衛(wèi)鵬偉++何加銘++曾興斌
1 引言
車載自組網(wǎng)[1](VANET,Vehicular Ad-Hoc Network)是一種特殊形式的移動自組網(wǎng)(MANET,Mobile Ad Hoc Networks),通過車輛裝載的無線通信設備,在車輛和車輛間、車輛與路邊基礎設施間有效地形成一種高動態(tài)的網(wǎng)絡系統(tǒng)。
VANET具有節(jié)點移動速度快且分布不均勻、無線鏈路不穩(wěn)定、網(wǎng)絡拓撲變化頻繁等特點。根據(jù)文獻[2-4]可知,由車載網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)策略的不同,可以將車載網(wǎng)路由協(xié)議分為基于拓撲的路由協(xié)議(TBR)、基于地理位置的路由協(xié)議(PBR)以及分級路由協(xié)議(HRP)?;诜旨壍穆酚蓞f(xié)議可以將整個無中心控制的高動態(tài)網(wǎng)絡轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€受中心控制的高動態(tài)網(wǎng)絡,能夠有效地增強網(wǎng)絡管理性,降低路由開銷;但在分級路由協(xié)議,高速移動車輛節(jié)點的簇結(jié)構(gòu)比較不穩(wěn)定,需要頻繁地進行簇結(jié)構(gòu)的維護,而這樣容易造成節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸受到嚴重影響。
針對上述分層路由協(xié)議存在的問題,并結(jié)合文獻[5-7]的觀點,本文提出了一種基于車輛運動方向和地理位置的穩(wěn)定的分簇路由協(xié)議(SCR)。SCR協(xié)議繼承了基于地理位置的路由協(xié)議和分級路由協(xié)議的優(yōu)點,通過改善成簇算法,增強了簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;利用相對速度理論,結(jié)合車輛位置服務系統(tǒng),將車輛通過速度和方向估算聚集成簇,進而有效地提高整體網(wǎng)絡的性能。通過分析文獻[8]中路由策略的可行性,發(fā)現(xiàn)其在一定道路條件受限,通過改進其路由算法,有效地解決了岔路口路由冗余問題,使得SCR更好地適應于VANET。
2 SCR協(xié)議
假設條件:
a:車輛均裝載GPS設備,可以隨時準確地知道自己的地理位置坐標;
b:車輛均可快速地通過速度儀表確定當前行駛速度;
c:車輛均裝載全向無線傳輸設備,可接受任何方向信號;
d:車輛通信半徑為R。
整個SCR協(xié)議由成簇路由協(xié)議和路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議這2部分構(gòu)成,下面將對各部分進行具體論述。
2.1 成簇路由協(xié)議
在SCR協(xié)議中,節(jié)點包括:簇頭節(jié)點、輔簇頭節(jié)點、簇成員節(jié)點和網(wǎng)關。簇頭的職責在于對簇內(nèi)成員的管理、簇間路由的維護以及簇間數(shù)據(jù)的傳輸;輔簇頭是簇內(nèi)的備用簇頭節(jié)點,在簇頭有效期內(nèi)發(fā)生突變或離簇時,主動廣播自身節(jié)點成為簇頭;簇成員負責簇內(nèi)路由的維護;不同簇的相交節(jié)點形成網(wǎng)關,實現(xiàn)簇間互連及通信。
SCR的成簇路由協(xié)議具有2項工作:簇的構(gòu)建和簇的維護。簇的構(gòu)建主要負責簇頭、簇成員、網(wǎng)關的確定和簇的形成;簇的維護工作主要負責簇成員的入簇和離簇、簇頭突變時輔簇頭的選取建立以及簇內(nèi)成員節(jié)點信息的管理。
(1)簇的構(gòu)建
在道路環(huán)境下,為了提高簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,根據(jù)車輛節(jié)點的位置信息、行駛方向及速度將車輛節(jié)點分離聚合成多個簇。成簇模型如圖1所示:
圖1 成簇模型
由圖1可知,道路車輛節(jié)點被分隔為多個簇,簇內(nèi)節(jié)點數(shù)量受限于車輛地理位置及行駛速度。
在SCR協(xié)議中,臨時簇頭通過節(jié)點權值大小選擇,節(jié)點通過周期廣播節(jié)點信息得到鄰居節(jié)點狀態(tài)信息,若節(jié)點自身行駛速度趨于最接近鄰居車輛節(jié)點的平均速度,則確認自己成為臨時簇頭;若同時存在多個相同狀態(tài)的節(jié)點,則最靠近鄰居車輛中心位置的車輛成為臨時簇頭(標記為CH0)。節(jié)點權值計算公式如下:
