馬 逍

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

0 引言

近年來為保證車輛安全行駛，在移動自組織網(wǎng)絡的基礎上出現(xiàn)了車輛自組織網(wǎng)絡。VANET中現(xiàn)有的安全消息傳播機制大都是在移動自組織網(wǎng)絡的基礎上演化而來的。但自組織網(wǎng)絡[1]沒有考慮網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)高度變化，因此現(xiàn)有的自組織網(wǎng)絡路由機制無法很好地適應VANET安全消息傳播的要求。

現(xiàn)有的路由協(xié)議包括地理源路由協(xié)議、基于GPSR的廣播協(xié)議、限制洪泛區(qū)域的路由協(xié)議[2]和空間感知路由協(xié)議[3]等，但這些路由協(xié)議均依賴于準確的位置信息，一方面增加了路由成本，另一方面，路由性能也受限于位置信息準確性。

針對城市的應用場景，文獻[4]提出了一種全局狀態(tài)路由協(xié)議（GSR，Geographic Source Routing），該協(xié)議具有較好的包傳送率、低帶寬利用率，但沒有考慮在2個連續(xù)的交叉點之間車輛的連通性?；诟怕实穆酚蓞f(xié)議（PBR，Probability Based Routing）[5]能夠在密集的自組織網(wǎng)絡中提高包傳送率，但是在具有拓撲空洞的網(wǎng)絡中，其路由性能急劇下降。

目前研究中出現(xiàn)較多的是GPSR協(xié)議。GPSR協(xié)議在高速公路上有良好的性能，但是在城市交通場下，貪婪轉發(fā)經(jīng)常受到道路拓撲的限制，信道質量也受到道路兩旁的建筑物等障礙物的影響，同時高動態(tài)網(wǎng)絡拓撲也會引起很多問題，其中典型的就是嬰兒步問題。針對VANET中的網(wǎng)絡割裂，研究人員通常借助于機會路由的方法來轉發(fā)安全消息。典型的機會路由協(xié)議都是采用單一指標作為選取最佳下一跳候選節(jié)點的評估參量，如以硬件地址作為評估參量的極端機會路由（ExOR，Extremely Opportunistic Routing）[6]。

1 基于LGFR的VANET安全消息傳播機制

1.1 梯度的概念

在向量微積分中，標量場的梯度是一個向量場。標量場中某一點上的梯度指向標量場增長最快的方向，梯度的數(shù)值是變化最快的變化率。梯度場構建后，數(shù)據(jù)沿著梯度場進行傳播。當遇到故障節(jié)點或是鏈路斷開時，數(shù)據(jù)將自動通過新的中繼點轉發(fā)。這種不依賴于某一特定鄰居節(jié)點為下一跳的傳輸方式，隱性地維持了所有可用路徑，因而顯示出健壯性，從而有效的改善了網(wǎng)絡能耗，延長了網(wǎng)絡生命周期，即使在網(wǎng)絡拓撲不斷變化的情況下仍然保有較高的包投遞率。

基于上述特點，引入局部梯度場的概念，通過多維度參量計算源節(jié)點周圍每個節(jié)點的梯度值，從而建立起源節(jié)點的局部梯度場，其中梯度值最大的節(jié)點即為下一跳的最佳轉發(fā)節(jié)點。安全消息就沿著梯度場轉發(fā)至目標節(jié)點。

1.2 基于LGFR的VANET安全消息傳播機制

為建立VANET中局部梯度場，在計算梯度值時綜合了多維度參量。梯度值越大意味著向該方向繼續(xù)搜索到達目的節(jié)點的幾率越大，以同樣的方式，在整個網(wǎng)絡中建立一個臨時的局部梯度場，安全消息沿梯度最大的方向傳播，這種方案稱為基于LGFR的VANET安全消息的多跳路由機制。

假設VANET中所有的節(jié)點可以通過全球定位系統(tǒng)和數(shù)字地圖獲得車輛坐標、運動速度和運動方向等信息。每個車輛知道自身的地理位置信息，并通過電子地圖可獲得自身所處城市區(qū)域內(nèi)的相關道路拓撲情況; 同時每個車輛可輔助計算車輛周圍鄰居節(jié)點的密度；車輛本身還應具備記錄自身數(shù)據(jù)包處理負載情況。

