基于混合信息和冗余傳輸?shù)腣ANETs路由協(xié)議

宋 亮, 韓江洪,2, 劉征宇

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于混合信息和冗余傳輸?shù)腣ANETs路由協(xié)議

宋 亮1, 韓江洪1,2, 劉征宇2,3

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化和無(wú)線(xiàn)鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定,這為車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicular ad-hoc networks,VANETs)路由協(xié)議的研究帶來(lái)挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),文章提出了基于混合信息和冗余傳輸?shù)腣ANETs路由協(xié)議。針對(duì)城市環(huán)境下道路的特點(diǎn)抽象出一個(gè)以交叉路口為頂點(diǎn),以路段為邊的無(wú)向圖,并依托部署在路口的固定節(jié)點(diǎn)收集交通和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)信息為每條邊賦予權(quán)值,然后運(yùn)用Dijkstra算法計(jì)算任意2個(gè)交叉路口間的最短路徑;針對(duì)路段內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸,綜合考慮距離、速度和鏈路可靠性等因素來(lái)選擇下一跳節(jié)點(diǎn),并通過(guò)冗余傳輸技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比現(xiàn)有協(xié)議,驗(yàn)證了該路由協(xié)議在性能上的優(yōu)越性。

車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)(VANETs);城市環(huán)境;混合信息;鏈路可靠性;冗余傳輸

車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicular ad-hoc networks,VANETs)是自組織網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域,是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(mobile ad hoc networks,MANETs)的一種新應(yīng)用形態(tài)[1]。VANETs可以實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、車(chē)與路基設(shè)備的信息交換,其典型應(yīng)用包括行駛安全、交通優(yōu)化和車(chē)載娛樂(lè)[2-3]。VANETs主要研究方向包括可靠路由協(xié)議機(jī)制、MAC層協(xié)議及機(jī)制、隱私和安全保護(hù)機(jī)制以及位置驗(yàn)證等[4-5]。

在VANETs中,尤其在城市環(huán)境下,用戶(hù)可能會(huì)查詢(xún)特定區(qū)域內(nèi)的交通情況或數(shù)公里外的信息(加油站、飯店等),或者將感應(yīng)到的信息發(fā)送到數(shù)公里外的匯聚節(jié)點(diǎn),未來(lái)在VANETs中通過(guò)P2P共享音頻、視頻數(shù)據(jù)也是可預(yù)見(jiàn)的需求。這些應(yīng)用的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)多跳的方式在大范圍車(chē)輛間傳遞，因此需要適用于大規(guī)模VANETs的車(chē)與車(chē)間的多跳路由協(xié)議。相比于高速公路環(huán)境,城市環(huán)境由于車(chē)輛多、道路復(fù)雜和數(shù)據(jù)傳輸需求多的原因,其路由協(xié)議是人們研究的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議[6-8]無(wú)法解決路由建立的開(kāi)銷(xiāo)大、時(shí)間延遲無(wú)法忍受等缺陷,效果并不理想。而基于位置的路由協(xié)議是通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地理位置來(lái)選擇下一跳節(jié)點(diǎn),不需要維護(hù)路由表或保存路徑,因此受到研究者的關(guān)注。其中比較著名的是貪婪周邊無(wú)狀態(tài)路由協(xié)議(greedy perimeter stateless routing,GPSR)。GPSR采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和周邊轉(zhuǎn)發(fā)2種模式。相比于基于拓?fù)涞穆酚?GPSR協(xié)議在高速公路場(chǎng)景下取得了不錯(cuò)的效果。但是在城市環(huán)境下,由于建筑物和路口的存在,GPSR的性能受到限制,文獻(xiàn)[9]說(shuō)明了GPSR協(xié)議并不適合城市場(chǎng)景;文獻(xiàn)[10]提出的GPCR協(xié)議和文獻(xiàn)[11]提出的GpsrJ+協(xié)議對(duì)GPSR進(jìn)行了改進(jìn),但并沒(méi)有充分考慮到城市環(huán)境的道路特點(diǎn)。由于城市道路能夠以路段為邊、路口為頂點(diǎn)天然形成一張無(wú)向圖,地理源路由(geographic source routing,GSR)[12]可以根據(jù)這張圖和地理信息,利用Dijkstra算法計(jì)算出到目的地的最短路徑,再采用貪婪策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。然而當(dāng)交通密度很低時(shí),則沒(méi)有足夠的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此很多研究[13-15]是利用交通信息設(shè)計(jì)路由協(xié)議的。其中比較典型的是GyTAR路由協(xié)議[14],其通過(guò)平衡車(chē)輛流量和目的節(jié)點(diǎn)的距離來(lái)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)路口，數(shù)據(jù)到達(dá)路口節(jié)點(diǎn)后,當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)得分公式計(jì)算相鄰路口的得分,得分高者作為下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)路口。文獻(xiàn)[15]提出車(chē)輛輔助數(shù)據(jù)傳輸(vehicle-assisted data delivery，VADD)路由協(xié)議,根據(jù)預(yù)載入的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)選擇車(chē)輛密度盡可能大的路徑傳遞消息;顯然,如果有路段出現(xiàn)突發(fā)事件導(dǎo)致其車(chē)輛密度與歷史統(tǒng)計(jì)情況有明顯變化,VADD就不能相應(yīng)地作調(diào)整。文獻(xiàn)[16]提出了STAR路由協(xié)議,考慮了交通信號(hào)燈對(duì)路由協(xié)議的影響。

