混合式實時交通信息的VANETs的地理路由

潘韻，孫蘭娟

池州學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)系，安徽池州247000

1 引言

車輛自組織網(wǎng)絡(luò)VANETs（Vehicle Ad hoc Networks）作為智能交通的重要組成部分，通過車間通信V 2V（Vehicle to Vehicle communication）以及車輛與路邊設(shè)施間通信，高效地實現(xiàn)事故預(yù)警、輔助駕駛、道路交通信息查詢，以及Internet接入服務(wù)等多種應(yīng)用[1]。VANETs廣泛應(yīng)用于事故預(yù)警、保障交通安全、交通管理、乘客娛樂，并為用戶提供舒適、安全的駕駛環(huán)境，使得VANETs在智能交通起著至關(guān)重要的作用，有望成為物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用之一[1-2]。

相對于傳統(tǒng)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)，VANETs具有高動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、間斷性的網(wǎng)絡(luò)連接、高度不可靠的鏈路、深度開放的網(wǎng)絡(luò)等特點。VANETs的這些特點使得傳統(tǒng)的路由協(xié)議難于直接應(yīng)用。為此，2000年，Karp[3]提出GPSR（Greedy Perimeter Stateless Routing）協(xié)議。GPSR無需復(fù)雜的維護(hù)路由，僅依據(jù)通信雙方選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，開銷低。盡管GPSR適用于節(jié)點高速運動的場景，但是GPSR尋找的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點不是最優(yōu)解，從而導(dǎo)致路由經(jīng)常中斷，不得不恢復(fù)策略，造成數(shù)據(jù)傳輸時延增大。研究成果表明，傳統(tǒng)的路由協(xié)議應(yīng)用于VANETs時，數(shù)據(jù)包的成功傳輸率小于50%，延遲大且延遲抖動劇烈。如何設(shè)計有效的路由協(xié)議從而保障通信消息的安全、實時、可靠地傳遞，是VANETs研究的熱點問題[4]。

GSR[5]屬于基于位置的路由協(xié)議，根據(jù)地理信息，利用迪杰斯特拉Dijkstra算法計算最短路徑，之后采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。然而GSR的不足之處在于：當(dāng)交通密度很低時，就沒有足夠的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。在低密度的交通情況下，端與端的連接率低。此外，A-STAR[6]也屬基于位置的路由協(xié)議。A-STAR考慮了靜態(tài)交通流量信息，并利用基于錨節(jié)點策略，為數(shù)據(jù)包尋找高連接率的路徑。A-STAR將公交巴士作為錨節(jié)點。文獻(xiàn)[7]也提出基于位置的路由協(xié)議GPCR，GPCR在每個十字路口選擇一個節(jié)點作為協(xié)調(diào)節(jié)點。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點采用貪婪策略，并擇優(yōu)選擇協(xié)調(diào)節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。上述的這些路由協(xié)議在路由決策時并沒有考慮交通的實時狀態(tài)信息，這將會增加路由斷裂的幾率。

文獻(xiàn)[8]提出VADD（Vehicle-Assisted Data Delivery）方案。VADD結(jié)合車輛的位置以及方向信息，并利用基于數(shù)據(jù)包傳遞到目的節(jié)點的概率。其主要有三種數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模式：Intersection、Straightway、Destination。當(dāng)數(shù)據(jù)包傳遞到道路交叉口時，就啟用Intersection模式，擇優(yōu)選擇延遲最小的路段組建路由。當(dāng)離開道路交叉口時，就啟用Straightway模式，并沿道路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)包傳遞到目的節(jié)點附近時，進(jìn)入Destination模式。Junichiro[9]提出新的方案，通過預(yù)先計算源節(jié)點與目的節(jié)點可能路由的概率，并基于一定的數(shù)學(xué)模型。通過計算這些概率，建立一擬用的路由表。

DTSG[10]（Dynamic Time-Stable Geocast）方案。DTSG將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分為：目的區(qū)域定義為ZOR（Zone of Relevance）；轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域為ZOF（Zone of Forwarding）。在ZOR內(nèi)節(jié)點表示數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點，而ZOF內(nèi)的節(jié)點為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。實施DTSG可分兩步：首先在ZOR內(nèi)擴散數(shù)據(jù)包，再使數(shù)據(jù)包在預(yù)設(shè)時長內(nèi)持久的存在于ZOR中?？蓜討B(tài)預(yù)設(shè)時長，無任何額外的開銷。

