張 智,張 劍,聶 鈴,李陸君
(上海工程技術(shù)大學(xué) 航空運(yùn)輸學(xué)院,上海 201620)
當(dāng)前社會(huì)中,汽車成為人們出行必不可少的交通工具,同時(shí)也引起了諸多的社會(huì)問題[1]。汽車數(shù)量的增多、駕駛員行為方式的差異,造成交通擁擠,以及各類道路交通傷害等。為改善此類事件的發(fā)生,智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System,ITS)應(yīng)運(yùn)而生。車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicle Ad-hoc Network,VANET)是智能交通系統(tǒng)的一種高級運(yùn)用,車聯(lián)網(wǎng)VANET 是由搭載了無線通信裝置的車輛作為節(jié)點(diǎn)而構(gòu)成的一種特殊形式的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Network,MANET)[2]。
由于VANET 中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度快,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓焖?,特別是在城市環(huán)境中,節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路線固定,受道路拓?fù)溆绊懀还?jié)點(diǎn)數(shù)量多且速度受限;建筑物高大密集,影響無線傳輸?shù)男阅艿纫蛩赜绊?,很多路由協(xié)議并不適用于城市環(huán)境中車輛之間的通信。因此,研究適合于城市環(huán)境VANET 的路由算法,是當(dāng)前VANET 技術(shù)的熱點(diǎn)問題[3]。
路由協(xié)議大體上分為兩大類:基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議和基于位置的路由協(xié)議。前者需要考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男畔?,后者僅依賴于部分位置信息。目前,許多研究人員均對VANET 相關(guān)路由協(xié)議進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4-6]中指出,AODV 是一種基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議,該協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)[4-6]功能。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí),啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程,并定期發(fā)送HELLO 包進(jìn)行路由維護(hù)[7]。對于城市環(huán)境下復(fù)雜的路況信息,AODV 協(xié)議并不適用。GPSR 是一種基于地理位置的路由協(xié)議,主要實(shí)現(xiàn)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法和周邊轉(zhuǎn)發(fā)算法[8]。GPSR 基于平面圖遍歷,動(dòng)態(tài)性高,易引發(fā)路由循環(huán)問題,適用于節(jié)點(diǎn)分布均勻、場景開闊的空間,不適用于城市環(huán)境的VANET[9]。Hassan 等人提出了一種針對城市環(huán)境的多度量地理路由(MGEDIR)。采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),以接收信號(hào)強(qiáng)度、傳輸范圍邊界關(guān)鍵區(qū)域、車輛未來位置等指標(biāo)來選擇下一跳車輛(NHV),在選擇NHV 時(shí)考慮了最大的權(quán)衡因素[10]。Abbasi 等人提出了一種可靠路徑選擇和分組轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議(RPSPF)的路由方案,采用基于錨的路由方法進(jìn)行分組路由。RPSPF 動(dòng)態(tài)地選擇兩個(gè)直接交叉點(diǎn)來求解路徑靈敏度,通過短曲線距離指標(biāo)選擇下一跳車輛[11]。
綜上所述,研究人員提出了不同的適用VANET路由算法,但這些路由算法在一定程度上易產(chǎn)生傳輸開銷和時(shí)延問題。為此,本文提出了一種基于車流特征的路由算法(TCR)。該算法利用車流特征等資源,設(shè)計(jì)了符合城市交通環(huán)境VANET 的路由算法,保障車間通信的高效穩(wěn)定傳輸,提高道路上的交通效率和車輛行駛的安全性。
本文對VANET 網(wǎng)絡(luò)在城市環(huán)境下性能的研究,主要考慮城市場景中典型的道路模型,由十字路口和直路段道路建立而成。圖1 所示為SUMO 仿真軟件建立的城市道路模型圖。
圖1 城市道路模型圖Fig.1 Urban road model diagram
其中,Ii表示第i個(gè)十字路口,Si,j表示直路段,每個(gè)路段均有自己的屬性,包括長度、車道數(shù)、車流密度等。
