基于QoS的VANETs網(wǎng)絡(luò)分布式協(xié)作路由算法

鄭洪江，王會(huì)鮮，鮑 娟，陳 偉

(1.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

?

基于QoS的VANETs網(wǎng)絡(luò)分布式協(xié)作路由算法

鄭洪江1，王會(huì)鮮2，鮑 娟2，陳 偉2

(1.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

針對(duì)VANETs中車輛節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化、通信鏈路頻繁斷裂，嚴(yán)重破壞了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，極大降低了網(wǎng)絡(luò)性能的情況，提出一種適用于VANETs的QoS分布式協(xié)作路由算法(LETB-AODV算法)。該算法在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，用鏈路連接失效時(shí)間(LET)和有效帶寬來(lái)建立雙重約束，通過(guò)選用最大 LET的鏈路構(gòu)建最優(yōu)通信路由路徑。仿真結(jié)果表明，LETB-AODV協(xié)議比AODV協(xié)議能夠更有效地降低鏈路斷鏈率、丟包率和路由開(kāi)銷，從而提高通信鏈路的穩(wěn)定性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性。

協(xié)作通信；QoS路由；鏈路連接失效時(shí)間；有效帶寬；分布式算法

車載網(wǎng)(vehicular ad hoc networks，VANETs)是一種特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(mobile ad hoc networks，MANETs)，具有自身獨(dú)特的特性，如車輛節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性和運(yùn)行軌跡的有限性等。這些特性導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化、通信鏈路穩(wěn)定性差，限制了車輛間的直接通信距離及網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)挠行?。近年?lái)，隨著車載應(yīng)用需求的不斷升級(jí)和車載應(yīng)用業(yè)務(wù)的不斷拓展，人們對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的通信性能也提出了更高的要求?，F(xiàn)有VANETs性能研究多是針對(duì)節(jié)點(diǎn)間單跳通信性能展開(kāi)，如考慮通信信道性能損失、節(jié)點(diǎn)間信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，對(duì)基于WAVE協(xié)議的VANETs網(wǎng)絡(luò)通信性能研究等。為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能，人們提出在車載網(wǎng)絡(luò)中采用多跳傳輸方式增加網(wǎng)絡(luò)連通度，提高通信容量。在多跳VANETs中，數(shù)據(jù)經(jīng)多跳傳遞到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，而隨著多跳通信數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)的性能快速下降。因此，需要提供穩(wěn)定、可靠的路由機(jī)制作為前提條件來(lái)實(shí)現(xiàn)VANETs中車輛的高效、實(shí)時(shí)通信。

不失一般性，自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)，增加了網(wǎng)絡(luò)鏈路斷裂的機(jī)率，也導(dǎo)致控制開(kāi)銷的劇增?？刂崎_(kāi)銷消息主要有RREQ(route request)和RERR(route error)。在高速的VANETs中，頻繁的鏈路斷裂導(dǎo)致路由請(qǐng)求消息劇增，給網(wǎng)絡(luò)添加額外流量負(fù)擔(dān)，極大降低了網(wǎng)絡(luò)性能，嚴(yán)重破壞了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。因此，傳統(tǒng)的路由算法不適用于VANETs。為此，研究者提出了不同的方案對(duì)現(xiàn)有路由協(xié)議算法進(jìn)行補(bǔ)充、完善和改進(jìn)，以適應(yīng)VANETs網(wǎng)絡(luò)的性能需求，如基于鏈路預(yù)測(cè)移動(dòng)模型的路由算法[1-2]，基于車輛的位置、方向、速度和交通狀況等參數(shù)選擇的高速環(huán)境下的路由算法[3-4]，基于鏈路穩(wěn)定度的路由算法[5-7]，基于QoS的路由算法[8]，基于協(xié)作跨層協(xié)議的路由算法[9-10]。上述方案在一定條件下表現(xiàn)出了較好的路由性能，然而都是基于某些特定的假設(shè)條件，如車輛速度的正態(tài)分布、車輛節(jié)點(diǎn)間等距分布，與真實(shí)的VANETs環(huán)境不符，且鏈路的信息交換與預(yù)測(cè)使控制開(kāi)銷加大，降低了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，普適性較差。

