一種基于VANET的數(shù)字城市網(wǎng)絡(luò)

景偉娜

(河南城建學(xué)院計算機科學(xué)與工程系，河南 平頂山 467001)

0 引言

數(shù)字城市是以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運用遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙測、仿真和虛擬技術(shù)等對城市進(jìn)行多分辨力、多尺度、多時空和多種類的三維描述［1］。數(shù)字城市作為城市地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，可以在城市規(guī)劃與設(shè)計、城市交通管理與服務(wù)、城市信息管理與服務(wù)等方面發(fā)揮巨大的作用。在數(shù)字城市中，數(shù)據(jù)處理與存儲體系和無線網(wǎng)絡(luò)體系是兩個關(guān)鍵的體系，其中數(shù)據(jù)存儲技術(shù)和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)是數(shù)字城市體系的基礎(chǔ)［2］。

作為數(shù)字城市的技術(shù)支撐，無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是至關(guān)重要的。目前，車載自組織網(wǎng)絡(luò)［3］(Vehicular Ad hoc Network，VANET)的發(fā)展，為數(shù)字城市中無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了新的技術(shù)方案。VANET是由城市里行駛中的車輛組成的移動 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)［4］(Mobile Ad hoc Network，MANET)，可用于城區(qū)交通管理、車輛間信息共享，以及車輛Internet接入等。VANET是一類特殊的MANET，與傳統(tǒng)MANET的區(qū)別在于其高動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。應(yīng)用于數(shù)字城市中，VANET可以發(fā)揮高效、靈活、建網(wǎng)迅速、無需網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)勢，能夠快速收集道路和交通信息，為數(shù)據(jù)倉庫提供信息來源。

本文提出了一種基于VANET的數(shù)字城市網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并通過建立概率模型，分析了VANET網(wǎng)絡(luò)的連通性，進(jìn)一步仿真評估了貪婪地理路由(Greedy Perimeter Stateless Routing，GPSR)協(xié)議在該網(wǎng)絡(luò)中的性能。本文的結(jié)論可用于指導(dǎo)數(shù)字城市的建設(shè)和發(fā)展，具有一定的實際應(yīng)用價值。

1 數(shù)字城市網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及連通性分析

基于VANET的數(shù)字城市網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)分為兩級，城市道路上的車輛及其所屬基站(Base Station，BS)通過VANET連接，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的第一級;各基站通過無線網(wǎng)絡(luò)控制器(Radio Network Controller，RNC)與數(shù)據(jù)倉庫(Data Warehouse，DW)連接，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的第二級，其中DW還可以接入Internet。在該網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，由道路上行進(jìn)的車輛構(gòu)成的VANET是該網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。因此，本文研究的重點是VANET。

連通性分析是該網(wǎng)絡(luò)首要的基礎(chǔ)性問題。只有達(dá)到了較高的連通性狀態(tài)，該網(wǎng)絡(luò)才具有較強的存活性。如圖2所示，假設(shè)道路長度為L，存在N個車輛，令V1，V2，…，VN表示道路上的各車輛。各車輛的位置在整條道路上服從隨機分布，令Xi(i=1，2，…，N －1)表示Vi與 Vi+1之間的距離。因此，當(dāng)N和L足夠大時，某段道路上的車輛數(shù)近似服從泊松分布，則任意兩個相鄰車輛之間的距離Xi服從指數(shù)分布，其累積分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function，CDF)為

圖1 基于VANET的數(shù)字城市網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖2 VANET連通性分析場景

要保證全網(wǎng)連通，必須滿足 Xi≤R(i=1，2，…，N－1)，其中R為車輛的通信半徑。令Pc表示全網(wǎng)連通的概率，則 Pc為滿足 X1≤R，X2≤R，…，XN－1≤R 的概率Prob

式(3)表明了網(wǎng)絡(luò)連通概率與車輛密度、通信距離之間的關(guān)系。當(dāng)通信距離為250 m時，對其進(jìn)行數(shù)值計算，得圖3。由圖3可知，網(wǎng)絡(luò)連通概率隨節(jié)點密度的增大而增大。當(dāng)車輛密度達(dá)到0.07個/m時，VANET的連通概率可達(dá)100%。目前在國內(nèi)大中城市，車輛密度均可達(dá)到這一數(shù)值，說明VANET具有較強的存活性。

2 VANET路由協(xié)議研究

在MANET中，傳統(tǒng)的基于拓?fù)滏溌窢顟B(tài)的路由協(xié)議大多通過路由探測分組全網(wǎng)性泛洪廣播來獲得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的連接關(guān)系和鏈路狀態(tài)，從而建立端到端的路由并存儲路由表。但是，端到端的路由會因路由中的一個或幾個節(jié)點的移動、失效而中斷，需要不斷地進(jìn)行路由重建和維護(hù)。因此，傳統(tǒng)的路由協(xié)議在VANET等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斓木W(wǎng)絡(luò)中性能下降很大。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連通概率與車輛密度之間的關(guān)系

