基于移動(dòng)網(wǎng)關(guān)選擇的數(shù)據(jù)傳輸策略

劉 新，常英賢，劉冬蘭，譚 虎

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003;2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250000;3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261041)

0 引 言

通過(guò)接入Internet，增強(qiáng)車聯(lián)網(wǎng)(Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs)的安全[1-2]，也提升了娛樂(lè)應(yīng)用。目前，VANETs內(nèi)的車輛是通過(guò)IEEE 802.11p[3-4]協(xié)議實(shí)現(xiàn)車輛間的可靠通信。它采用專用短程通信(Dedicated Short Range Communication,DSRC)信道。DSRC標(biāo)準(zhǔn)是為高速移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，其是針對(duì)短距離、時(shí)間敏感性應(yīng)用。

作為4G無(wú)線寬帶技術(shù)，長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)[5]能夠提供高峰速率和低時(shí)延服務(wù)。峰值速率可達(dá)到1 Gb/s，時(shí)延低至5 ms。通信的覆蓋范圍約8 km～10 km。

然而，在高速移動(dòng)環(huán)境，僅利用IEEE 802.11p作為無(wú)線接入技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)遭受如間歇性連通、拓?fù)淇焖僮兓葐?wèn)題。為此，研究人員考慮了IEEE 802.11p和LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[6-8]。然而，它們?nèi)允遣捎么丶夹g(shù)實(shí)現(xiàn)VANETs內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸。但VANETs的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓?，?gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的簇存在巨大的挑戰(zhàn)。

文獻(xiàn)[9]針對(duì)VANETs與LTE的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提出了優(yōu)化的混合無(wú)線Mesh路由(Enhanced Hybrid Wireless Mesh Protocol, E-HWMP)。E-HWMP路由利用LTE輔助數(shù)據(jù)傳輸。而文獻(xiàn)[10]提出基于靜態(tài)網(wǎng)關(guān)的路由協(xié)議。該協(xié)議利用鏈路時(shí)長(zhǎng)和路由連通時(shí)間作為路由指標(biāo)，選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。但是，這些方案并沒(méi)有考慮到網(wǎng)關(guān)的選擇。而網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苡兄匾挠绊憽?/p>

為此，考慮VANETs與LTE的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并依據(jù)車輛的速度以及鏈路質(zhì)量情況擇優(yōu)選擇車輛作為網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)將車輛與4G LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連通。同時(shí)，利用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略，選擇離網(wǎng)關(guān)的最近的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，提出的DTMS策略有效地提高了數(shù)據(jù)包傳遞率，并控制了路由開銷。

1 系統(tǒng)模型及約束條件

1.1 系統(tǒng)模型

基于IEEE 802.11p和LTE的混合結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由車輛和LTE演化的eNodeB基站構(gòu)成。本文將車輛(節(jié)點(diǎn))劃分為四類。

圖1 系統(tǒng)模型

(1)原始車輛(Ordinary Vehicles, OV)。OVs只具有IEEE 802.11p的無(wú)線接口。這些車輛利用該接口與鄰居車輛通信;

(2)轉(zhuǎn)發(fā)車輛(Relay Vehicles, RV)。所謂RV是指用于向網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的OV；

(3)候選網(wǎng)關(guān)(Vehicular Gateways Candidates,VGC)。VGC車輛具備IEEE 802.11p和LTE無(wú)線接口能力?？蛇x擇VGC車輛作為網(wǎng)關(guān)。

(4)網(wǎng)關(guān)車輛(Vehicular Gateway，VG)。所謂VG就是從VGC車輛中擇優(yōu)選擇一個(gè)VGC扮演網(wǎng)關(guān)的車輛。

圖2描述了IEEE 802.11p和LTE兩類接口以及各類車輛間的空間位置關(guān)系。RV車輛主要用于向VG轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而VG用于向eNodeB傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 通信接口

如何選擇網(wǎng)關(guān)以及RV是DTMS方案需解決的問(wèn)題。DTMS策略先依據(jù)VGC的性能，優(yōu)先選擇VG。并依據(jù)OV的鏈路質(zhì)量，擇優(yōu)選擇RV，進(jìn)而構(gòu)建穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通路。

2 DTMS策略

2.1 VG的選擇

DTMS策略是從VGC中擇優(yōu)選擇車輛作為網(wǎng)關(guān)VG。首先，每個(gè)VGC記錄接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength, RSS)值，并與閾值RSSth進(jìn)行比較。只有大于RSSth值的VGC，才可能成為VG。

具體而言，令RSSi表示第i個(gè)VGC(VGCi)的RSS值。只有當(dāng)RSSi大于RSSth，VGCi才可能成為VG。用ψVG表示VG的候選集。對(duì)于任何VGC，只有它的RSS值大于RSSth才可加入ψVG，如式(1)所示：

ψVG←i,ifRSSi>RSSth

(1)

(2)

(3)

再結(jié)合Mk(R)和Mk(?)，計(jì)算VGCk的權(quán)值WVGCk：

WVGCk=α×Mk(R)+(1-α)Mk(?)