許多學(xué)者也提出利用實時交通信息的路由協(xié)議。文獻(xiàn)[11]提出優(yōu)化的貪婪交通流量感知的路由協(xié)議GyTAR（Improved Greedy Traffic Aware Routing Protocol）。GyTAR利用實時的道路流量以及道路地圖信息選擇路由。如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點處于十字路口區(qū)域，它將從鄰近的十字路口收集道路的實時信息選擇下一個轉(zhuǎn)發(fā)的十字路口。然而，GyTAR僅從一跳鄰居節(jié)點收集交通信息，這些信息并不充分。利用不充分的信息難以選擇最優(yōu)的路由。文獻(xiàn)[12]提出靜態(tài)節(jié)點輔助適應(yīng)式路由SADV（Static-Node Assisted Adaptive Routing Protocol）。SADV在節(jié)點密度時，通過十字路口部署靜態(tài)節(jié)點收集實時的信息，利用這些信息預(yù)測車輛的移動。靜態(tài)節(jié)點在十字路口采取等待策略，直到有高的數(shù)據(jù)包遞交率才轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這種方式可以避免繞路，但是數(shù)據(jù)包傳輸時延取決于車輛密度。因此，SADV的性能優(yōu)劣受到節(jié)點密度的影響。

為此，本文提出混合式的感知交通信息路由HTAR。HTAR不部署靜態(tài)節(jié)點，同時利用道路流量以及網(wǎng)絡(luò)流量信息決策路由。節(jié)點廣播這些混合式信息。通過共享這些信息，有利于節(jié)點選擇更優(yōu)的路由。

2 HTAR

2.1 假設(shè)

本文提出的算法基于以下幾點假設(shè)：

（1）網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點均裝有GPS設(shè)備，能獲取自己準(zhǔn)確的位置信息；同時節(jié)點都有無線通信設(shè)備，任何兩個節(jié)點在其通信范圍內(nèi)，就能彼此通信。

（2）源節(jié)點在向目標(biāo)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前，通過位置服務(wù)已獲取目標(biāo)節(jié)點、鄰居節(jié)點的位置信息。

（3）網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能獲取街道信息，包括：（a）道路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（b）交叉路口的ID、位置；（c）道路ID、長度。

2.2 HTAR基本概念

2.2.1 鄰居節(jié)點的相關(guān)信息

HTAR方案的節(jié)點周期性向鄰居廣播“Hello”消息，以便鄰居節(jié)點能獲取周圍節(jié)點的實時信息。接收節(jié)點依據(jù)實時信息，選擇最合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。Hello消息的格式如下所示：

其中，Road ID為此節(jié)點所處的道路號，Location（x，y）表示節(jié)點所在的位置。A t junction（True or False）代表此節(jié)點是否處于在交叉路口。表中的最后一列的內(nèi)容取決于A t junction的值。如果A t junction是“True”，最后一列存放節(jié)點停留于十字路口的時間（Time to Leave Junction，TTLJ），否則的話，就存放Channel load，其表示道路擁堵率。

一旦節(jié)點收到來自其他節(jié)點的“Hello”消息，將其存放在自己的鄰居信息表中，格式如下所示：

2.2.2 交叉功能節(jié)點的選取

在每個交叉路口，需選擇一個功能節(jié)點，作為此交叉路口的信息收集者，負(fù)責(zé)從鄰近道路周期地收集實時交通信息。功能節(jié)點主要負(fù)責(zé)以下三方面的任務(wù)：

（1）及時收集鄰近道路交通、網(wǎng)絡(luò)流量信息；

（2）根據(jù)所收集的信息，依據(jù)算法計算道路的權(quán)值；

（3）向鄰近交叉路口分發(fā)道路的權(quán)值數(shù)據(jù)。

在HTAR方案中，根據(jù)節(jié)點所處不同的情況，將節(jié)點的狀態(tài)分為四種，分別為：休眠（sleep）、監(jiān)視（monitor）、競爭（com pete）、發(fā)布（spread）。根據(jù)不同的輸入信息（激勵），四種狀態(tài)可相互轉(zhuǎn)換。