近年來，研究人員提出了基于地理位置信息的路由協(xié)議［5］。這類協(xié)議利用節(jié)點的地理位置信息進(jìn)行有效的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)，其中GPSR協(xié)議［6］在整個數(shù)據(jù)傳輸中不需要泛洪探測分組，不需要建立和維護(hù)端到端的基于拓?fù)滏溌窢顟B(tài)的路由，不需要存儲路由信息表，只要求每個節(jié)點準(zhǔn)確地存儲周圍鄰居節(jié)點的位置信息即可。GPSR能夠提供很好的數(shù)據(jù)傳輸保證，同時能夠節(jié)省能量的消耗，降低節(jié)點的內(nèi)存需求，具有良好的網(wǎng)絡(luò)可擴展性和穩(wěn)健性。

GPSR采用周期性信標(biāo)交換算法獲取鄰居節(jié)點的地理位置信息，并依此構(gòu)建和維護(hù)鄰居節(jié)點表。當(dāng)節(jié)點要發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)一個數(shù)據(jù)分組時，依照鄰居節(jié)點表選擇路由。GPSR具有貪婪轉(zhuǎn)發(fā)(Greedy Forwarding)和邊界轉(zhuǎn)發(fā)(Perimeter Forwarding)兩種模式，通常情況下采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)出現(xiàn)路由空洞問題時采用邊界轉(zhuǎn)發(fā)。如圖4所示，當(dāng)節(jié)點X需要向節(jié)點D發(fā)送分組時，X在自己的鄰居節(jié)點中，選擇距離D最近的節(jié)點Y作為下一跳節(jié)點，然后將分組發(fā)送給Y。下一跳節(jié)點也采用該策略，直到分組到達(dá)D。

圖4 GPSR協(xié)議的路由選擇

在數(shù)字城市網(wǎng)絡(luò)中，每個用戶都能利用GPS設(shè)備獲知自身的地理位置信息，滿足采用基于地理位置信息路由協(xié)議的先決條件。

3 仿真評估

下面將利用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺對GPSR協(xié)議在基于VANET的數(shù)字城市網(wǎng)絡(luò)中的性能進(jìn)行仿真測試。首先，針對城市道路上車輛的運動規(guī)律，采用節(jié)點城區(qū)移動模型(City Section Mobility Model，CSMM)。在 CSMM 中，各節(jié)點在指定的街區(qū)地圖中運動。這里設(shè)定所有節(jié)點以相同的速度勻速、不間斷地沿道路運動。當(dāng)節(jié)點運動至十字路口時，直行的概率為0.5，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的概率均為0.25。遇到T型路口時，向另兩支道路運動的概率均為0.5。在NS2.32中添加CSMM，并建立如圖5所示的仿真運動場景，在900m×900 m的矩形區(qū)域內(nèi)，橫向和縱向各有4條道路，所有相鄰兩路口之間的間隔均為300 m，路寬忽略不計。

圖5 VANET仿真場景

其次，利用CSMM生成節(jié)點運動場景。網(wǎng)絡(luò)場景中設(shè)置50個節(jié)點，當(dāng)節(jié)點的運動速率分別為5 m/s，7.5 m/s，10 m/s，12.5 m/s，15 m/s 時，隨機生成運動場景文件。為了保證結(jié)論的合理性，在各運動速率下均生成10個運動場景文件，仿真結(jié)束后取10次仿真結(jié)果的平均值。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真結(jié)束后根據(jù)報文投遞率、平均端到端時延和路由開銷等3項性能指標(biāo)對GPSR和AODV兩種路由協(xié)議的性能進(jìn)行比較分析，并用Matlab7.0畫出性能指標(biāo)圖，如圖6～8所示。

由圖6～8可得，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點運動速率的增大，網(wǎng)絡(luò)的報文投遞率減小，平均端到端時延和路由開銷都增大。這是因為隨著節(jié)點速率的增大，整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓潭燃觿?，從而造成網(wǎng)絡(luò)各項性能指標(biāo)下降。對比GPSR和AODV協(xié)議，GPSR的報文投遞率高于AODV，平均端到端時延小于AODV。對于二者的路由開銷，當(dāng)節(jié)點低速運動時，GPSR的路由開銷高于AODV，但隨著節(jié)點運動速率的增大，AODV的路由開銷增大，而GPSR的路由開銷比較穩(wěn)定，這是因為隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓潭鹊脑龃?，網(wǎng)絡(luò)中的鏈路會頻繁斷開，AODV會頻繁發(fā)送路由請求信息，而GPSR采用周期性的信標(biāo)交換算法，不會帶來過大的路由負(fù)載。以上結(jié)果表明，相比按需路由協(xié)議，GPSR更適合于VANET。

4 小結(jié)

本文針對未來數(shù)字城市的建設(shè)和發(fā)展需求，提出了一種基于VANET的數(shù)字城市網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，分析了網(wǎng)絡(luò)連通性，并在NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺中建立該網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型，仿真分析了GPSR協(xié)議在該網(wǎng)絡(luò)的性能。結(jié)果表明，GPSR的性能優(yōu)于AODV，能夠更好地應(yīng)用于VANET。本文的研究成果對數(shù)字城市的發(fā)展具有一定的參考價值。

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