綜上所述,對(duì)于城市場(chǎng)景下的VANETs路由協(xié)議,基于街道自然形成的道路拓?fù)湟话憧梢苑譃槁范芜x擇和路段轉(zhuǎn)發(fā)2個(gè)部分。很多研究者對(duì)數(shù)據(jù)包到達(dá)路口后如何選擇下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)路段進(jìn)行了研究,有基于距離的、有基于信號(hào)燈的、有基于車(chē)流密度的等，但對(duì)于某個(gè)路段的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并沒(méi)有進(jìn)行考慮。而對(duì)于路段轉(zhuǎn)發(fā),大部分研究者沿用簡(jiǎn)單的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略,也有研究者進(jìn)行了簡(jiǎn)單改進(jìn)。而數(shù)據(jù)包在路段中轉(zhuǎn)發(fā)十分重要,否則由于重傳造成的延時(shí)十分嚴(yán)重。

因此,本文針對(duì)路段內(nèi)可靠傳輸和路段選擇問(wèn)題,提出一個(gè)適用于城市環(huán)境的基于混合信息和冗余傳輸?shù)穆酚蓞f(xié)議(a hybrid information and redundant transmission based routing protocol for VANETs,HIRTP)。該協(xié)議根據(jù)部署在交叉路口的固定節(jié)點(diǎn)收集到的交通和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)信息,計(jì)算出到目的地的最短路徑,并依此路徑沿著道路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);在路段內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中綜合考慮車(chē)速和無(wú)線(xiàn)信道的質(zhì)量來(lái)選擇下一跳節(jié)點(diǎn),并利用冗余傳輸技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸成功率。

1 HIRTP路由協(xié)議描述

1.1 假設(shè)條件

本文的研究工作基于以下幾點(diǎn)假設(shè):

(1) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備有GPS設(shè)備,能夠獲取自身的位置信息和同步的時(shí)鐘信號(hào)。

(2) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備具有電子地圖的導(dǎo)航系統(tǒng),從而能夠獲取相關(guān)的街道信息,即街道ID和長(zhǎng)度、交叉路口ID和位置以及整個(gè)區(qū)域的道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。即使部分車(chē)輛沒(méi)有導(dǎo)航系統(tǒng),可以向周?chē)?chē)輛或固定節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求城市街道的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

(3) 交叉路口裝有固定節(jié)點(diǎn)用于交通和網(wǎng)絡(luò)信息的收集。這種假設(shè)有一定的道理,隨著智能交通的發(fā)展,智能化的交通信號(hào)燈成為可能,可以將固定節(jié)點(diǎn)的功能集成到交通信號(hào)燈中。

(4) 源節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)前可以通過(guò)位置服務(wù)獲取目的節(jié)點(diǎn)的位置信息。

(5) 通過(guò)在1跳鄰居范圍內(nèi)周期性地廣播HELLO消息,可以獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的位置、速度、移動(dòng)方向、所在路段等信息。

1.2 鏈路可靠性預(yù)測(cè)

根據(jù)文獻(xiàn)[17],車(chē)輛的速度服從正態(tài)分布。用h(v)表示車(chē)速v的概率密度函數(shù),H(v)表示概率分布函數(shù),則有:

