李 超， 韓江洪，2， 魏振春，2， 衛(wèi) 星，2

（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）

VANET場(chǎng)景下的GPSR－R路由算法

李 超1， 韓江洪1，2， 魏振春1，2， 衛(wèi) 星1，2

（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）

路由選擇是實(shí)現(xiàn)VANET的關(guān)鍵技術(shù)之一，沒(méi)有合適而高效的路由選擇算法，VANET就無(wú)法工作。由于路由在長(zhǎng)距離通信時(shí)多跳易斷裂，通信鏈路只需滿足通信需求即可。文章對(duì)GPSR路由協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，提出了VANET場(chǎng)景下的GPSR路由算法：GPSR－R。GPSR－R根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間鏈路建立的網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行綜合考慮，充分利用不穩(wěn)定但滿足需求的路由完成信息的傳遞。分析結(jié)果表明，GPSR－R在數(shù)據(jù)包傳遞率、丟包率方面優(yōu)于GPSR和GPSR－AD。

GPSR－R算法；通信需求；VANET場(chǎng)景

隨著“車聯(lián)網(wǎng)”概念的提出，在如何進(jìn)一步發(fā)展智能交通系統(tǒng)ITS（intelligent transport system）應(yīng)用的問(wèn)題上，世界各國(guó)不約而同地將注意力集中到車載通信系統(tǒng)上。近年來(lái)，將移動(dòng)ad hoc自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于車輛，組成ad hoc網(wǎng)絡(luò)VANET（vehicular ad hoc networks）以實(shí)現(xiàn)車輛間的信息交互已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)［1－4］。

路由協(xié)議處于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的核心位置，為2個(gè)節(jié)點(diǎn)建立交換的路徑是網(wǎng)絡(luò)性能的重要影響因素之一。VANET作為移動(dòng)自組網(wǎng)的一種特殊的形式，有其自身的特點(diǎn)，若直接采用傳統(tǒng)的移動(dòng)自組網(wǎng)路由協(xié)議則難以取得良好的網(wǎng)絡(luò)性能。

在VANET中，研究較多的有2類：基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議和基于位置的路由協(xié)議。AODV是最具代表性的基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議；GPSR是最具代表性的基于位置的路由協(xié)議。GPSR路由算法在查找過(guò)程中，為了避免空洞的產(chǎn)生，利用右手法則沿空洞周圍傳輸來(lái)解決此問(wèn)題，采用周邊鄰居節(jié)點(diǎn)保存路由信息，是一個(gè)無(wú)狀態(tài)的協(xié)議；在右手法則尋找路由的過(guò)程中，拋棄了備用節(jié)點(diǎn)，因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)在鏈路和路由跳數(shù)上不是最優(yōu)節(jié)點(diǎn)。

在GPSR路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)下一跳選擇采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行信息的傳遞。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)方式在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度很高的情況下具有傳輸時(shí)延小、轉(zhuǎn)發(fā)成功率高的特點(diǎn)，但是在傳遞距離長(zhǎng)、路由需要多跳的情況下，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)由于通信空洞的存在而導(dǎo)致分組轉(zhuǎn)發(fā)失敗。

本文提出一種VANET場(chǎng)景下的路由選擇算法GPSR－R，在路由的尋找過(guò)程中參考節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)需求，充分利用不穩(wěn)定信道來(lái)完成任務(wù)，既滿足了消息傳輸?shù)幕拘枰脖苊饬嗽陂L(zhǎng)距離傳輸中路由由于多跳信息傳遞率下降的情形。