隨著計(jì)算機(jī)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,車輛會(huì)成為可具備高計(jì)算處理能力的設(shè)備,本文提出的TCR 路由算法的實(shí)施基于以下的前提和假設(shè):
(1)以VANETs 的城市場景為研究對象。
(2)每輛車預(yù)裝數(shù)字地圖和全球定位系統(tǒng)GPS,包括街道地圖和交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
(3)每輛車均配備車載單元OBU,每個(gè)車輛具有至少300 米的可訪問通信范圍,可通過信標(biāo)交換獲取實(shí)時(shí)信息。包括車輛ID、速度、當(dāng)前位置及所在道路位置。
(4)道路交叉路口配備路測單元RSU,RSU 根據(jù)相鄰的兩個(gè)道路獲取實(shí)時(shí)信息,包括當(dāng)前道路ID、長度、車輛數(shù)及車輛密度。
(5)車輛擁有協(xié)作感知消息(CAM):節(jié)點(diǎn)會(huì)按照ETSI 標(biāo)準(zhǔn)中指定的方式發(fā)送CAMs;包括狀態(tài)矢量信息,如物理位置、目的地、當(dāng)前速度和方向。信息包報(bào)頭包括源節(jié)點(diǎn)ID、源節(jié)點(diǎn)位置、信息包生成時(shí)間、過期時(shí)間。
(6)將城市VANET 抽象為G={V,E},V 表示車輛,E 表示通信鏈路。
3.1.1 連通度計(jì)算
首先,定義輔助節(jié)點(diǎn)AN:每個(gè)道路段最外層的兩個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖1 所示。AN 節(jié)點(diǎn)將會(huì)幫助節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行車輛密度信息交換和連接度值的估計(jì)。車輛周期性地廣播beacon 消息,并與附近的車輛節(jié)點(diǎn)和路測單元RSU 進(jìn)行信息交換。隨著傳輸范圍的擴(kuò)大,HELLO 包消息定期更新相關(guān)的鄰居表,進(jìn)行鄰居表的維護(hù)。所以車輛節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入到一個(gè)路段后,車輛會(huì)意識(shí)到自己的位置,判斷自身是否為AN 節(jié)點(diǎn),獲取該路段上的ID 以及車輛密度,路段Si,j上的車輛密度ρi,j。計(jì)算公式如式(1)所示。
其中,Si,j表示十字路口Ii和十字路口Ij之間的路段;Ni,j表示路段Si,j上的車輛總數(shù);Li,j表示路段Si,j的長度;n表示車道數(shù)。
AN 節(jié)點(diǎn)收集RSU 和其它候選節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。其中包括路段ID、傳輸時(shí)間、傳輸范圍、路段上車輛密度等,并將這些信息傳送給附近可以傳輸?shù)腁N 節(jié)點(diǎn)。AN 節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集到的相關(guān)信息選擇合適的路段。
一個(gè)路段可由兩個(gè)端點(diǎn)的元組表示[12]。一個(gè)道路的兩端路口可表示為(S,dS)和(S,dd),而網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)各線段的結(jié)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)可表示為:對于給定的道路路段,連通度ECD 的計(jì)算為式(2)所示[13]。
3.1.2 車流分布偏差的計(jì)算
為進(jìn)一步反映車流量,定義車輛的相對位置變量。對于車輛Vehm,其在路段Si,j上的相對位置為如式(3)所示。
其中,表示車輛Vehm的位置,是beacon消息中的載入位置,定義車輛的相對位置是為了方便計(jì)算車流分布情況,并將道路長度為L的路段等間隔分成N個(gè)路段,則每個(gè)均分后路段長度Lav如式(4)所示。
定義nh表示第h個(gè)路段,則路段Si,j上車流分布的標(biāo)準(zhǔn)方差σij如式(5)所示[14]。
為了進(jìn)一步反映車流分布的均勻性,依據(jù)概率論計(jì)算道路段Si,j車流分布的偏差γij,如式(6)所示。
偏差γij越小,表示車流分布越均勻。
為選出最優(yōu)的路段進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā),通過預(yù)估的連通度和車流分布的偏差兩個(gè)參數(shù),構(gòu)成評價(jià)函數(shù)F,如式(7)所示。
其中α、β是權(quán)重因子,且α+β=1,α >0、β >0,具體參數(shù)值需要結(jié)合仿真調(diào)試獲得。通過預(yù)估連通度,計(jì)算有效節(jié)點(diǎn)間的連接性,盡可能地保證候選車輛在傳輸范圍內(nèi);通過車流分布均勻性的計(jì)算,也保證了候選車輛的充分性。
評價(jià)函數(shù)F不僅考慮了源節(jié)點(diǎn)到目的車輛節(jié)點(diǎn)之間所有候選路徑的質(zhì)量,還考慮了源節(jié)點(diǎn)到目的車輛節(jié)點(diǎn)之間的跨路徑的分段連接。由式(7)可知,當(dāng)連通度和車流分布都達(dá)到最好參數(shù)值時(shí),評價(jià)函數(shù)F就會(huì)取得最大值,此時(shí),所選的路段就是數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的最優(yōu)路段。