當(dāng)節(jié)點不處于交叉路口，就進(jìn)入sleep狀態(tài)。每次節(jié)點第一次進(jìn)入交叉路口，它將sleep狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閙onitor狀態(tài)。在monitor狀態(tài)時，節(jié)點設(shè)定一個Tm秒的倒數(shù)計時器。設(shè)置計時器的目的就是監(jiān)視交叉路口是否存在功能節(jié)點。因為功能節(jié)點周期地向鄰居節(jié)點分發(fā)更新過的權(quán)值信息包W IU（Updated Weight Information），如果在Tm內(nèi)未收到權(quán)值信息包，表明當(dāng)前沒有功能節(jié)點。如果在Tm內(nèi)，節(jié)點收到了W IU，則節(jié)點仍處于monitor狀態(tài)并重新設(shè)置當(dāng)前的計數(shù)器。如果沒有收到，節(jié)點進(jìn)入compete狀態(tài)。

處于com pete狀態(tài)的節(jié)點需設(shè)置Tc倒數(shù)計時器與其他節(jié)點競爭成為功能節(jié)點。Tc由式（1）計算。

所有處于spread狀態(tài)的節(jié)點都是功能節(jié)點。它們必須周期性收集鄰近交通信息，并向鄰居節(jié)點廣播已更新的權(quán)值信息。當(dāng)功能節(jié)點離開交叉路口，它需要從處于交叉路口的節(jié)點中選擇一個節(jié)點繼承它的位置，即作為下一輪功能節(jié)點。TTLJ可通過式（2）計算：

其中，D(t)表示節(jié)點離交叉路口的路程，V(t)表示節(jié)點當(dāng)前速度。如果HTAR能獲取其他的一些信息，如交通燈時間，TTLJ的值將更準(zhǔn)確。TTLJ值越大，表明節(jié)點停留在交叉路口的時間越長。如前所述，處于交叉路口的節(jié)點周期地廣播含有TTLJ值的Hello消息。當(dāng)前的功能節(jié)點依據(jù)TTLJ的值擇優(yōu)選取功能節(jié)點的繼承者，具有TTLJ最大值的節(jié)點，被選中。通過這種方式，HTAR能夠降低因更換功能節(jié)點的開銷。繼承節(jié)點選定后，節(jié)點將離開交叉路口，同時進(jìn)入sleep狀態(tài)。繼承節(jié)點也隨之進(jìn)入spread狀態(tài)。

四種不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)移如圖1所示。

圖1 節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.2.3 功能節(jié)點的任務(wù)

由上述分析可知，功能節(jié)點有三項任務(wù)必須完成，分別為匯集交通信息、評估道路權(quán)值，以及廣播道路權(quán)值。

2.2.3.1 匯集交通信息

在HTAR中，功能節(jié)點需收集兩類交通信息。一類是道路中節(jié)點的密度信息，另一類是網(wǎng)絡(luò)交通擁塞信息，其用道路堵塞率Channel Load表示。通過此值判斷道路是否堵塞。

為此，功能節(jié)點向鄰近的功能節(jié)點發(fā)送交通信息收集包（Traffic Information Collection，TIC）。在收集信息的開始，HTAR將道路進(jìn)行分段。將每兩個交叉路口間的道路依據(jù)通信范圍R分段，按式（3）劃分：其中，Nseg為道路所分的段數(shù)，L為兩交叉路口之間的道路長度。如圖2為道路劃分示意圖。

圖2 道路劃分示意圖

在信息收集過程中，每個TIC包盡量傳遞到每段道路的中心。為此，每次轉(zhuǎn)發(fā)時，從鄰居信息表中選取離此段中心最近的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)點。一旦接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己是離此段道路中心最近的節(jié)點，就將此段道路的節(jié)點密度以及道路堵塞信息加入到TIC包中，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給下一段道路，直到?jīng)]有下一跳轉(zhuǎn)發(fā)TIC包或新的繼任功能節(jié)點收到此TIC包。如果新的繼任功能節(jié)點收到TIC包，它將此TIC包復(fù)制并發(fā)送給源功能節(jié)點。原功能節(jié)點收到后，將分析交通信息并更新道路的權(quán)值。如下描述了TIC的格式：

其中，兩列Junction ID分別表示源交叉路口、目的交叉路口；Numbers of Nodes表示某路段的節(jié)點的數(shù)目；Segment ID表示道路的段數(shù)號；Channel Load表示此段道路的堵塞率。