因此，為有效增強(qiáng)VANETs網(wǎng)絡(luò)車載終端間通信的可靠性和穩(wěn)定性，筆者提出一種適用于VANETs的QoS分布式協(xié)作路由方案。該方案在AODV路由協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建基于LET和有效帶寬雙重約束的最佳路徑選擇策略(簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ETB-AODV路由協(xié)議)，為VANETs網(wǎng)絡(luò)車載終端間通信選擇穩(wěn)定、可用持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的路徑建立路由，有效降低了路徑的斷裂率，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及問(wèn)題描述

筆者將VANETs網(wǎng)絡(luò)用網(wǎng)絡(luò)圖G(V,E)表示，其中V={v1,v2,…,vn}表示網(wǎng)絡(luò)中n個(gè)移動(dòng)車輛節(jié)點(diǎn)集合，E={e1,e2,…,em}表示網(wǎng)絡(luò)中m條鏈路集合，V和E隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化而變化。筆者假定每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)具有相同的傳輸距離，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i位于節(jié)點(diǎn)j的傳輸范圍內(nèi)時(shí)，i與j成為一對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)并且它們之間存在一條傳輸鏈路eij(i,j∈V,eij∈E)。

將VANETs網(wǎng)中的QoS路由問(wèn)題定義為：給定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)G(V,E)和一個(gè)QoS 路由請(qǐng)求R=(S,D,Bmin,LETmin)，在節(jié)點(diǎn)S與節(jié)點(diǎn)D之間尋找一個(gè)可行路徑集P*，使得BP(S,D)≥Bmin，LETP(S,D)≥LETmin。其中S為QoS 路由請(qǐng)求R的源節(jié)點(diǎn)；D為QoS 路由請(qǐng)求R的目的節(jié)點(diǎn)；Bmin、LETmin分別為QoS有效帶寬、LET的約束條件；BP(S,D)、LETP(S,D)分別為路徑P(S,D)上的可用帶寬、鏈路連接持續(xù)時(shí)間，且P(S,D)∈P*。

筆者的目的是在VANETs協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)路由機(jī)制進(jìn)行路徑選擇，保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。具體做法是首先尋找滿足BP(S,D)≥Bmin的可行路徑；其次計(jì)算各條可行路徑的LET，由大到小排序；最后選擇LET最大的鏈路組建為主要路由，并得到備用路由，便于主路由中斷時(shí)進(jìn)行最快速度的路徑替換和路由恢復(fù)，從而提高路由的穩(wěn)定性及通信容量。

2 LETB-AODV協(xié)議

路由路徑與場(chǎng)景示意圖如圖1所示，在雙向四車道的十字路口，車輛S欲將數(shù)據(jù)包傳送給目標(biāo)車輛D。在S、D之間有若干輛車，如{A,B,C,E,F}。若S、D的間距大于彼此的通信距離，或S、D之間可通信但通信性能較差時(shí)，需要在S、D之間選擇輔助節(jié)點(diǎn)建立可靠的鏈路以有效傳遞數(shù)據(jù)，如路徑(S,A,D)、(S,B,D)、(S,A,C,D)等?？紤]到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜性，每條鏈路只通過(guò)一個(gè)輔助節(jié)點(diǎn)幫助傳輸。因此，選擇合適的輔助節(jié)點(diǎn)以獲得具有較好的可用帶寬、LET的最佳通信路徑，成為組建具有QoS保障路由協(xié)議的關(guān)鍵。