道路段內(nèi)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)采用改進(jìn)的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法,與傳統(tǒng)的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法比較存在3 個(gè)方面的優(yōu)化:增加了鏈路狀態(tài)因子L、方向因子F、距離因子D,避免傳輸跳數(shù)和路由中斷次數(shù)的增加,進(jìn)而減少端到端的時(shí)延,保證鏈路的穩(wěn)定性。
3.2.1 鏈路狀態(tài)因子L
城市VANET 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快速,大多是由車輛的速度和運(yùn)行方向變化引起的,這些因素將影響鏈路的穩(wěn)定性。本文利用車輛節(jié)點(diǎn)之間的相對位移量來計(jì)算鏈路狀態(tài),節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行周期性地廣播信標(biāo)消息,節(jié)點(diǎn)之間的距離通過式(8)即可獲得。
其中,(xs,ys)表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo);(xi,yi) 表示一跳傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。
鏈路的穩(wěn)定性如式(9)所示。
其中,R為常量,表示通信傳輸半徑,di(t)表示t時(shí)刻發(fā)送節(jié)點(diǎn)與一跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的距離。通過式(9)可知,節(jié)點(diǎn)之間相對位移量變化越小,則鏈路越穩(wěn)定。同時(shí),鏈路的維持時(shí)間也是鏈路可靠性的關(guān)鍵因素。本文通過節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的beacon數(shù)據(jù)包,計(jì)算鏈路的維持時(shí)間ti,如式(10)所示。
其中,(xs,yS)表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo);(xi,yi) 表示一跳傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)坐標(biāo);R為通信傳輸半徑;v表示節(jié)點(diǎn)的相對速度。相對速度的計(jì)算如式(11)所示。
其中,vi表示鄰居節(jié)點(diǎn)的速度,vs表示發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)速度。
為更準(zhǔn)確地表示鏈路的維持時(shí)間ti,本文將其進(jìn)行歸一化處理,如式(12)所示。
其中,Tmax表示最大持續(xù)時(shí)間。
根據(jù)上述度量指標(biāo),可得出鏈路狀態(tài)因子L,如式(13)所示。
3.2.2 方向因子F
本文算法定義車輛運(yùn)行方向與數(shù)據(jù)分組的傳輸方向一致時(shí),數(shù)據(jù)包標(biāo)志位Flag標(biāo)識(shí)為+1,反之,則標(biāo)識(shí)為-1。如式(14)所示。相同方向的節(jié)點(diǎn)給予同樣的優(yōu)先權(quán),同時(shí)對車輛行駛方向與數(shù)據(jù)分組傳輸方向相同的車輛節(jié)點(diǎn)給予更高的優(yōu)先權(quán),這些車輛節(jié)點(diǎn)優(yōu)先作為候選的下一跳節(jié)點(diǎn)。
3.2.3 距離因子D
除上述鏈路狀態(tài)、車輛的行駛方向和數(shù)據(jù)分組的傳輸方向以外,本文算法還增加了車輛之間距離因子度量指標(biāo),如式(15)所示。在具有相同方向優(yōu)先級的情況下,優(yōu)先選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)。
式中,(xD,yD) 表示目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo);(xi,yi)表示一跳傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)坐標(biāo);n 表示具有相同優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。應(yīng)避免因城市VANET 的高度動(dòng)態(tài)性,造成邊緣節(jié)點(diǎn)下一跳移出通信范圍,從而引起鏈路中斷,造成數(shù)據(jù)包的丟失或重發(fā)。
3.2.4 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇
在道路段內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā),本文結(jié)合鏈路狀態(tài)、方向因子、距離因子3 個(gè)方面因素,權(quán)衡選取下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),不僅保證了鏈路的穩(wěn)定性,同時(shí)也在傳輸方向優(yōu)先級相同的情況下,優(yōu)先選取距離目的節(jié)點(diǎn)更近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇如式(16)所示。