1 VANET模型

對(duì)VANET作出如下假設(shè)［7］：

（1）車輛能獲知自己的速度、加速度、位置和方位角。

（2）車輛都有無(wú)線通信接口，通信距離為300～1 000 m，VANET為一個(gè)平面網(wǎng)絡(luò)。

（3）在VANET中車輛的能量被認(rèn)為是不會(huì)耗盡的，且通信消耗的能量忽略不計(jì)。

蒸發(fā)法的原理是從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，利用產(chǎn)生的熱能將液體蒸發(fā)，最后再回收冷卻水蒸汽的方法，此種方法的優(yōu)勢(shì)是得到的淡水水質(zhì)較好。目前，海水脫鹽淡化技術(shù)經(jīng)過(guò)發(fā)展演化的蒸發(fā)法脫鹽技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[15]。多效蒸餾法是一項(xiàng)20世紀(jì)中期重要的脫鹽技術(shù)，雖然工藝比較成熟并且運(yùn)行穩(wěn)定，然而存在一些問(wèn)題如能耗高、設(shè)備易腐蝕結(jié)垢等缺點(diǎn)[16]。20世紀(jì)70年代末,以色列研發(fā)了低溫多效蒸餾技術(shù)，有效緩解了多效蒸餾法的缺點(diǎn)[17]。利用多效蒸餾法可以獲得較大的產(chǎn)水量，但是高效率也代表著更高的單位產(chǎn)水量的成本和投資費(fèi)用。郭衛(wèi)平[18]研究表明，對(duì)于成分復(fù)雜以及污染性強(qiáng)的污染物，不適合用膜法脫鹽處理。

（4）在VANET中，車輛通過(guò)周期性廣播的狀態(tài)信息（如位置、速度、加速度等）實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍車輛的感知。

以上假設(shè)反映了VANET的本質(zhì)特性。

2 問(wèn)題描述

某十字路口情形如圖1所示，虛線圈表示車輛的通信范圍，車輛1為源節(jié)點(diǎn)，車輛2為目的節(jié)點(diǎn)。在圖示時(shí)刻，車輛2即將左轉(zhuǎn)，進(jìn)入與車輛1行駛公路垂直的公路；一方面，車輛1和車輛2之間可以進(jìn)行通信，另一方面，可以借助車輛3作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建更為穩(wěn)定的路由。但是由于信息傳遞時(shí)間很短，不需要構(gòu)建很穩(wěn)定的路由，所以車輛1可以直接向車輛2發(fā)送信息。

圖1 十字路口情形

某線狀公路情形如圖2所示，虛線圈表示車的通信范圍，車輛1為源節(jié)點(diǎn)，車輛n為目的節(jié)點(diǎn)，在圖示時(shí)刻，車輛1和2中間有很多車輛，但是車輛2處于車輛1通信范圍能覆蓋到的最遠(yuǎn)的地方，車輛1和2之間建立的通信鏈路雖然不是很穩(wěn)定，但也能滿足通信的需求；同理可以選擇車輛3作為車輛2通信的下一車輛，依次傳遞，直到消息發(fā)送到車輛n，通信完成。通過(guò)這樣的方式構(gòu)建的路由雖然不是很穩(wěn)定，但是可以滿足通信的需求。

圖2 線狀公路情形

車輛位置動(dòng)態(tài)路由如圖3所示。車輛1為源節(jié)點(diǎn)，車輛4為目的節(jié)點(diǎn)，2個(gè)虛線圈分別表示車輛1和2的通信范圍。當(dāng)車輛1向車輛4發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)有路由1→2→3→4和1→2→4可以選擇。由圖3可知，車輛4在下一時(shí)刻即將駛離車輛2的通信范圍，但是考慮到不穩(wěn)定信道能滿足通信需求即可，鏈路1→2→4可以作為選擇。

在路由選擇中，將對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信速度和信號(hào)衰減等進(jìn)行評(píng)估，以上節(jié)點(diǎn)在計(jì)算理論可行的最大通信速率時(shí)，可能成為最優(yōu)的路由節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行上述路由選擇時(shí)均未考慮需求所要持續(xù)的時(shí)間，僅僅選擇出一條可通信的路由。

圖3 車輛位置動(dòng)態(tài)路由圖

GPSR－R算法綜合考慮車輛的行駛速度、相對(duì)位置、行車方位等來(lái)評(píng)估行車路由存活時(shí)間，根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求，依靠車間通信速率得到需求時(shí)間，建立GPSR路由改進(jìn)算法。