(1)
其中,vmax為車道車輛最大限速;vi為此節(jié)點速度;vj為鄰居節(jié)點速度;Ni為鄰居節(jié)點數(shù)量。
(2)簇頭的選舉與維護
選擇盡量遠離前進方向的岔路口節(jié)點作為簇頭的節(jié)點,避免簇頭的岔路口轉(zhuǎn)向造成簇的重組。整個選舉過程如下:
1)臨時簇頭CH0向鄰居節(jié)點廣播Lead0(c,loc,D,V,
)數(shù)據(jù)包,其中c表示簇標號,loc表示地理位置坐標,D表示行駛方向,V表示速度值,表示鄰居節(jié)點平均速度。
2)時間t0內(nèi)如果CH0收到來自其它鄰居節(jié)點B的Reply(loc,D,V)數(shù)據(jù)包,則表示節(jié)點B更適合成為簇頭,CH0自動放棄簇頭競選,并記錄B信息到簇頭路由表中;否則,CH0向全網(wǎng)廣播自己成為簇頭CH,向全網(wǎng)廣播Lead(c,loc,D,V)數(shù)據(jù)包,此時簇頭的同向鄰居節(jié)點依據(jù)自身運動狀態(tài)加入到簇內(nèi)成為簇成員,簇頭通過簇成員協(xié)調(diào)獲取鄰簇頭信息并記錄于簇頭路由表中。
3)某節(jié)點A長時間未收到Lead數(shù)據(jù)包或Lead0數(shù)據(jù)包,則它向全網(wǎng)廣播Apply(locA,D,V)消息,時間t內(nèi)如果收到任何簇頭CH的相應信息Lead(c,loc,D,V),則節(jié)點A加入到CH中,并將簇頭信息記錄路由表中;否則,它考慮自己成為臨簇頭,重復步驟1)。
4)當簇頭CH離開時,如果此時路段為非交叉路段,它將通過查詢路由表獲取式(1)中權值最優(yōu)節(jié)點ECH(輔簇頭),向ECH發(fā)送路由表信息,并向全網(wǎng)廣播Leave0(c,loc,D,V)消息。ECH收到消息后代替CH地位自動成為簇頭,并將收到的路由信息記錄自己路由表中;簇成員收到Leave0消息后自動更新路由信息,標記ECH為簇頭。如果此路段為交叉路段,則簇頭CH將直接廣播Leave(c,loc)信息,簇內(nèi)節(jié)點收到消息后直接進行簇的重建。
簇頭選舉結(jié)束后,每個簇頭均擁有自己所處簇信息、簇成員信息以及鄰居簇頭信息,簇成員節(jié)點記憶所屬簇信息及該簇內(nèi)簇頭信息。
2.2 路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議
如果源節(jié)點S需要發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點D,S首先通過路由表查詢確認D是否為自己臨節(jié)點,如果是則S直接發(fā)送數(shù)據(jù)包到D;否則,S向自身所在簇內(nèi)簇頭詢問節(jié)點D是否為簇內(nèi)成員,如果是則通過簇頭轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到D;否則,S進行簇間路由發(fā)現(xiàn)過程,發(fā)送RREQ請求數(shù)據(jù)包到簇頭,簇頭根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包方向定義方向矢量DSD,并根據(jù)DSD選擇最優(yōu)鄰簇頭,進行簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。endprint
在簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段,為避免受道路周邊建筑影響在路由選擇中發(fā)生路由環(huán)路和路由冗余現(xiàn)象,簇首首先檢查自己的地理位置,如果位于岔路口,則通過改進的受限貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法進行下一跳鄰簇頭的選擇;否則,節(jié)點將根據(jù)矢量方向通過貪婪算法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。當下一跳簇頭接收到數(shù)據(jù)包后,檢查D是否為簇內(nèi)節(jié)點,如果是則直接將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到D;否則,簇頭將數(shù)據(jù)包存儲路由中,并重復上述步驟尋找下一跳路由,直到TTL(路由轉(zhuǎn)發(fā)有效時間)為0時丟棄。