(1)

(2)

其中,μ為車(chē)速的期望值;σ2為車(chē)速的方差。2輛車(chē)之間的速度差為Δv=vi-vj(i、j分別表示車(chē)輛i、車(chē)輛j)。因?yàn)関i和vj服從正態(tài)分布,所以Δv也服從正態(tài)分布。為了方便討論，Δv取正值(下文中Δv表示|Δv|),因此概率密度函數(shù)要乘以2。2輛車(chē)之間的相對(duì)距離dij可以用相對(duì)速度Δv和時(shí)間t表示,即dij=Δvt,從而Δv=dij/t。用R表示車(chē)輛節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通信范圍,則2輛車(chē)保持通信的最大距離為2R,即2輛車(chē)的相對(duì)距離從-R到R進(jìn)行變化。用f(T)表示車(chē)輛能夠持續(xù)通信時(shí)間T的概率密度函數(shù),可得:

T≥0

(3)

給出車(chē)輛i、j間鏈路持續(xù)有效時(shí)間Tp的預(yù)測(cè)公式,即

(4)

其中,Lij為車(chē)輛i和j之間的距離;(xi,yi)和(xj,yj)分別為車(chē)輛i和j的位置坐標(biāo);θ為:

(5)

在時(shí)刻t,通過(guò)對(duì)f(T)從t到t+Tp求積分,可以得到一個(gè)概率值,用其表示車(chē)輛i和j間鏈路的可靠性lr(i,j),其計(jì)算公式如下:

(6)

1.3 可靠路段轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議

在一條直路上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí),即路段轉(zhuǎn)發(fā)模式下,通常的機(jī)制是傳輸范圍內(nèi)最遠(yuǎn)的車(chē)輛(離交叉路口最近的車(chē)輛)為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),即貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式。在該模式下,源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由跳數(shù)最小,從而一跳傳輸距離也最遠(yuǎn)。

通常來(lái)說(shuō),隨著傳輸距離的增加傳輸損耗也會(huì)增加,無(wú)線(xiàn)鏈路的質(zhì)量會(huì)降低。而且在VANETs環(huán)境下由于車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng),傳輸損耗和鏈路質(zhì)量降低會(huì)更加明顯,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失和傳輸時(shí)延增加。因此,本文提出如下2點(diǎn)改進(jìn):① 在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)不僅考慮距離因素,還綜合考慮車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的速度和無(wú)線(xiàn)鏈路質(zhì)量;② 選擇2個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn),通過(guò)冗余提高傳輸成功率。

首先討論選擇下一跳節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。車(chē)輛節(jié)點(diǎn)將其通信范圍劃分成N段,每一段給定一個(gè)權(quán)重因子ω,由遠(yuǎn)到近分別為1/N，2/N，3/N，…，l。N的確定方法為:根據(jù)城市道路最高限速vlimit(一般為50 km/h)和HELLO消息的間隔時(shí)間Ts,即由2vlimitTs確定每一段的大致距離,然后由R/(2vlimitTs)確定N的值。劃分好段后,車(chē)輛節(jié)點(diǎn)依據(jù)如下公式計(jì)算每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的得分,即

score(j)=-ω[lblr(i,j)+lbPS(i,j)]

(7)

其中,i為當(dāng)前車(chē)輛節(jié)點(diǎn);j為i的某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn);lr(i,j)由(6)式計(jì)算得到;PS(i,j)的定義如下:

PS(i,j)=(1-pf)(1-pr)

(8)

其中,pf為i到j(luò)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)腻e(cuò)誤率;pr為反向鏈路的錯(cuò)誤率。pf可由鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)HELLO消息通報(bào),pr由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)測(cè)得，PS(i,j)體現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)鏈路的質(zhì)量。

與空白組比較，模型組和各給藥組大鼠血清中IL-1β、TNF-α水平均顯著升高，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。與模型組比較，各給藥組大鼠血清中IL-1β、TNF-α水平均顯著下降，且八角楓水提液高劑量組大鼠血清中IL-1β水平顯著低于陽(yáng)性組，陽(yáng)性組和八角楓水提液高劑量組大鼠血清中TNF-α水平均顯著低于其低、中劑量組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；其余各給藥組組間比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），詳見(jiàn)表4。