3 VANET場(chǎng)景下的GPSR－R算法

3.1 GPSR路由協(xié)議

GPSR路由協(xié)議使用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法建立路由。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法是選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中距離目的節(jié)點(diǎn)最近的作為下一跳路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)［8］。協(xié)議流程圖如圖4所示。

3.2 鄰居路由表更新策略

源車輛把Hello數(shù)據(jù)包預(yù)先傳遞給其一跳的鄰居車輛，一方面，移動(dòng)車輛能追蹤每個(gè)車輛的位置，另一方面，數(shù)據(jù)包也告訴其在鄰居路由表中當(dāng)前車輛的位置，這樣就能粗略地估計(jì)出中間鄰居車輛。

Hello數(shù)據(jù)包如圖5所示。

圖5 Hello數(shù)據(jù)包格式

數(shù)據(jù)包格式中，ID為車輛的ID號(hào)；X、Y為當(dāng)前車輛所處平面中的坐標(biāo)位置；vx、vy為車輛在X和Y方向上的速度；F為一個(gè)標(biāo)志位；θx、θy分別為車輛行駛的方位角；r為車輛的通信半徑。

經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，車輛準(zhǔn)確的位置信息可以通過(guò)傳遞Hello數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)測(cè)。如果同樣車輛的信息被接收，那么在同一時(shí)間對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包中位置信息將被更新。通過(guò)速度來(lái)估計(jì)周圍鄰居車輛在一段時(shí)間以后的位置，每一輛車都能確定在通信范圍內(nèi)可通信車輛的數(shù)量；如果一輛車當(dāng)前位置在源車輛通信范圍內(nèi)未被找到，那么這輛車將不會(huì)成為一個(gè)鄰居車輛。

因此，該策略用Hello數(shù)據(jù)包來(lái)幫助源車輛和下一跳鄰居車輛預(yù)先進(jìn)行信息交換。基于從Hello數(shù)據(jù)包中獲取的信息，每個(gè)車輛都能定時(shí)更新它自身鄰居路由表中的信息。

3.3 GPSR－R算法的主要思想

GPSR－R算法是基于網(wǎng)絡(luò)需求的GPSR路由選擇算法，將每個(gè)車輛作為一個(gè)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只維護(hù)其發(fā)射范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的位置、行駛速度、方位角信息；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收斂、貪婪轉(zhuǎn)發(fā)、路徑優(yōu)化進(jìn)行篩選，并將節(jié)點(diǎn)通信時(shí)間與路由維護(hù)時(shí)間進(jìn)行比較，自動(dòng)選擇出只需滿足通信需求而對(duì)鏈路穩(wěn)定性要求不高的路由。

3.3.1 路由存活時(shí)間RMT計(jì)算模型

路由存活時(shí)間RMT（routing maintenance time）是指從源車輛1到目的車輛n的路由維護(hù)時(shí)間。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)的傳輸能力相同，則任意2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的距離小于傳輸半徑時(shí)，都可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)間是保持連接的。

如果考慮2輛車i和j（1≤i≤j≤n），它們的通信半徑為r，速度分別為vi和vj，位置分別為（xi，yi）和（xj，yj），速度的方位角分別為θi和θj，則這2輛車之間鏈路維護(hù)時(shí)間為：

3.3.2 節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)間T計(jì)算模型

節(jié)點(diǎn)通信時(shí)間是指信息從1→n傳遞所需要的時(shí)間，主要包括由節(jié)點(diǎn)到下一跳發(fā)送所需的時(shí)間和在每一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)上的等待時(shí)間；計(jì)算這2個(gè)時(shí)間，再將從節(jié)點(diǎn)1→2→…→n傳遞的時(shí)間片累加，即可得到總時(shí)間。

若T（i，j）表示數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)i→j傳輸所需的時(shí)間，S（i，j）表示數(shù)據(jù)在j點(diǎn)停留等待轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間，則有：