在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中,由于車輛節(jié)點的高速運動,造成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點所處地理位置時,目的節(jié)點可能已經(jīng)離開源節(jié)點獲取的原有地理位置。假設目的節(jié)點前向簇頭節(jié)點(即路由最后一跳發(fā)起者)為a,此時a根據(jù)目的節(jié)點的移動方向,進行不大于2跳的小范圍洪泛。通過此方法,可使數(shù)據(jù)包有效地發(fā)送至目的節(jié)點。
為了降低路由開銷,減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所需時間,下一跳鄰簇頭的選擇十分重要,可利用路段場景和交叉路口場景下的不同特點,結(jié)合矢量DSD,通過分析貪婪算法,對貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法進行改進。具體如下:
(1)傳統(tǒng)的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法
傳統(tǒng)的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法在一定場景模式下,容易造成路由路徑的冗余[8-9],如圖2所示。假設圖中節(jié)點均代表各個簇頭節(jié)點,當簇間信息轉(zhuǎn)發(fā)時,節(jié)點u需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點d。由貪婪算法可得,節(jié)點u將選擇距離d較近的1a作為下一跳,之后1a又轉(zhuǎn)發(fā)給b,此時出現(xiàn)局部最優(yōu)現(xiàn)象,b發(fā)現(xiàn)相對鄰簇頭其距離目的節(jié)點更近,此時轉(zhuǎn)發(fā)模式轉(zhuǎn)換為周邊轉(zhuǎn)發(fā),選擇節(jié)點2a作為下一跳,再次通過貪婪算法選擇節(jié)點c,最后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點d。如果源節(jié)點u直接選擇2a作為下一跳,將避免后續(xù)的冗余路由。
(2)改進的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法
新協(xié)議中提出了一種受限的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法,路段場景下仍采用傳統(tǒng)的貪婪算法,而岔路口場景下節(jié)點優(yōu)先選擇岔路中位置節(jié)點作為下一跳,然后此節(jié)點優(yōu)先決定路由轉(zhuǎn)發(fā)的路段方向,再在此方向路段尋找最優(yōu)下一跳節(jié)點。
下一跳節(jié)點收到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,首先判斷其與目的節(jié)點的地理位置,若處于同一方向路段,則進行貪婪轉(zhuǎn)發(fā),不再刻意選擇岔路口節(jié)點,如圖3(a)所示。假設圖中節(jié)點均代表簇頭節(jié)點,簇頭u向目的簇頭d轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,u根據(jù)位置服務可知其與d位于同一方向路段,此時直接跳過岔路口節(jié)點進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā),通過貪婪轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包至節(jié)點a,直到目的簇頭節(jié)點d收到信息;否則,優(yōu)先將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到岔路中節(jié)點,在此節(jié)點先進行支路方向選擇,再選擇下一跳路由。