由(7)式可知,得分最低的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該被選為下一跳節(jié)點(diǎn)。

基于冗余的傳輸機(jī)制如圖1所示。

當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選中其鄰居節(jié)點(diǎn)中2個(gè)得分最低的節(jié)點(diǎn)作為下一跳的2個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)包中指定2個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的ID,并依據(jù)得分確定優(yōu)先級(jí)。當(dāng)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后,若數(shù)據(jù)包中優(yōu)先級(jí)高的ID和自身ID相等則立即轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包(見(jiàn)圖1a);若優(yōu)先級(jí)低的ID和自身ID相等,則確定一個(gè)退避時(shí)間Tw，在退避時(shí)間Tw內(nèi)若監(jiān)聽(tīng)到相同數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā),則丟棄該數(shù)據(jù)包,否則在Tw時(shí)間后由該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包(見(jiàn)圖1b)。Tw的計(jì)算公式為:

Tw=(1+β)S/B

(9)

其中,S為數(shù)據(jù)包的大小;B為有效帶寬;β為0～1的一個(gè)隨機(jī)數(shù)。

圖1 基于冗余的傳輸機(jī)制

1.4 路段選擇協(xié)議

在城市環(huán)境下,VANETs路由協(xié)議有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題要解決,那就是擁有數(shù)據(jù)包的車(chē)輛到達(dá)路口后應(yīng)該選擇哪一個(gè)路段進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),即路段選擇策略問(wèn)題。最簡(jiǎn)單的策略是選擇長(zhǎng)度最短的路段。但不同路段的車(chē)流密度不同,部分路段可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割現(xiàn)象。尋找到目的地的路由路徑如圖2所示,車(chē)輛S要向車(chē)輛D傳輸數(shù)據(jù),依據(jù)最短路段策略選擇路段1轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。顯然路段1由于車(chē)流密度較低,出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致傳輸延時(shí)極大增加。如果經(jīng)由S→2→3→4→D傳輸就不會(huì)有那么大的延時(shí),因此獲取路段的車(chē)流密度等信息十分重要。

圖2 尋找到目的地的路由路徑

僅考慮車(chē)流密度會(huì)造成部分路段網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)重,因此本文綜合考慮車(chē)流密度和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。本文通過(guò)部署在交叉路口的固定節(jié)點(diǎn)(stationary node,SN)對(duì)道路的車(chē)輛密度和網(wǎng)絡(luò)延遲信息進(jìn)行收集。SN將其每個(gè)相鄰路段劃分成不同區(qū)域,劃分方法為:

(9)

其中,L為路段的長(zhǎng)度;R為車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信范圍;XS為路段劃分成的區(qū)域數(shù)。SN周期性向相鄰路口發(fā)送交通信息探測(cè)包(traffic information probe packet,TPP),在TPP中記錄其初始化的時(shí)間。TPP在傳輸過(guò)程中盡量傳遞到每個(gè)區(qū)域的中心。一旦車(chē)輛節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己是離當(dāng)前區(qū)域中心最近節(jié)點(diǎn)時(shí),就將其鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)記錄在TPP包中(包括自身)。以此策略一直傳輸?shù)较噜徛房诘腟N,并記錄TPP包到達(dá)的時(shí)間。收到TPP包的SN為相應(yīng)的路段計(jì)算車(chē)流密度和傳輸延時(shí)。車(chē)流密度根據(jù)TPP包中記錄的XS個(gè)區(qū)域中的車(chē)輛數(shù)和路段長(zhǎng)度得到;傳輸延時(shí)由TPP包到達(dá)時(shí)間和初始化時(shí)間相減得到。通過(guò)TPP探測(cè)包,SN為相鄰路段維護(hù)車(chē)流密度和傳輸延時(shí)2個(gè)權(quán)值,以時(shí)間戳表示記錄的新舊。不同SN通過(guò)廣播共享各自的信息,因此每個(gè)SN會(huì)有所有路段的信息。

因?yàn)槊織l路段有2個(gè)權(quán)值,所以需要將這混合權(quán)值融合成單一權(quán)值。根據(jù)文獻(xiàn)[18],路段出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割現(xiàn)象的概率P的計(jì)算公式為:

(10)