圖1 路由路徑與場(chǎng)景示意圖

2.1 有效帶寬

協(xié)作通信方式可有效降低系統(tǒng)中斷概率、增加分集增益和系統(tǒng)容量。研究表明，DF協(xié)作模式可以獲得比直接傳輸模式更高的帶寬[11]。如圖1所示，當(dāng)S、B、D在彼此的通信范圍內(nèi)，車輛B作為S、D間所選擇的輔助節(jié)點(diǎn)(Helper)，輔助節(jié)點(diǎn)組成的節(jié)點(diǎn)集記為H={H1,H2,…,Hn}。若通過(guò)解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)協(xié)作機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)作傳輸，即假設(shè)每幀通過(guò)兩個(gè)時(shí)隙傳輸：第一時(shí)隙中，源節(jié)點(diǎn)S廣播消息至節(jié)點(diǎn)H和D，稱為數(shù)據(jù)包的廣播階段(如鏈路eSB、eSD)；第二時(shí)隙中，節(jié)點(diǎn)H將收到的信息重新編碼后傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)D，稱為數(shù)據(jù)包的協(xié)作傳輸階段(如鏈路eBD)。雙時(shí)隙DF協(xié)作傳輸和直接傳輸?shù)男诺廊萘糠謩e為[12]：

Ccoop(S,H,D)=W×Icoop(S,H,D)

(1)

lb(1+SINRSD+SINRHD)}

(2)

Cdir(S,D)=W×lb(1+SINRSD)

(3)

(4)

式中：W為信號(hào)帶寬；N0為白噪聲；α為路徑損耗因子；dij為節(jié)點(diǎn)i與j之間的距離。

路徑P(S,D)的可用帶寬計(jì)算如下：

BP(S,D)=Ccoop(S,Hi,D)×ATF(S,Hi,D,R),

i∈F

(5)

式中：R為QoS路由請(qǐng)求；BP(S,D)為路徑P(S,D)的可用帶寬；Ccoop(S,Hi,D)為協(xié)作模式下將節(jié)點(diǎn)Hi作為輔助節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)逆溌積iD的信道容量；ATF(S,Hi,D,R)為相同條件下鏈路eiD的可用時(shí)隙(available time fraction，ATF)，其中節(jié)點(diǎn)Hi可以為空，表明對(duì)應(yīng)鏈路為直接傳輸模式。

2.2 鏈路連接可持續(xù)時(shí)間(LET)

(6)

假定從t0到t這段時(shí)間內(nèi)，車輛保持勻加速運(yùn)動(dòng)，則B與S、D與B間在時(shí)刻t的距離可表示為[13]：

dBS(t)=dB(t)-dS(t)=(vB(t0)-vS(t0))t+

0.5(aB(t0)-aS(t0))t2+d0

dDB(t)=dD(t)-dB(t)=(vD(t0)-vB(t0))t+

(7)

當(dāng)dBS(t)<0或dDB(t)<0，則表示車輛S超越B，或B超越D，此時(shí)B已沒(méi)必要作為輔助節(jié)點(diǎn)參與S與D之間的協(xié)作通信，eSB、eBD鏈路斷裂；當(dāng)dBS(t)>300或dDB(t)>300，則S與B或B與D之間因距離過(guò)遠(yuǎn)，超出彼此的通信范圍，導(dǎo)致eSB、eBD鏈路斷裂。因此，eSB、eBD鏈路的可用持續(xù)時(shí)間LETtBS、tDB分別為方程dBS(t)=300和dDB(t)=300的解，這里假設(shè)在時(shí)刻t時(shí)車輛B仍能作為車輛S和D的輔助節(jié)點(diǎn)參與通信。令ΔvBS=vB(t0)-vS(t0)，ΔvDB=vD(t0)-vB(t0)，ΔaBS=aB(t0)-aS(t0)，ΔaDB=aD(t0)-aB(t0)，則可得：

(8)

其解即為eSB、eBD鏈路的可用持續(xù)時(shí)間：

(9)

(10)

則可得車輛S與D之間協(xié)作通路的可持續(xù)時(shí)間為：

LET(S,B,D)=min{tBS,tDB}

(11)

2.3 協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇

采用協(xié)作方式來(lái)提高鏈路傳輸能力時(shí)，需要在多個(gè)節(jié)點(diǎn)中選擇最優(yōu)的輔助節(jié)點(diǎn)，在源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間建立一條通路。在筆者提出的協(xié)作式路由算法中，最優(yōu)輔助節(jié)點(diǎn)的選取基于以下3個(gè)條件：