在岔路口路由選擇時,考慮到車輛運動軌跡受限、行駛速度快、運動狀態(tài)可預判等因素,因此將方向作為路由選擇條件來降低路由跳數(shù),實際場景如圖3(b)所示。假設圖中節(jié)點均代表簇頭節(jié)點,簇頭u向目的簇頭d轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,u通過判斷發(fā)現(xiàn)與d不在同一方向路段,其簇頭路由表中存在a1、a2等節(jié)點,而a1為岔路口節(jié)點,此時即使a2距離目的簇頭節(jié)點更近,也不選擇其作為下一跳,而選擇岔路口節(jié)點a1作為下一跳,此時a1通過與目的節(jié)點坐標結(jié)合,在不同岔路方向映射節(jié)點a1和a1,通過位置服務判斷與d方向路段一致或距離更近的映射節(jié)點岔路方向為最優(yōu)路段,再通過貪婪算法在此路段進行下一跳節(jié)點選擇,重復上述步驟直到數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至d。
新協(xié)議的完整路由策略是:當數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至岔路口節(jié)點時,先檢查目的節(jié)點是否存在其鄰居表內(nèi),如果存在則直接轉(zhuǎn)發(fā)目的節(jié)點;否則,判斷目標節(jié)點是否與自己處于同一方向路段,如果處于同一方向路段,則直接通過貪婪轉(zhuǎn)發(fā)尋找距離目的節(jié)點最近節(jié)點作為下一跳;如果通過位置服務判斷自身節(jié)點與目的節(jié)點不在同一路段,則優(yōu)先將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給岔路中節(jié)點,通過岔路中節(jié)點與目的節(jié)點的地理位置信息,在不同岔路口方向進行基于目的節(jié)點的節(jié)點位置映射,優(yōu)先選擇映射節(jié)點與目的節(jié)點在同一方向路段或距離最近的路段作為最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)支路,然后在此支路方向選擇適當?shù)南乱惶酚?,重復上述步驟直到數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點。當進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點在其通信范圍內(nèi)找不到合適下一跳節(jié)點時,暫時緩存數(shù)據(jù)分組,發(fā)現(xiàn)合適下一跳節(jié)點后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。這一策略不同于其它路由策略,在岔路口必須優(yōu)先進行最優(yōu)支路選擇,再進行最近節(jié)點選擇,這樣可有效地避免路由冗余,縮短路由跳數(shù),提高路由效率。
(a)直線路段轉(zhuǎn)發(fā)模式 (b)交叉路段轉(zhuǎn)發(fā)模式
圖3 SCR路由轉(zhuǎn)發(fā)模式
3 仿真結(jié)果及分析
3.1 仿真環(huán)境
該仿真由仿真軟件VanetMobiSim[10]和NS-2.35[11]組成,在4條縱橫交錯道路場景下進行,大小為2 400m*2 400m,各道路中車輛節(jié)點隨機分布,節(jié)點通信半徑為250m。
3.2 仿真結(jié)果分析
為了觀察SCR路由協(xié)議的性能,本仿真通過與AODV[12]、GPRS[13-14]這2種典型的車載網(wǎng)路由協(xié)議進行對比分析。為了評估SCR路由策略對車輛節(jié)點密度的適應性,在仿真場景分別設置30~80個節(jié)點進行仿真。同樣地,為了評估SCR路由策略對節(jié)點運行速度的適應性,節(jié)點速度選取20~50m/s。所有實驗數(shù)據(jù)以10次重復仿真測試后的平均值為準。
圖4展現(xiàn)了節(jié)點數(shù)量變化和網(wǎng)絡的分組投遞率的關系。節(jié)點數(shù)量的增加導致路由控制信息的大幅增加,這勢必造成大量數(shù)據(jù)分組因超時遭到丟棄,從而影響整個網(wǎng)絡的分組投遞率。在AODV協(xié)議中,受到節(jié)點周期的路由維護修復策略,一定程度可使得分組投遞率提高,但同時也造成網(wǎng)絡開銷的加劇。在GPSR協(xié)議中,由于路由選擇過程并不考慮路徑連通性,且在岔路口容易造成環(huán)路現(xiàn)象,所以分組投遞率較低。在SCR協(xié)議中,由于岔路口路由選擇會優(yōu)先進行最佳方向路段選擇,再選取下一跳節(jié)點,且節(jié)點的數(shù)據(jù)暫存有效解決了網(wǎng)絡局部優(yōu)化帶來的問題,所以SCR協(xié)議的網(wǎng)絡分組投遞率相對其它2種路由協(xié)議有較好的效果。