（1）道路密度交通信息

靠近每段中心區(qū)域的節(jié)點收到TIC數(shù)據(jù)包，并首先計算鄰居節(jié)點的數(shù)目，然后將此值存入上述TIC格式中的“Number of Nodes”區(qū)域。如下顯示了由功能節(jié)點收到TIC包的示例，其中，A、B表示源交叉路口、目的交叉路口。

（2）網(wǎng)絡(luò)流量堵塞信息

如前所述，在道路的節(jié)點必須周期地廣播hello消息，該消息中包含了Channel Load的信息。一旦進(jìn)入道路，功能節(jié)點監(jiān)視道路情況，計算道路堵塞時間，并計算堵塞率。如式（4）所示：

其中，Tmeasure(n)表示節(jié)點n檢測路段的時間，Tbusy(n)表示此路段忙的時間。

多個節(jié)點一起檢測路段忙的時間。整個路段上的CLi由式（5）計算：

其中，i∈Nseg；Ni為此路段i的節(jié)點數(shù)目；Time Stam p表示產(chǎn)生TIC包時戳；Channel Load表示道路堵塞率。

2.2.3.2 評估道路權(quán)值

評估道路權(quán)值時，利用Dijkstra算法去計算最短路徑。功能節(jié)點收到TIC包，就按式（6）計算道路的權(quán)值Weiroad：

其中，Li表示路段的長度；C1、C2為兩個常數(shù)，且C1＞C2；CTth為路段負(fù)荷的門限值；Weiroad值越小，路由路徑越好。

功能節(jié)點計算了每條路段的權(quán)值后，將這每條權(quán)值存于權(quán)值信息表，其格式如下所示：

2.2.3.3 道路權(quán)值信息的分發(fā)

功能節(jié)點利用權(quán)值信息更新包（Weight Information Update，W IU）周期性地分發(fā)最新的道路權(quán)值，格式如下所示：

源節(jié)點獲取每條路段的權(quán)值后，從中選取權(quán)值最小的路段作為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路途。

3 路由決策過程

定義G=(V，E)：節(jié)點邏輯關(guān)系的圖論表示方法，V、E分別表示點集和邊集。

與GSR、A-STAR一樣，HTAR利用最短路徑算法去計算路由。在路由發(fā)現(xiàn)過程中，將交叉路口（junction）看成點V，道路看成邊E，每條邊均有它自己的權(quán)值。對于給定的兩個點，HTAR能找出最佳路由。此外，HTAR是實時交通感知路由，因此可根據(jù)實時的信息更新權(quán)值。

每個源節(jié)點在數(shù)據(jù)開始傳輸時需建立路由。根據(jù)當(dāng)前所處區(qū)域的不同，路由的建立分兩種情況。

第一類，節(jié)點處于非交叉口。不處于交叉口的節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)包時，首先檢查這個包目的地，如果這個節(jié)點本身不是這個包的目的節(jié)點，那么節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地，尋求適合下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。如果能成功找到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，就將數(shù)據(jù)包傳遞給轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點；如果不能找到合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，就采用存儲緩存，直到能獲取下一跳節(jié)點。

第二類，節(jié)點處于交叉路口。處于交叉路口的節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，同樣先查看數(shù)據(jù)包的目的地，如果自己不是數(shù)據(jù)包的目的地，就進(jìn)一步檢測這個包是否第一次到達(dá)此交叉路口。如果是第一次，立即為此數(shù)據(jù)包重新計算路由路徑并尋求最佳下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。與第一類情況不同的是，處于交叉路口的節(jié)點如果不能為數(shù)據(jù)包找到下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，則重新計算路由路徑，并依據(jù)此路徑重新尋找下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。具體的方案流程如圖3所示，假定節(jié)點ni收到數(shù)據(jù)包。

圖3 HTAR方案流程圖

4 仿真以及性能分析

為了評估所提出的路由的VANETs性能，對HTAR以及GSR、GyTAR、SADV進(jìn)行仿真。選擇這兩個協(xié)議進(jìn)行對比仿真，主要原因是：GSR是不考慮交通信息的代表協(xié)議；GyTAR是利用交通信息輔助路由的代表協(xié)議，并支持?jǐn)y帶轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。采用Network Simulator 2.31作為仿真平臺；仿真場景采用TraNS[13]的模型。仿真的具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