(1)路徑P(S,D)的有效可用帶寬BP(S,D)滿足如下QoS約束條件：

BP(S,D)≥Bmin

(12)

(2)所選節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)屬同一個(gè)行駛方向，并在源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，這樣的節(jié)點(diǎn)稱為邏輯輔助節(jié)點(diǎn)。

(3)源節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與邏輯輔助節(jié)點(diǎn)可能形成的鏈路稱為邏輯鏈路，用LET(S,Hi,D)值的大小表示這條邏輯鏈路的可持續(xù)時(shí)間，Hi∈Log(S,D)。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)S和D的邏輯鏈路有LET(S,A,D)和LET(S,B,D)等。具有最長(zhǎng)的邏輯鏈路持續(xù)時(shí)間LET的節(jié)點(diǎn)成為輔助節(jié)點(diǎn)：

Hi∈Log(S,D) and max{LET(S,Hi,D)}

(13)

其中，Hi為節(jié)點(diǎn)S和D所選擇的輔助節(jié)點(diǎn)；{LET(S,Hi,D)}為節(jié)點(diǎn)S和D的邏輯鏈路的可持續(xù)時(shí)間。

依據(jù)上述原則選擇輔助節(jié)點(diǎn)，從邏輯鏈路中選用LET最長(zhǎng)的鏈路，構(gòu)成最穩(wěn)定的傳輸路徑。但是，具有最長(zhǎng)的LET并不一定具有最大的有效帶寬，即不一定具有最大的信道容量。具有最大信道容量的路由路徑可通過(guò)式(14)計(jì)算：

(14)

2.4 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在協(xié)作路由算法設(shè)計(jì)中，通常有集中式和分布式兩種方案。集中式方案雖可選出最優(yōu)協(xié)作式路由，但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的可行性卻很低，因此，筆者提出了分布式路由算法來(lái)解決協(xié)作式通信問(wèn)題。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)部署的實(shí)際情況，協(xié)作節(jié)點(diǎn)同時(shí)從源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)間選取。

基于QoS的VANETs分布式協(xié)作路由算法具體描述如下：

輸入：網(wǎng)絡(luò)G(V,E)，每條鏈路的SINR和ATF，路由請(qǐng)求R=(S,D,Bmin,LETmin)及相應(yīng)的帶寬和LET要求Bmin和LETmin。

輸出：協(xié)作路由路徑P(S,D)，發(fā)現(xiàn)路由帶寬BP(S,D)，鏈路可持續(xù)時(shí)間LET(S,D)。

(1)每個(gè)節(jié)點(diǎn)和一跳鄰居通過(guò)HELLO報(bào)文交換鏈路信息，HELLO報(bào)文幀格式如圖2所示，包括SINR和ATF；

(2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)以存儲(chǔ)相鄰鏈路的信息；

(3)源節(jié)點(diǎn)S檢查路由表中是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的可用路由。若有，則直接發(fā)送；若無(wú)，則廣播RREQ消息，RREQ消息幀格式如圖3所示；

(4)如果節(jié)點(diǎn)Hi收到節(jié)點(diǎn)S發(fā)送過(guò)來(lái)的RREQ消息。則判斷節(jié)點(diǎn)Hi是否在S相同方向上，若不在同一方向，則丟棄該消息；若在，則節(jié)點(diǎn)Hi計(jì)算從S到Hi的最大可用帶寬BP(S,Hi)；

(5)若存在P(S,Hi)使得BP(S,Hi)≥Bmin，則Hi根據(jù)式(9)計(jì)算LET(S,Hi)=tSHi，若LET(S,Hi)≥LETmin，則繼續(xù)廣播RREQ消息，否則S將Hi從可選輔助節(jié)點(diǎn)列表中移除；

圖2 HELLO報(bào)文幀格式

圖3 RREQ消息幀格式示意圖

(6)如果目的節(jié)點(diǎn)D收到多份RREQ滿足BP(Hi,D)≥Bmin、LET(S,Hi)≥LETmin，則根據(jù)式(10)計(jì)算LET(Hi,D)=tHiD；