(4)

其中α為權(quán)值系數(shù)，且α∈D[0,1]。

每個(gè)VGCk∈ψVG計(jì)算式(4)，獲取了權(quán)值后，再依據(jù)競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)發(fā)(Contention-Based-Forwarding, CBF)方式競(jìng)爭(zhēng)成為VG。具體而言，每個(gè)VGCk∈ψVG依據(jù)自己的權(quán)值WVGCk設(shè)置定時(shí)器，WVGCk越大，定時(shí)時(shí)間越短，如式(5)所示：

t(WVGCk)=Tmax×(1-WVGCk)

(5)

其中Tmax為允許最大的等待時(shí)間。

VGCk在等待定時(shí)期間，監(jiān)聽(tīng)是否有其他VGC傳輸通告消息ADV_Mes。一旦收到來(lái)自其他VGC(假定是VGCj∈ψVG)，VGCk就取消定時(shí)。若在定時(shí)完畢時(shí)，未收到來(lái)自其他VGC廣播的ADV_Mes,VGCk就向鄰居車輛廣播ADV_Mes，宣稱自己為VG。整個(gè)流程如圖3所示。

圖3 VG的選擇過(guò)程

2.2 RV的選擇

采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略，選擇離VG最近的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于車輛Vi，它先計(jì)算與其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)Vj距離dij。然后，選擇離其最遠(yuǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)傳輸該節(jié)點(diǎn)。

3 性能分析

3.1 仿真平臺(tái)

利用開源的仿真軟件MOVE[10]、SUMO[11]和NS2[12]建立仿真平臺(tái)。其中SUMO用于產(chǎn)生移動(dòng)模型；而NS2用于實(shí)施DTMS策略，并測(cè)量網(wǎng)絡(luò)性能；而MOVE屬Java應(yīng)用，提供了SUMO與NS2的接口。

選擇高速公路為移動(dòng)模型。公路長(zhǎng)度為8 km，雙向車道，每個(gè)方向有2個(gè)車道。車輛的最大移動(dòng)速度?max從10 m/s～50 m/s變化。數(shù)據(jù)率為6 Mps。具體的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

為了更好地分析DTMS性能，選擇AODV路由作為參照。作為典型的反應(yīng)式路由，AODV通過(guò)廣播Hello包構(gòu)建、維護(hù)路由，廣泛應(yīng)用于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)。在仿真過(guò)程中，分析DTMS和AODV的數(shù)據(jù)包傳遞率、端到端傳輸時(shí)延、歸一化路由開銷性能。其中數(shù)據(jù)包傳遞率是指目的節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)之比。而端到端傳輸時(shí)延是指將一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸至目的節(jié)點(diǎn)所消耗的平均時(shí)間。

歸一化路由開銷反映了對(duì)帶寬利用率，其定義如式(6)所示：

(6)

其中i表示數(shù)據(jù)包的ID號(hào)。Ci為控制數(shù)據(jù)包。而Di為接收的數(shù)據(jù)包。

3.2 數(shù)據(jù)包傳輸率

首先，分析數(shù)據(jù)包傳遞率隨車輛最大車速?max的影響。從圖4可知，車速的增加對(duì)DTMS策略的數(shù)據(jù)包傳遞率的影響并不大，DTMSB策略的數(shù)據(jù)包傳遞率隨?max的變化，保持相對(duì)穩(wěn)定。與AODV相比，提出的DTMS策略的數(shù)據(jù)包傳遞率得到大幅度地提升。例如，在?max=30 m/s時(shí)，DTMS策略的數(shù)據(jù)包傳遞率近90%。而AODV路由的數(shù)據(jù)包傳遞率只有40%。

圖4 數(shù)據(jù)包傳遞率

3.3 端到端傳輸時(shí)延

圖5顯示了DTMS策略和AODV路由的端到端時(shí)延隨?max的變化情況。與數(shù)據(jù)包傳遞率性能不同，端到端傳輸時(shí)延受?max有較大影響。在?max從10 m/s～50 m/s的變化期間，端到端傳輸時(shí)延的波動(dòng)較大。此外，相比于AODV路由，提出的DTMS策略的端到端傳輸時(shí)延并沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。只有當(dāng)?max大于20 m/s后，DTMS策略的端到端傳輸時(shí)延低于AODV路由。

圖5 端到端傳輸時(shí)延

3.4 歸一化路由開銷

最后，分析DTMS策略的歸一化路由開銷，如圖6所示。從圖可知，DTMS路由的歸一化路由開銷隨?max變化波動(dòng)很小，幾乎不隨?max的增加而變化。這說(shuō)明，DTMS策略具有穩(wěn)定的性能。相比于AODV路由， DTMS策略有效地控制歸一化路由開銷，降低了近15.87%。

圖6 歸一化路由開銷

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)VANETs的消息傳輸問(wèn)題，提出基于移動(dòng)網(wǎng)關(guān)選擇的數(shù)據(jù)傳輸策略DTMS。DTMS策略充分利用LTE的特性，通過(guò)網(wǎng)關(guān)協(xié)助車輛向Internet傳輸數(shù)據(jù)。在選擇網(wǎng)關(guān)時(shí)，考慮了車輛的鏈路質(zhì)量和移動(dòng)車速。并依據(jù)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略，選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，縮小路徑傳輸跳數(shù)。仿真結(jié)果表明，提出的DTMS策略有效地提高了數(shù)據(jù)包傳遞率，并控制了路由開銷。