其中,L為路段的長(zhǎng)度;R為無(wú)線(xiàn)通信范圍;ρ為相應(yīng)路段的車(chē)流密度。根據(jù)P為路段的延時(shí)增加一個(gè)懲罰值,從而得到修正后的延時(shí)dc,其計(jì)算公式為:

dc=d0+Pd0

(11)

其中,d0為實(shí)際測(cè)得的延時(shí)值。

最后,當(dāng)有數(shù)據(jù)在2個(gè)不相鄰的路口間傳輸時(shí),運(yùn)用Dijkstra算法求出修正后延時(shí)最小的路由路徑。

1.5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

城市環(huán)境下,道路的自然拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以抽象為一個(gè)無(wú)向圖G(V,E),其中頂點(diǎn)V表示交叉路口集合,邊E表示連接2個(gè)相鄰交叉路口的路段集合。由1.4可知,每一條邊維護(hù)一個(gè)修正后的延時(shí)作為權(quán)值,每一個(gè)SN設(shè)備擁有整個(gè)圖的權(quán)值信息。因此,對(duì)于給定的2個(gè)交叉路口可以求出最短延時(shí)路由。

當(dāng)源車(chē)輛節(jié)點(diǎn)需要向目的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí),源車(chē)輛節(jié)點(diǎn)首先向相鄰的路口發(fā)送路由請(qǐng)求包。收到路由請(qǐng)求包的路口SN計(jì)算離目的節(jié)點(diǎn)最近的路口的最短延時(shí)路由,然后發(fā)送路由回復(fù)包給源車(chē)輛節(jié)點(diǎn)。源車(chē)輛節(jié)點(diǎn)收到SN回復(fù)的信息后,將路由信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)包的包頭。數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中分為2種方式。首先是路段轉(zhuǎn)發(fā),依據(jù)1.3的策略選擇下一跳節(jié)點(diǎn);當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)路口時(shí),依據(jù)包頭中的路由信息選擇相應(yīng)路段進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)出現(xiàn)路由錯(cuò)誤時(shí),由當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)向鄰近路口重新請(qǐng)求路由信息。

2 仿真及結(jié)果分析

仿真采用的平臺(tái)為NS2;仿真設(shè)定的區(qū)域大小為3 000 m×2 500 m,每條道路都是雙向通行的路段;MAC協(xié)議為IEEE802.11p。仿真的具體參數(shù)見(jiàn)表1所列。

為了更好地分析各協(xié)議的性能,本文主要比較不同協(xié)議在數(shù)據(jù)包遞交率和平均端到端延時(shí)2個(gè)方面的性能。數(shù)據(jù)包遞交率是指源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包之比。平均端到端延時(shí)是指數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所需的平均時(shí)間長(zhǎng)度。

表1 仿真參數(shù)

(1) 可靠的路段轉(zhuǎn)發(fā)策略與貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略的對(duì)比分析。從仿真區(qū)域中選取一條2 000 m長(zhǎng)的路段(區(qū)域的邊緣路段)作為仿真路段,車(chē)輛數(shù)量為60,車(chē)輛的速度設(shè)定為10～50 km/h。數(shù)據(jù)包遞交率隨車(chē)速變化的情況如圖3所示,隨著車(chē)速的增加,數(shù)據(jù)包遞交率呈下降趨勢(shì),而可靠的路段轉(zhuǎn)發(fā)策略與貪婪策略相比一直具有較高的數(shù)據(jù)包遞交率。貪婪策略的數(shù)據(jù)包遞交率較低的原因是其只考慮下一跳節(jié)點(diǎn)離目的地的距離,這很容易造成傳輸失敗。而可靠的路段轉(zhuǎn)發(fā)策略有以下2個(gè)優(yōu)勢(shì)使得數(shù)據(jù)包遞交率較高:① 考慮了鏈路的可靠性和質(zhì)量,增加了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)某晒β?② 通過(guò)冗余保證了在第1個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸失敗后,由第2個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)傳輸。

(2) HIRTP與GSR和GyTAR的性能對(duì)比分析。車(chē)輛節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)數(shù)據(jù)包遞交率的影響情況如圖4所示,隨著車(chē)輛節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加數(shù)據(jù)包遞交率呈上升趨勢(shì),HIRTP使用基于冗余可靠機(jī)制進(jìn)行傳輸,使得其數(shù)據(jù)包遞交率較高。