其中，S（i，j）＝j(luò)中待傳輸數(shù)據(jù)堆棧長(zhǎng)度×獲取時(shí)間片需要等待的時(shí)間／一次發(fā)送長(zhǎng)度。

其中，G為數(shù)據(jù)包大小；C（i，j）為i→j的傳輸速率。

信道傳輸速率C＝W lb2（1＋SINR），SINR＝Pre／N0，W 為常量，SINR為信噪比，N0為無(wú)線通信中的固有噪聲，Pre為接收節(jié)點(diǎn)j收到i的信號(hào)強(qiáng)度。

時(shí)間片等待時(shí)間由于媒體接入方式不同而有所不同，如果對(duì)此時(shí)間評(píng)估，與實(shí)際情況嚴(yán)重不符。路由選擇上采用的是按需執(zhí)行，因此在每個(gè)節(jié)點(diǎn)開始承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)時(shí)，可以估計(jì)到自己能夠得到的時(shí)間片的時(shí)間，再逐步累加進(jìn)行預(yù)估，作為參考數(shù)據(jù)。

3.4 GPSR－R算法描述

GPSR－R路由查找采用以下步驟：

（1）在群體節(jié)點(diǎn)中，一定周期Δt內(nèi)進(jìn)行一次位置更新。

（2）節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)n發(fā)起一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求，先發(fā)送RREQ路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，請(qǐng)求信息中包含發(fā)起車輛的應(yīng)用請(qǐng)求所需的通信時(shí)間T。

（3）節(jié)點(diǎn)1周圍的節(jié)點(diǎn)收到信息后，首先要判斷本節(jié)點(diǎn)是否轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)此數(shù)據(jù)包，若未轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)，則將下一節(jié)點(diǎn)設(shè)置為鄰居節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將自身現(xiàn)在維持的鏈路堆棧信息加入RREQ數(shù)據(jù)包中，查找自己通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)位置信息，將RREQ轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點(diǎn)。

（4）當(dāng)查找完成后，若節(jié)點(diǎn)1信息傳遞到節(jié)點(diǎn)n所需的通信時(shí)間T小于路由維護(hù)時(shí)間RMT，則選擇該路由；否則轉(zhuǎn)至步驟（1），直到RREQ發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)得到路由，做出回應(yīng)。

在路由節(jié)點(diǎn)選擇方向上采用以下辦法進(jìn)行初步判定：① 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)累計(jì)的傳輸速率已經(jīng)低于預(yù)定閾值比例a，停止轉(zhuǎn)發(fā)該請(qǐng)求；②當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與上一節(jié)點(diǎn)鏈路維護(hù)時(shí)間低于應(yīng)用需求時(shí)間的，停止轉(zhuǎn)發(fā)該請(qǐng)求。

GPSR－R算法路由選擇中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)RREQ請(qǐng)求時(shí)，為了避免形成循環(huán)鏈路，需解包檢驗(yàn)是否接收過(guò)此請(qǐng)求。

為了避免形成“空洞”，路由推進(jìn)路徑如圖6所示。節(jié)點(diǎn)A收到RREQ數(shù)據(jù)包，目的節(jié)點(diǎn)為D；車A坐標(biāo)為（0，0），R為A的無(wú)線通信范圍；收到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的請(qǐng)求后，A向通信范圍內(nèi)的車輛發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求；B、F節(jié)點(diǎn)首先收到，B、F再次轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，需要做出判斷，如果鏈路F已經(jīng)處理過(guò)此請(qǐng)求信息，則F對(duì)B的轉(zhuǎn)發(fā)不做任何處理。