(7)如果LET(Hi,D)≥LETmin，則根據(jù)式(11)計(jì)算LET(S,Hi,D)，再根據(jù)條件(3)計(jì)算LET(S,D)=max{LET(S,Hi,D)}，并選取具有最大LET的路徑作為最終路由，同時(shí)返回RREP消息，RREP消息幀格式如圖4所示；否則拒絕該路由請(qǐng)求；

圖4 RREP消息幀格式示意圖

(8)節(jié)點(diǎn)S收到RREP，邀請(qǐng)節(jié)點(diǎn)Hi加入路由，更新路由表。

可用時(shí)間信息ATF根據(jù)MAC協(xié)議通過(guò)CSMA機(jī)制周期性地監(jiān)聽(tīng)信道忙閑程度的歷史數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)值來(lái)計(jì)算，表示如下：

(15)

其中，信道忙的情況包括該節(jié)點(diǎn)及周圍鄰居在收、發(fā)數(shù)據(jù)的情況。

筆者參考了文獻(xiàn)[12]中新的HELLO報(bào)文幀格式，如圖2所示。報(bào)文攜帶了額外的鏈路信息：SINR和ATF，且只與一跳鄰居進(jìn)行交互，即TTL為1。

其中，報(bào)文攜帶了額外的鏈路信息，如SINR和ATF；HELLO報(bào)文只與一跳鄰居進(jìn)行交互，因此其TTL為1。

在當(dāng)前路由表中沒(méi)有滿足需求或?qū)?yīng)路由的路由時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)需要發(fā)起一個(gè)RREQ。發(fā)送RREQ后在Life time時(shí)間內(nèi)，若收到RREP，則表示路由發(fā)起成功；若在Life time內(nèi)沒(méi)有收到任何RREP，則發(fā)送一個(gè)路由失敗消息給高層。為發(fā)現(xiàn)滿足帶寬和鏈路可持續(xù)時(shí)間的路徑，筆者對(duì)AODV中的RREQ和RREP進(jìn)行了修改。在RREQ中增加了5個(gè)新的字段，在RREP中增加了一個(gè)新的字段。RREQ和RREP的幀格式分別如圖3和圖4所示。

在圖3中，RREQID為發(fā)送RREQ的節(jié)點(diǎn)序號(hào)；Speed、Location、Acceleration、Direction分別為節(jié)點(diǎn)在發(fā)送RREQ時(shí)的速度、位置、加速度和行駛方向；Life time為回復(fù)該RREQ的有效時(shí)間。節(jié)點(diǎn)S在一定時(shí)間Life time內(nèi)接收來(lái)自多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RREP消息；之后不再接收。這里L(fēng)ET表示上一跳鏈路的可持續(xù)時(shí)間，對(duì)于源節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其值為鏈路構(gòu)造初始值，設(shè)為0。這些信息隨著RREQ在每一跳節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)而更新。在圖4中，RREPID為發(fā)送RREP的節(jié)點(diǎn)序號(hào)；這里L(fēng)ET為已選擇的與發(fā)送RREQ節(jié)點(diǎn)所形成的鏈路的可持續(xù)時(shí)間。

3 仿真和性能分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

筆者通過(guò)QualNet 7.0對(duì)所提出的QoS跨層協(xié)作式路由協(xié)議的性能進(jìn)行評(píng)估，具體仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置如表1所示。為了更好地研究LETB-AODV算法的性能，筆者分別從丟包率(應(yīng)用層目的節(jié)點(diǎn)未成功接收的數(shù)據(jù)包與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包之比)、控制開(kāi)銷(在仿真時(shí)間內(nèi)，發(fā)送的路由控制報(bào)文總數(shù))和鏈路可持續(xù)時(shí)間LET進(jìn)行分析驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中采用LETB-AODV協(xié)議與AODV路由協(xié)議對(duì)性能進(jìn)行比較。