圖3 數(shù)據(jù)包遞交率隨平均車(chē)速變化的情況

圖4 數(shù)據(jù)包遞交率隨車(chē)輛數(shù)變化的情況

平均端到端延時(shí)隨車(chē)輛節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化的情況如圖5所示,隨著車(chē)輛節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加平均端到端延時(shí)呈下降趨勢(shì),而HIRTP延時(shí)最低,GyTAR比GSR延時(shí)低。這是由于HIRTP利用實(shí)時(shí)的全局網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和車(chē)流密度信息進(jìn)行路段選擇，而GyTAR只是利用了局部的車(chē)流密度信息,GSR僅根據(jù)距離而未考慮車(chē)流信息。隨著車(chē)輛數(shù)據(jù)的增加,各協(xié)議的延時(shí)趨同,這是由于此時(shí)的車(chē)流密度足夠保證數(shù)據(jù)的快速傳輸,對(duì)傳輸延時(shí)影響度降低。但是HIRTP同時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)信息,因此能夠具有更小的延時(shí)。

圖5 平均端到端延時(shí)隨車(chē)輛數(shù)變化的情況

綜合來(lái)說(shuō),HIRTP的性能最佳。HIRTP通過(guò)可靠的路段轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議替代簡(jiǎn)單的貪婪策略進(jìn)行路段轉(zhuǎn)發(fā),并且綜合考慮全局交通信息和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)信息進(jìn)行路段選擇,從而有效地提高了數(shù)據(jù)包遞交率,降低平均端到端延時(shí)。

3 結(jié) 論

可靠高效的路由協(xié)議是VANETs領(lǐng)域的重要技術(shù)之一。本文針對(duì)城市環(huán)境的特點(diǎn),以高數(shù)據(jù)包遞交率和低數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)為目標(biāo),依托在交叉路口設(shè)置固定節(jié)點(diǎn),并利用采集的交通信息和網(wǎng)絡(luò)信息,提出了城市環(huán)境下基于混合信息和冗余傳輸?shù)腣ANETs路由協(xié)議HIRTP。城市道路的天然結(jié)構(gòu)就是一張無(wú)向圖,其中交叉路口為頂點(diǎn),路口間的路段為邊;依據(jù)收集到的信息為每條邊賦予權(quán)值,利用Dijkstra算法計(jì)算出任意2個(gè)交叉路口間的最短路徑;對(duì)于路段內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),綜合考慮距離、速度和無(wú)線(xiàn)鏈路的質(zhì)量等因素來(lái)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),并且通過(guò)選擇2個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),保證了數(shù)據(jù)高效快速的傳輸。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,HIRTP具有較高的數(shù)據(jù)包遞交率和較低的平均端到端延時(shí)。

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AhybridinformationandredundanttransmissionbasedroutingprotocolforVANETs

SONG Liang1, HAN Jianghong1,2, LIU Zhengyu2,3

(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Engineering Research Center of Safety Critical Industrial Measurement and Control Technology of Ministry of Education, Hefei 230009, China; 3.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Routing protocol research for vehicular ad hoc networks(VANETs) confronts challenges because the rapid moving of vehicle node leads to the frequent changes of the network topology and the unstable quality of wireless link. In order to deal with these challenges, a hybrid information and redundant transmission based routing protocol for VANETs is proposed. According to the road characteristics in urban environment, an undirected graph is abstracted, where the intersections are vertices and road sections are edges. The real-time information of traffic and networks is collected by the stationary nodes deployed in the intersection, and a weight value is given for each edge, and then the shortest path between any two intersections is calculated by using the Dijkstra algorithm. As for the data transmission within road section, the next node is selected by considering the distance, speed and link reliability, and the success rate of data transmission is improved through redundant transmission technology. The simulation results indicate that the proposed routing protocol performs well.

vehicular ad-hoc networks(VANETs); urban environment; hybrid information; link reliability; redundant transmission

2016-03-24；

2016-04-11

國(guó)家電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金資助項(xiàng)目(工信部財(cái)函[2011]506號(hào));國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012DFB10060)

宋 亮(1990-),男,安徽六安人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 韓江洪(1954-),男,安徽涇縣人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,通訊作者,E-mail:303617659@qq.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.009

TP393.03

A

1003-5060(2017)10-1343-06

(責(zé)任編輯 胡亞敏)