由于源節(jié)點只需向同一車道方向的節(jié)點發(fā)送安全消息，源節(jié)點只收集與自己同方向的車輛的位置信息，如圖1所示，節(jié)點A收到的周圍鄰居節(jié)點B、C的廣播包后，從廣播包中提取鄰居節(jié)點B、C的移動方向信息與路段ID。如果鄰居節(jié)點的路段ID與自身的路段ID相同，則建立下一跳轉發(fā)鄰居關系，另一方面，節(jié)點B、C移動方向與節(jié)點A自身的移動方向相比較，在圖1的情景下，得到結果為節(jié)點B與節(jié)點A反方向行駛，且節(jié)點C與節(jié)點A移動方向相同，故A節(jié)點只接收C節(jié)點發(fā)送的位置信息，而忽略節(jié)點B發(fā)送的位置消息。

圖1 源節(jié)點定向接收位置消息示意

1.2.1 VANET中梯度場的構建

1.2.1.1 VANET中梯度場考慮的因素

（1）鄰居節(jié)點與目標節(jié)點的距離

在轉發(fā)過程中盡可能地將數(shù)據(jù)包傳輸至距離目標節(jié)點盡可能近的節(jié)點，以減少轉發(fā)次數(shù)。假設 di表示目標節(jié)點和鄰居節(jié)點的距離，則 di可由式（1）計算得到：

將當前節(jié)點CN與目標節(jié)點DN 的距離cd與id進行比較，當id小于cd的時候，即鄰居節(jié)點iN比當前節(jié)點CN離目標節(jié)點DN 更近時才進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。

（2）鄰居節(jié)點當前數(shù)據(jù)處理負載狀況

假設iT為節(jié)點iN轉發(fā)數(shù)據(jù)包的處理時延，jTr是數(shù)據(jù)包j到達節(jié)點iN的時刻，jTs是節(jié)點iN將數(shù)據(jù)包j再次發(fā)送出去的時刻。則iT可由以下公式計算得到：

（3）鄰居節(jié)點移動速度以及移動方向

當一個節(jié)點高速向目標節(jié)點移動時，該節(jié)點將數(shù)據(jù)包成功地轉發(fā)到目標節(jié)點的可能性最大。如圖2所示，設定節(jié)點 Ni在t1時刻的位置為，在 t2時刻它移動到了位置。擁有數(shù)據(jù)包的節(jié)點 NC的位置是，目標節(jié)點 Nd的位置為。在該情況下，鄰居節(jié)點 Ni的移動速度，數(shù)據(jù)包轉發(fā)方向與節(jié)點移動方向之間的切角由式（3）和式（4）給出。

（4）鄰居節(jié)點周圍節(jié)點密度

在VANET中，下一跳轉發(fā)節(jié)點iN自身周圍的鄰居節(jié)點密度越高，則iN轉發(fā)數(shù)據(jù)包成功的概率越大。在實際轉發(fā)過程中，節(jié)點iN通過Beacon數(shù)據(jù)包周期性的廣播的形式采集周圍節(jié)點密度iρ，并將iρ通告至準備向其轉發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點。當iN的鄰居節(jié)點密度大于鄰居節(jié)點密度的閾值sρ時，iN才有可能成為下一跳轉發(fā)節(jié)點。

圖 2 節(jié)點移動速度與移動方向評估場景

1.2.1.2 梯度值的計算

梯度值就是在單獨計算所有的評估尺度參量后，通過聯(lián)合分析評估所有的尺度參量權值計算得出的，其中1C、2C、3C、4C、5C為加權系數(shù)，如式（5）所示：

滿足所有評估參量的節(jié)點都會根據(jù)以上公式計算得到自身的梯度值(Ni)。通過對梯度值的比較，梯度值最大的 Ni即被選擇為最佳轉發(fā)節(jié)點。由于梯度是個矢量，梯度值是由2.5式算出的標量值，而梯度的方向為從當前節(jié)點指向梯度值最大節(jié)點的方向。