圖6 路由推進(jìn)路徑示意圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文采用臺(tái)灣交通大學(xué)研制的NCTUns軟件，它將交通仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真緊密耦合在一個(gè)模塊中，提供單一的車輛網(wǎng)絡(luò)環(huán)境［9］。對(duì)改進(jìn)算法GPSR－R和GPSR路由算法以及GPSR－AD算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，為了更準(zhǔn)確地說(shuō)明本文所提出的路由改進(jìn)算法的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選取車輛間的距離作為橫坐標(biāo)，對(duì)其數(shù)據(jù)包傳遞成功率以及丟包率進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文改進(jìn)算法的數(shù)據(jù)包傳遞率以及丟包率要優(yōu)于GPSR路由算法和GPSR－AD算法。

仿真場(chǎng)景為寬50 m、長(zhǎng)3 000 m的公路，車輛移動(dòng)速度范圍為20～30 m／s，MAC層協(xié)議為802.11，車輛通信覆蓋半徑為300 m，車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 000，要傳遞數(shù)據(jù)包大小為512 B，仿真時(shí)間為150 s。GPSR－R和 GPSR、GPSR－AD算法性能比較如圖7所示。

由圖7a可知，隨著車輛間距的增加，3種算法的數(shù)據(jù)包傳遞成功率均逐漸減小，GPSR－R算法的數(shù)據(jù)包傳遞成功率比GPSR和GPSR－AD算法下降得更為緩慢。這是因?yàn)镚PSR具有貪婪轉(zhuǎn)發(fā)的特點(diǎn)，路由跳數(shù)相對(duì)較少，當(dāng)距離增大以后，數(shù)據(jù)包傳遞的成功率就會(huì)顯著降低；GPSRAD考慮了距離和角度的關(guān)系，所以下降并沒(méi)有GPSR算法大；而GPSR－R則考慮了路由跳數(shù)較多的因素，通過(guò)算法的改進(jìn)，減小因?yàn)榫嚯x增大而對(duì)數(shù)據(jù)包傳遞成功率的影響。

由圖7b可知，隨著車輛間距的增加，3種算法在丟包率方面均逐漸上升，GPSR－R的丟包率上升緩慢，而GPSR－AD和GPSR算法則上升較快。這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)距離傳輸中，GPSR－R算法考慮了滿足傳輸需求的通道也可以作為傳輸信道，減少了路由開銷，提高了效率，使得丟包率上升并不明顯。

圖7 GPSR－R和 GPSR、GPSR－AD算法性能比較

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)GPSR協(xié)議應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)實(shí)際場(chǎng)景時(shí)因傳輸距離長(zhǎng)而造成數(shù)據(jù)傳遞率下降的情形，本文提出了VANET場(chǎng)景下的GPSR路由改進(jìn)算法GPSR－R。GPSR－R算法充分利用不穩(wěn)定但滿足需求的路由完成信息的傳遞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車輛間數(shù)據(jù)在長(zhǎng)距離傳輸情形下，GPSR－R在數(shù)據(jù)包傳遞率、丟包率方面要優(yōu)于GPSR和GPSRAD。

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GPSR－R routing algorithm in VANET scenario

LI Chao1， HAN Jiang－h(huán)ong1，2， WEI Zhen－chun1，2， WEI Xing1，2

（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）

Routing is a key technology of vehicular ad hoc networks（VANET）.VANET will not work without appropriate and efficient routing algorithm.Because the long－distance multi－h(huán)op routing is breakable，the communication link only need to satisfy the basic need of communication.In this paper，a GPSR－R routing algorithm in VANET scenario is proposed to make an improvement in GPSR routing protocol.GPSR－R takes comprehensive consideration of network requirements which is built up by the mobile nodes，and makes full advantage of routing which is unstable but can complete transmission of information.The simulation results show that GPSR－R does better than GPSR and GPSRAD in packet delivery rate and packet loss rate.

GPSR－R algorithm；basic need of communication；vehicular ad hoc networks（VANET）scenario

TP393.02

A

1003－5060（2015）02－0181－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.009

2014－02－17；

2014－06－01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61370088）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20100111110004）和安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（1208085QF113）

李 超（1990－），男，浙江金華人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

韓江洪（1954－），男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 胡亞敏）