圖4 節(jié)點的分組投遞率(v=30m/s)
圖5展現(xiàn)了節(jié)點速度變化與網(wǎng)絡的分組投遞率的關系。AODV協(xié)議通過修復和重新建立路由,一定程度可使得分組投遞率得到提升。GPSR協(xié)議的路由策略由貪婪算法、邊界轉(zhuǎn)發(fā)模式來傳輸數(shù)據(jù)分組,不完善的路由策略使得傳輸路徑斷裂狀況下,數(shù)據(jù)分組頻繁被拋棄,導致網(wǎng)絡分組投遞率下降。SCR協(xié)議岔路口路段方向預測和局部優(yōu)化時的數(shù)據(jù)暫存策略,增強了網(wǎng)絡連通性,提升了分組投遞率。endprint
圖5 50個節(jié)點分組投遞率
圖6展現(xiàn)了節(jié)點數(shù)量變化對網(wǎng)絡的平均時延的影響。當節(jié)點數(shù)量較小時,網(wǎng)絡鏈路容易斷鏈,導致數(shù)據(jù)延時較高;當節(jié)點數(shù)量較多時,路由控制信息的大幅增加影響數(shù)據(jù)傳輸效率,致使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延增加。AODV協(xié)議中,需要進行路由發(fā)現(xiàn)和路由維護工作,確認路徑后才進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),導致網(wǎng)絡的平均延時較高。GPSR路由協(xié)議與SCR路由協(xié)議中,節(jié)點只需要根據(jù)鄰節(jié)點和目的節(jié)點位置信息進行路由決策,邊發(fā)現(xiàn)邊轉(zhuǎn)發(fā)的路由策略可有效降低網(wǎng)絡時延。但是在岔路口路段,GPSR協(xié)議容易造成路由冗余,而SCR協(xié)議優(yōu)先進行方向路段選擇,再進行路由下一跳選擇,降低了路由冗余現(xiàn)象的發(fā)生概率,所以SCR路由性能更好。
圖6 平均延時
圖7展現(xiàn)了路由跳數(shù)隨著傳輸距離增加的變化情況。在傳輸距離較短時,由于SCR基于簇頭進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),不同簇間需要經(jīng)過簇頭傳輸后才能到達,路由跳數(shù)相對其它2種協(xié)議較高。當傳輸距離增加時,3種路由協(xié)議的路由跳數(shù)均相應增加。隨著傳輸距離的增加,GPSR協(xié)議在岔路口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時容易造成路由冗余,導致路由跳數(shù)大幅增加。SCR協(xié)議通過新的路由策略降低了路由冗余,使得路由跳數(shù)相應降低。AODV協(xié)議中,在數(shù)據(jù)傳輸時才進行路由發(fā)現(xiàn),并將第一條響應鏈路作為數(shù)據(jù)傳輸路徑來保證路由跳數(shù)最少,所以平均路由跳數(shù)較少。
圖7 平均路由跳數(shù)
4 結(jié)束語
本文通過分析VANET一些典型路由協(xié)議存在的問題,結(jié)合城市道路特點,提出了一種新的適用于城市道路車載網(wǎng)的穩(wěn)定分簇路由策略SCR。SCR協(xié)議通過節(jié)點的運動特征進行分簇,并通過提出的輔簇頭設計理念,避免簇頭在有效期內(nèi)離簇后簇重組帶來的數(shù)據(jù)傳輸問題。根據(jù)節(jié)點的地理位置服務信息和運動可預測性,提出了一種適用于車載網(wǎng)中岔路口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路由策略。通過實驗仿真表明,SCR協(xié)議可使得簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到增強,局部優(yōu)化現(xiàn)象帶來的路由冗余問題得到有效減少,端到端平均時延得到降低,分組投遞率得到提升,并有效地控制了路由跳數(shù),能較好地適應VANET,尤其適用于城市場景中岔路口較多的道路環(huán)境。
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