表1 仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)仿真主要用來(lái)驗(yàn)證車輛速度對(duì)QoS路由協(xié)議LETB-AODV的影響，仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 路由路徑可持續(xù)時(shí)間隨車輛速度變化情況

圖6 控制開(kāi)銷隨車輛速度變化情況

圖7 丟包率隨車輛速度變化情況

圖5描述了AODV和LETB-AODV兩種路由方案路徑可持續(xù)時(shí)間的變化情況。由此可知，隨著車輛行駛速度的增加，兩者的鏈路路徑LET都隨之縮短。這是因?yàn)檐囕v速度的增加，導(dǎo)致車距擴(kuò)大的機(jī)率提高，會(huì)使原本有效鏈路因斷裂而失效，從而引起整個(gè)路由路徑的斷裂，相應(yīng)地縮短了路徑的持續(xù)時(shí)間，這與之前的理論分析吻合。LETB-AODV路由協(xié)議基于這一原理，充分考慮了車輛移動(dòng)性，并選擇滿足帶寬需求且具有最大LET的鏈路組建路由路徑，提高路由路徑的穩(wěn)定性。由圖5可知，隨著車輛速度的增加，LETB-AODV路由協(xié)議所選擇的路由其鏈路的持續(xù)時(shí)間明顯高于AODV路由協(xié)議，提高幅度最低為3.16%(車輛速度為15 m/s)，最高可達(dá)40.9%(車輛速度為30 m/s)。

圖6描繪了控制開(kāi)銷隨車輛速度變化情況。通常節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，移動(dòng)速度越快，鏈路越容易發(fā)生斷裂，需要不斷重啟路由請(qǐng)求，導(dǎo)致控制報(bào)文擁堵，路由開(kāi)銷增大。從圖6可知，LETB-AODV路由協(xié)議的控制開(kāi)銷遠(yuǎn)小于AODV協(xié)議。這主要是因?yàn)長(zhǎng)ETB-AODV路由協(xié)議中輔助節(jié)點(diǎn)的選擇是從同一個(gè)方向的車輛中選取，且該協(xié)議有QoS保障機(jī)制，基于滿足QoS帶寬要求和最長(zhǎng)LET鏈路構(gòu)建路由，這些均降低路徑的斷裂率，路由請(qǐng)求的次數(shù)相應(yīng)減少，從而大大減少了控制開(kāi)銷，保證了其優(yōu)于AODV路由協(xié)議的路由開(kāi)銷性能。

圖7描述了丟包率隨車輛速度的變化情況?？梢钥闯?，LETB-AODV和AODV協(xié)議的丟包率均隨節(jié)點(diǎn)速度的增大而增大。這是因?yàn)檐囕v速度的增加，會(huì)使鏈路上節(jié)點(diǎn)因自身較快脫離鄰近節(jié)點(diǎn)的通信范圍而導(dǎo)致穩(wěn)定鏈路斷裂，丟包率上升。然而由于LETB-AODV協(xié)議的QoS保障機(jī)制，建立的多路徑路由穩(wěn)定性更高，丟包率隨著車輛速度的增大而上升得比較緩慢。該結(jié)果直觀地驗(yàn)證了LETB-AODV協(xié)議的有效性。

4 結(jié)論

筆者充分考慮VANETs網(wǎng)絡(luò)中車輛高速移動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓?、路徑的穩(wěn)定性差和運(yùn)行軌跡有限等屬性，提出一種適用于VANETs的QoS分布式協(xié)作路由算法(LETB-AODV算法)。該算法在AODV路由協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，選取鏈路連接失效時(shí)間(LET)和有效帶寬這兩個(gè)最重要的通信指標(biāo)作為服務(wù)質(zhì)量度量參數(shù)來(lái)建立雙重約束，進(jìn)行最優(yōu)路由路徑選擇。通過(guò)QualNet 7.0仿真模擬VANETs中傳統(tǒng)的AODV協(xié)議和LETB-AODV協(xié)議路由決策情況，驗(yàn)證了LETB-AODV相比AODV 更能夠有效地降低鏈路斷鏈率、丟包率和路由開(kāi)銷，從而提高通信鏈路的穩(wěn)定性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

[1] NAMBOODIRI V, GAO L. Prediction-based routing for vehicular ad hoc networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2007,56(4):2332-2345.