1.2.2 LGFR協(xié)議

當前節(jié)點根據(jù)一跳內(nèi)的節(jié)點的梯度值進行轉發(fā)，將數(shù)據(jù)包轉發(fā)至最佳轉發(fā)節(jié)點，并且通告周圍鄰居節(jié)點最佳轉發(fā)節(jié)點的控制信息。當最佳轉發(fā)節(jié)點成功接受數(shù)據(jù)包，完成校驗后，將成功接受數(shù)據(jù)包的控制信息，通告至本次轉發(fā)過程中的其他節(jié)點。如果在其他轉發(fā)候選節(jié)點在數(shù)據(jù)包過期前未收到該數(shù)據(jù)包已被成功接受的控制信息，系統(tǒng)會依次選擇在優(yōu)先級隊列存儲起來的其他候選節(jié)點重復上述過程。如果所有節(jié)點都已完成這次轉發(fā)，但仍沒有成功收到數(shù)據(jù)包的通告，則判定此次轉發(fā)過程失敗，開始新一周期的轉發(fā)流程。接收到轉發(fā)包的節(jié)點重復上一節(jié)點的過程，選取自己的最佳下一跳轉發(fā)節(jié)點，直到傳播到第五跳節(jié)點停止繼續(xù)向前轉發(fā)，這是因為安全消息的特殊性，不需要一直向遠方車輛轉發(fā)，第五跳節(jié)點即為目的節(jié)點。通過基于LGFR的轉發(fā)方法最終在整個傳播過程中形成一條梯度值的最大路徑，這樣數(shù)據(jù)包就會沿著此條路徑傳輸?；贚GFR協(xié)議的路由建立過程的流程圖如圖3所示。

圖3 基于LGFR協(xié)議的路由建立過程

2 仿真實驗與結果分析

如表1所示，為了評估所提出的基于LGFR的VANET安全消息傳播機制的性能，采用Network Simulator 2.31[7-8]作為仿真平臺來驗證LGFR的性能。仿真場景采用曼哈頓移動模型，每次仿真隨機設定20對源節(jié)點與目標節(jié)點，通過運行200次仿真測試，最終的仿真結果取統(tǒng)計平均值。

表1 網(wǎng)絡仿真參數(shù)列表

如圖4所示，LGFR的丟包率最低，這是由于GPSR較少考慮道路拓撲對于路徑選擇的影響，而AODV必須頻繁修復中斷的轉發(fā)鏈路，LGFR在選擇數(shù)據(jù)包轉發(fā)鏈路上依據(jù)局部梯度場的策略，并不是僅僅依靠地理信息或者網(wǎng)絡拓撲的情況來判斷下一跳節(jié)點是否為最佳轉發(fā)節(jié)點，極大的提高了數(shù)據(jù)包在VANET中的轉發(fā)概率。如圖5所示，在轉發(fā)第五跳至第六跳的過程中，三種路由協(xié)議都有一個階段性的時延峰值出現(xiàn)，這是某一處的路口轉角造成的陰影信道衰弱，導致在這兩跳數(shù)據(jù)包轉發(fā)的丟包率急速上高。LGFR考慮到下一跳節(jié)點的移動速度與移動方向，可選擇新出現(xiàn)的鄰居節(jié)點作為最佳下一跳轉發(fā)節(jié)點，快速建立高可靠性的數(shù)據(jù)包轉發(fā)鏈路，并且從整個時延峰值變化區(qū)間來觀察，LGFR同樣具有更小的時延抖動。如圖6所示，隨著節(jié)點轉發(fā)跳數(shù)的增加，三種路由協(xié)議的全局數(shù)據(jù)吞吐量都呈下降趨勢。在此情況下，LGFR的全局數(shù)據(jù)吞吐量下降速率是三者中最慢的。

圖4 丟包率與轉發(fā)跳數(shù)

圖5 數(shù)據(jù)包端到端平均時延與轉發(fā)跳數(shù)

圖6 全局數(shù)據(jù)吞吐量與轉發(fā)跳數(shù)

對于AODV，城市交通環(huán)境下的復雜性決定了AODV必須頻繁修復中斷的轉發(fā)鏈路，建立新的路由。GPSR由于嬰兒步問題極大影響了路由轉發(fā)效率，導致吞吐量瓶頸。LGFR依靠最佳機會轉發(fā)節(jié)點機制，建立了高可靠性的轉發(fā)鏈路，因此其數(shù)據(jù)包轉發(fā)較少受到移動網(wǎng)絡拓撲的影響。

3 結語

在分析了典型的VANET路由協(xié)議后，提出了基于LGFR的VANET安全消息傳播機制。首先，提出基于距離、數(shù)據(jù)包處理時延、移動速度、移動方向、鄰居節(jié)點密度等參量生成局部場梯度值的策略。然后，根據(jù)梯度值大小進行安全消息轉發(fā)的優(yōu)先級排序，從中選取最佳路由轉發(fā)節(jié)點。最后，選擇AODV和GPSR作為比較對象，利用NS2作為仿真平臺，以曼哈頓移動模型作為仿真城市道路場景，測試了三種協(xié)議在城市交通環(huán)境下的路由性能表現(xiàn)。仿真結果表明，LGFR相對其他兩種路由協(xié)議能更加好地適應城市道路應用場景，其各項網(wǎng)絡指標也在三種路由協(xié)議中擁有最佳的性能表現(xiàn)。

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