RREP給車載節(jié)點3和4，并向其他節(jié)點廣播根據(jù)式(1)、式(2)計算得到的彼此間一跳通信距離和自身的剩余能量，形成一張多條不相交路徑表。中間節(jié)點1，2，3，4和5分別逐條轉(zhuǎn)發(fā)來自數(shù)據(jù)接收節(jié)點D反饋RREP消息，同時根據(jù)多條不相交路徑表選擇主路徑。

2 車載網(wǎng)DSR路由技術(shù)

這里，建立的多描述編碼技術(shù)發(fā)送RREQ和RREP降低路由開銷，同時，根據(jù)檢測到的信號功率判斷節(jié)點間一跳通信距離的DSR路由原理，提出車載網(wǎng)DSR路由技術(shù)，并給出工作流程。

圖6(a)給出了車載網(wǎng)DSR路由技術(shù)在建立路由之前采用多描述編碼技術(shù)發(fā)送RREQ消息、統(tǒng)計通信距離和剩余能量并建立多條路徑的流程;圖6(b)給出了接收點采用多描述編碼技術(shù)反饋RREP消息、主路由選擇流程。

圖6 DSR路由技術(shù)工作流程Fig 6 Working flow chart of DSR routing technology

3 實驗性能分析

采用NS［8，9］仿真實驗的方法對上述建立的基于多描述編碼技術(shù)和通信距離的DSR改進路由技術(shù)在端到端時延、分組投遞率和路由請求開銷等方面進行性能分析和評價。NS仿真實驗時間為500s，節(jié)點一跳通信距離為100 m，拓撲范圍是500 m×650 m，共有車載節(jié)點50個，其中15個移動節(jié)點，設(shè)置10個會晤，移動節(jié)點采用隨機移動模型，移動節(jié)點最大移動速度為5 m/s，移動節(jié)點停留時間分別為0，5，10，15，20，25，30 s。

圖7，圖8和圖9分別給出了標準的DSR路由協(xié)議與本文改進后的DSR協(xié)議在移動節(jié)點不同的停留時間變化下的路由性能。改進后的DSR協(xié)議明顯降低了數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點到目的節(jié)點之間端到端的傳輸時延，如圖7所示。這是因為改進后的DSR路由技術(shù)根據(jù)車載節(jié)點剩余能量選擇的主路徑的路由選擇機制不僅保證了路由路徑的魯棒性，而且提高了節(jié)點能量的利用率，還延長了車載節(jié)點及其路由路徑的生命周期;此外，改進后的DSR協(xié)議采用多描述編碼技術(shù)提高了路由洪泛消息的發(fā)送效率和無線車載自組網(wǎng)通信鏈路的利用率。當移動節(jié)點移動停留時間較長時，改進后的DSR與標準的DSR相比性能差別不大。這是因為節(jié)點停留時間較長時，無線通信鏈路中斷的概率較低，標準DSR路由技術(shù)在路由重建和修復(fù)上的開銷較低。

圖7 端到端時延Fig 7 End-to-end delay

圖8 分組投遞率Fig 8 Packet delivery rate

從圖8中可以看出:隨著移動節(jié)點停留時間的延長，數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚陕窂街袛喔怕试絹碓叫?，標準的DSR和改進后的DSR路由技術(shù)的分組投遞率均不斷增大。因為車載自組網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通過無線鏈路傳輸?shù)穆窂紧敯粜悦黠@增強，改進后的DSR丟包越來越少，所以，其分組投遞率總體優(yōu)于標準的DSR協(xié)議。因為路由選擇是基于車載節(jié)點剩余能量選擇的，并且，路由消息是采用多描述編碼技術(shù)發(fā)送的，所以，改進后的DSR在路由請求上的開銷明顯低于標準的DSR路由技術(shù)，如圖9所示，這樣有效地節(jié)約了車載自組網(wǎng)有限的網(wǎng)絡(luò)資源。

圖9 路由請求開銷Fig 9 Routing request overhead

4 結(jié)束語

針對車載網(wǎng)絡(luò)中所有車載節(jié)點具有自組織、無預(yù)先部署的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、車載節(jié)點高速，且速度不固定、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲等特點，研究并設(shè)計了一種適用于車載自組網(wǎng)的DSR路由技術(shù)。仿真實驗表明:該技術(shù)可以有效減小車載節(jié)點間端到端時延、分組投遞率和路由請求開銷，較好地改善了車載自組網(wǎng)的通信性能。

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