其中,L指發(fā)送節(jié)點(diǎn)s與鄰居節(jié)點(diǎn)i之間的鏈路狀態(tài);F是節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行方向與數(shù)據(jù)包傳輸方向的一致性判定;D是鄰居節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的最小距離判定;di指發(fā)送節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離。由于本文只計(jì)算一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn),則di還包括一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離,其中權(quán)重系數(shù)ω1=ω2=ω3=0.33。
當(dāng)Rank >0 時(shí),根據(jù)式(16)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn);當(dāng)Rank=0 時(shí),說明形成了局部最優(yōu)問題。此時(shí)只需發(fā)送節(jié)點(diǎn)攜帶數(shù)據(jù)包,繼續(xù)等待下一個(gè)合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)即可。等待時(shí)間T 設(shè)定一個(gè)閾值ε,當(dāng)T >ε時(shí),發(fā)送節(jié)點(diǎn)結(jié)束等待,放棄相應(yīng)的數(shù)據(jù)包,源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重發(fā)。
為了更好地評估TCR 算法的性能,對TCR 算法進(jìn)行仿真試驗(yàn),并與AODV、GPSR 兩個(gè)協(xié)議進(jìn)行對比。仿真主要是從數(shù)據(jù)傳輸成功率、平均端到端時(shí)延兩個(gè)方面進(jìn)行性能的比較和分析。
本文利用SUMO 和NS 軟件建立仿真平臺(tái),從OpenStreetMap 官網(wǎng)上選擇上海松江大學(xué)城區(qū)域圖作為仿真地圖,如圖2 所示。圖3 為SUMO 軟件可打開的對應(yīng)場景拓?fù)鋱D。在SUMO 中編寫車輛移動(dòng)模型,利用NS2 腳本調(diào)用SUMO 中相關(guān)文件,并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)和流量配置。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)的不斷調(diào)試,對于最優(yōu)路段評價(jià)函數(shù)性能較佳時(shí)的權(quán)重參數(shù)選定為α=0.75,β=0.25,其它仿真參數(shù)詳見表1。
圖2 松江大學(xué)城區(qū)域圖Fig.2 Regional map of Songjiang University Town
圖3 松江大學(xué)城拓?fù)鋱DFig.3 Topology of Songjiang University Town
表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters
4.2.1 數(shù)據(jù)傳輸成功率
數(shù)據(jù)傳輸成功率,是指網(wǎng)絡(luò)中目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)分組總數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組總數(shù)之比,反映的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
圖4 反映了3 種協(xié)議下數(shù)據(jù)傳輸成功率與車輛數(shù)的變化曲線關(guān)系。本研究設(shè)置車輛數(shù)為50、100、150、200、250、300。由圖可見,當(dāng)車輛速度固定時(shí),隨著車輛數(shù)的遞增,車輛節(jié)點(diǎn)之間鏈路數(shù)增多,傳輸成功率也隨之增加。3 種協(xié)議中傳輸成功率最低的為AODV 協(xié)議,其次為GPSR 協(xié)議,本文提出的TCR協(xié)議的傳輸成功率明顯高于AODV 與GPSR 協(xié)議。由于AODV 與GPSR 協(xié)議都未考慮車流特征相關(guān)因素,而TCR 協(xié)議結(jié)合車輛密度與車流分布情況,計(jì)算每個(gè)路段的連通度,選擇源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間鏈路質(zhì)量最優(yōu)的路徑,不僅提升了數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的概率,同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)包的傳輸成功率。