為了更好地分析HTAR協(xié)議的性能，本文分別從數(shù)據(jù)包傳輸率（delivery ratio）、平均傳遞時延（delay）、網(wǎng)絡(luò)開銷（network cost）進(jìn)行協(xié)議分析。數(shù)據(jù)包傳輸率是指源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包與被目標(biāo)節(jié)點成功接受到的數(shù)據(jù)包之比，如式（7）所示。平均傳遞時延是指數(shù)據(jù)包從源節(jié)點到達(dá)目標(biāo)節(jié)點所需要的平均時間長度。網(wǎng)絡(luò)開銷，即在運行協(xié)議期間為實現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳遞功能，網(wǎng)絡(luò)中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包與其傳遞跳計數(shù)的乘積的總和，包括位置服務(wù)數(shù)據(jù)包、交通信息數(shù)據(jù)包以及路由維護(hù)數(shù)據(jù)包等[14]。

本文針對節(jié)點數(shù)目為400時，數(shù)據(jù)包傳輸率、平均傳遞時延、網(wǎng)絡(luò)開銷隨CBR速率的變化情況進(jìn)行仿真分析。

圖4給出了數(shù)據(jù)包傳輸率隨CBR速率的變化曲線。

圖4 Deliver Ratio隨CRB的變化情況

從圖4可知，CBR速率的增加，數(shù)據(jù)包傳輸率呈下降趨勢。同GSR、GyATR相比，HTAR具有較高的數(shù)據(jù)包傳輸率。這主要是原因HTAR充分考慮了交通實時信息，轉(zhuǎn)發(fā)路徑斷裂的機率下降，數(shù)據(jù)包傳輸率提高，能夠達(dá)到約0.85。而GSR協(xié)議沒有充分考慮到車流信息，遇到網(wǎng)絡(luò)分割時數(shù)據(jù)包丟失嚴(yán)重，數(shù)據(jù)包傳輸率極低。GyTAR協(xié)議在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，考慮到道路上的局部交通信息，其數(shù)據(jù)包傳輸率高于GSR，但是由于其只考慮到局部的交通信息，沒有整個網(wǎng)絡(luò)的交通信息，所以數(shù)據(jù)包傳輸率低于HTAR。

圖5表述了CBR對平均傳遞時延的的影響情況。三個協(xié)議相比，GSR的時延最小，這主要是因為總是由最短的傳遞路徑向目標(biāo)節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包。而HTAR、GyATR采用無線轉(zhuǎn)發(fā)、存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，數(shù)據(jù)包的平均時延相差不大。與GyATR相比，HTAR考慮到全網(wǎng)的交通信息，選擇節(jié)點密集的道路，充分利用了無線轉(zhuǎn)發(fā)功能，其時延低于GyATR。

圖5 平均傳遞時延隨CBR的變化情況

如圖6所示，隨著CBR速率的增加，三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)開銷也隨之增加。由于GSR協(xié)議簡單，復(fù)雜度低，其所占用的網(wǎng)絡(luò)開銷最小，增加幅度緩慢。相對GSR，GyATR和HTAR協(xié)議較復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)開銷也同步增加。在低速時，HTAR的網(wǎng)絡(luò)開銷低于GyATR。

圖6 網(wǎng)絡(luò)開銷隨CBR的變化情況

5 結(jié)束語

基于VANETs的特性，提出適用于VANETs的路由協(xié)議HTAR。該協(xié)議通過功能節(jié)點的設(shè)置，獲取交通的實時信息。每個交叉路口設(shè)置一個功能節(jié)點，負(fù)責(zé)收集實時交通信息。根據(jù)車輛的通信范圍將道路分成路段，功能節(jié)點計算每條路段的權(quán)值，并將這些信息向鄰居節(jié)點以及鄰近的交叉路口發(fā)布。為了適應(yīng)VANETs的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)性，功能節(jié)點將節(jié)點密度以及每條路段的負(fù)荷信息融入交通信息中。因此，節(jié)點能選擇最佳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，使路由路徑更健壯、更穩(wěn)固。同時，提出通過設(shè)置倒數(shù)計時器方案選取功能節(jié)點，以減少網(wǎng)絡(luò)開銷。仿真結(jié)果表明，HTAR的數(shù)據(jù)包傳輸率達(dá)到0.85，平均傳輸時較小，不高于2 s，并且網(wǎng)絡(luò)開銷與同類協(xié)議相關(guān)，沒有明顯的增大。

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