[2] 夏梓峻,劉春鳳,趙增華,等.基于鏈路預(yù)測(cè)的VANET路由算法[J].計(jì)算機(jī)工程,2012,38(4):110-114.

[3] WEDDE H F, LEHNHOFF S, BONN B V. Highly dynamic and scalable VANET routing for avoiding traffic congestions[C]∥Proc. of the 4th ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks. New York: ACM Press,2007:81-82.

[4] ABEDI O, FATHY M, TAGHILOO J. Enhancing aodv routing protocol using mobility parameters in vanet[C]∥Proc. of 2008 IEEE/ACS International Conference on Computer Systems and Applications. Washington: IEEE Computer Society,2008:229-235.

[5] PASSCOE-CHALKE M, GOMEZ J, RANGEL V, et al. Route duration modeling for mobile ad-hoc networks[J]. Wireless Networks,2010,16(3):743-757.

[6] EIZA M H, NI Q. A reliability-based routing scheme for vehicular ad hoc networks (VANETs) on highways[C]∥ Proc. of 2012 IEEE 11th International Conference on Trust, Security and Privacy in Computing and Communications (TrustCom). Liverpool :IEEE,2012:1578-1585.

[7] NIU Z Y, YAO W B, NI Q, et al. Dereq: a QoS routing algorithm for multimedia communications in vehicular ad hoc networks[C]∥Proc. of 2007 International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing. New York: ACM Press,2007:393-398.

[8] MANE U, KULKARNI S A. QoS realization for routing protocol on VANETs using combinatorial optimization[C]∥ Proc. of 2013 Fourth International Conference on Computing, Communications and Networking Technologies (ICCCNT). Tiruchengode:IEEE,2013:1-5.

[9] DING Z, LEUNG K K. Cross-layer routing using cooperative transmission in vehicular ad hoc networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2011,29(3):571-581.

[10] KATSAROS K, DIANATI M, TAFAZOLLI R, et al. CLWPR:a novel cross-layer optimized position based routing protocol for VANETs[C]∥ 2011 IEEE Vehicular Networking Conference (VNC). Amsterdam: IEEE,2011:139-146.

[11] ZHANG J, JIA J, ZHANG Q, et al. Implementation and evaluation of cooperative communication schemes in software-defined radio testbed[C]∥ 2010 Proceedings of IEEE INFOCOM.San Diego:IEEE,2010:1-9.

[12] 費(fèi)寧,馮偉,陳春玲,等.多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)作式路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)和性能分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2013, 30(9):2839-2842

[13] 徐會(huì)彬,夏超.車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中基于穩(wěn)定路徑的路由協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)工程,2013,39(12):60-64.

ZHENG Hongjiang:Doctorial Candidate; School of Information Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Distributed Cooperative Routing Algorithm Based on QoS in VANETs

ZHENGHongjiang,WANGHuixian,BAOJuan,CHENWei

In VANETs, high-speed mobility of vehicles always lead the network topology to change dynamically and communication link to fracture frequently, which severely damaged the reliability and stability of data transmission and greatly reduced the network performance. In this paper, a kind of distributed cooperative routing algorithm based on QoS (LETB-AODV routing algorithm) for VANETs was proposed. This protocol, extended from AODV routing protocol, used link expiration time (LET) and available bandwidth to establish the double constraints, and chose the maximum LET link as the optimal routing path of communication. The simulation results show that the performances of LETB-AODV protocol are better than AODV protocol in packet loss rate, routing overhead, LET, consequently demonstrating the enhancement of path-routing link stability and network reliability with distinct superiority.

cooperative communications; QoS routing; link expiration time (LET); available bandwidth; distributed algorithm

2015-03-30.

鄭洪江(1980-)，男，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院博士研究生.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51268051)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目 (2013AA122403).

2095-3852(2015)05-0542-06

A

TP393

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.004