圖4 數(shù)據(jù)傳輸成功率與車輛數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Relationship between data transmission success rate and number of vehicles
圖5 反映了3 種協(xié)議下數(shù)據(jù)傳輸成功率與車輛速度之間的變化曲線關(guān)系。本研究設(shè)置車輛速度為10、20、30、40、50 km/h。由圖可見,當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)固定時(shí),3 種協(xié)議的傳輸成功率都受車輛速度因素影響,隨著車輛速度的增加,數(shù)據(jù)傳輸成功率都有不同程度的下降,當(dāng)車輛速度增加時(shí),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化大,車輛節(jié)點(diǎn)之間鏈路持續(xù)時(shí)間減少,鏈路穩(wěn)定性變差,易發(fā)生斷裂,數(shù)據(jù)包丟失概率增加,所以數(shù)據(jù)傳輸成功率相應(yīng)下降。由于AODV 協(xié)議是基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議,GPSR 協(xié)議考慮因素單一,都不適合VANET。TCR 協(xié)議權(quán)衡密度信息與全局搜索,選擇最佳路段,實(shí)時(shí)性較低,因此TCR 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸成功率始終高于AODV 與GPSR 協(xié)議,且變化趨于平緩。
圖5 數(shù)據(jù)傳輸成功率與車輛速度關(guān)系圖Fig.5 Relationship between data transmission success rate and vehicle speed
4.2.2 端到端平均時(shí)延
平均端到端時(shí)延是指數(shù)據(jù)分組,從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)送時(shí)間,反映的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>
平均端到端時(shí)延與車輛數(shù)變化曲線關(guān)系如圖6所示。本研究設(shè)置車輛數(shù)為50、100、150、200、250、300。由此可見,當(dāng)車輛速度固定時(shí),隨著車輛數(shù)的增加,3 種路由協(xié)議的平均端到端時(shí)延都有明顯的下降,TCR 協(xié)議進(jìn)行路段選擇時(shí),計(jì)算各個(gè)路段以及跨路段的連通性,相比于AODV 與GPSR 協(xié)議,平均端到端延遲最少,且隨著車輛數(shù)的不斷增加,TCR的平均端到端延遲下降變化趨勢愈加平緩。
圖6 平均端到端時(shí)延與車輛數(shù)關(guān)系圖Fig.6 Relationship between average end -to -end delay and number of vehicles
圖7 給出了平均端到端時(shí)延與車輛速度之間的變化曲線關(guān)系。本研究設(shè)置車輛速度為10、20、30、40、50 km/h。由圖中可知,當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)固定時(shí),車輛速度變大時(shí),3 種協(xié)議的時(shí)延都在增加。在車輛速度不斷增加的過程中,車輛節(jié)點(diǎn)位置快速發(fā)生變化,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速改變,網(wǎng)絡(luò)中車輛節(jié)點(diǎn)之間的連通性不斷降低,在數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的過程中,車輛節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)可選的下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)概率在減少,數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)的時(shí)間就會(huì)增加,相應(yīng)的平均端到端時(shí)延增加。TCR 協(xié)議與AODV、GPSR 協(xié)議相比,在保證鏈路可靠性的基礎(chǔ)上,增加了鏈路因子、方向因子、距離因子3 方面因素的考慮,減少了平均端到端時(shí)延。
圖7 平均端到端時(shí)延與車輛速度關(guān)系圖Fig.7 Relationship between average end-to-end delay and vehicle speed
針對城市場景VANET 的網(wǎng)絡(luò)特性,提出了基于車流特征的路由算法TCR,通過預(yù)估實(shí)時(shí)車輛密度信息和路段連通度,進(jìn)行最優(yōu)路段選擇外,對道路段內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。仿真表明,TCR 算法在數(shù)據(jù)傳輸成功率和平均端到端時(shí)延方面都要優(yōu)于AODV、GPSR 協(xié)議,能夠更好的滿足城市場景下VANET 的通信需求。