李文琴，高　任

(1.長江師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶408100；2.武漢大學(xué) 電信學(xué)院，湖北 武漢430072)

面向VANET的基于蟻群的移動(dòng)感知區(qū)域優(yōu)化路由*

李文琴1，高任2

(1.長江師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶408100；2.武漢大學(xué) 電信學(xué)院，湖北 武漢430072)

車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的特性給數(shù)據(jù)傳輸提出挑戰(zhàn)。為此，充分利用車輛的移動(dòng)模型、車輛速度和車輛密度等信息，提出了基于蟻群優(yōu)化算法的移動(dòng)感知區(qū)域VANET路由(Mobility Aware Zone based Ant Colony Optimization Routing for VANET，MAZACORNET)。MAZACORNET屬于多路徑的混合路由協(xié)議。該協(xié)議首先利用蟻群優(yōu)化算法在節(jié)點(diǎn)間尋找多路徑，用以輔助斷裂鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，將網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)區(qū)域。在區(qū)域內(nèi)使用先應(yīng)式路由方案尋找路由，而區(qū)域間利用局部信息，引用反應(yīng)式路由方案去建立路由，從而降低了數(shù)據(jù)風(fēng)暴以及擁塞率。仿真結(jié)果表明，MAZACORNET在車輛密集環(huán)境表現(xiàn)出良好性能。與其他路由方案相比，MAZACORNET具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率和較低的傳輸時(shí)延。

蟻群優(yōu)化;區(qū)域；多路徑；路由；VANETs

0　引言

車聯(lián)網(wǎng) VANET(Vehicular Ad Hoc Network)是自組織網(wǎng)(Ad Hoc Network)的特例。VANET中的車輛可與鄰近的車輛或路邊設(shè)施(Road Side Units，RSU)通信。為此，VANET的通信可分為車間通信(Vehicle-to-Vehicle，V2V)和車與基礎(chǔ)設(shè)施通信(Vehicle-to-Infrastructure，V2I)。在V2V通信中，車輛采用短距離無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛間信息的交換，如Wi-Fi和 WAVE[1]。車輛通過特殊的電子設(shè)備使其能接收、發(fā)送消息。在V2I通信中，道路上的車輛能與鄰近的RSU進(jìn)行連接并交互信息。本文，主要針對V2V通信展開分析。

在V2V中，車輛通過車載單元向其他車輛傳遞消息。車輛的快速移動(dòng)和其分布的不均勻，為VANET的路由提出了挑戰(zhàn)。首先，鏈路的使用壽命受車輛移動(dòng)的影響；其次由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，每個(gè)車輛的路由表需不斷的更新，這將會(huì)增加額外通信負(fù)擔(dān)，甚至?xí)鸲氯鸞2-3]，使得數(shù)據(jù)包的傳輸變得更為艱難。為此，本文，提出多路徑路由算法。

依據(jù)路由策略，路由可分為 5類[4]：(1)基于拓?fù)渎酚?Topology-Based Routing)；(2)基于位置路由(Positionbased Routing)；(3)分簇路由(Cluster-based Routing)；(4)廣播路由(Broadcast Routing)；(5)組播路由(Geocast Routing)。在拓?fù)渎酚芍校帽泶鎯?chǔ)拓?fù)湫畔⒉⑼ㄟ^請求更新，如AODV[5]。在位置路由中，車輛通過系統(tǒng)獲取車輛的位置信息決策路由，如 GPSR[6]。分簇路由[7]是將節(jié)點(diǎn)分簇，構(gòu)成虛擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。地理區(qū)域被劃分為網(wǎng)格，并在網(wǎng)格內(nèi)選取節(jié)點(diǎn)作為簇首(Cluster Head)。簇首負(fù)責(zé)簇間以及簇內(nèi)的協(xié)調(diào)工作。廣播路由就是通過廣播分發(fā)數(shù)據(jù)包，如BROADCOMM[8]。組播路由在地理區(qū)域內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)，并限制區(qū)域內(nèi)泛洪，如 IVG[9]。每類路由具有各自的獨(dú)立的特點(diǎn)。本文提出的算法引用拓?fù)浜突谖恢寐酚蓛煞N策略理念。

VANET的路由可描述成單路徑、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)路徑和多路徑路由?，F(xiàn)存有大量的多路徑路由，如按需多路徑距離矢量路由[10](Ad hoc On-Demand Multi-path Distance Vector，AOMDV)，S-AOMDV[11]，AODVM[12]。這些路由是基于AODV的改進(jìn)版，屬于反應(yīng)式路由，不具有可擴(kuò)展性。例如，S-AOMDV通過額外的數(shù)據(jù)提高路由發(fā)現(xiàn)效率以及修復(fù)路由失敗，這會(huì)引起通信擁塞，降低帶寬利用率。

移動(dòng)自組織網(wǎng)的研究工作[13-14]表明，受昆蟲激勵(lì)的自然啟發(fā)算法被成功地引入路由機(jī)制，如基于蟻群優(yōu)化(Ant Colony based Optimization，ACO)。與其他算法[15-16]相比，此類算法表現(xiàn)良好的性能。如：通過共享局部信息，減少路由負(fù)擔(dān)；提供多路徑路由，以防路由失敗。

目前，面向 VANET的移動(dòng)感知的蟻群優(yōu)化算法[17](Mobility-Aware Aant Colony Optimization，MARDYMO)是唯一受自然啟發(fā)的路由算法。該算法屬于反應(yīng)式路由，采用廣播機(jī)制向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)車輛傳遞消息，這將占用大量的帶寬，且不具有可擴(kuò)展性。

本文提出了混合式的ACO算法。該算法將充分有效利用帶寬，并具有可擴(kuò)展性，對鏈路斷裂具有強(qiáng)健性。將車輛歸入?yún)^(qū)域，每個(gè)車輛屬于一個(gè)或兩個(gè)重疊區(qū)域。在區(qū)域內(nèi)通過先應(yīng)式算法尋找路由。在區(qū)域間通過存儲(chǔ)于每個(gè)區(qū)域內(nèi)的局部信息，并采用反應(yīng)式算法尋找路由。通過這種方式，減少廣播和擁塞。充分利用車輛的移動(dòng)模型、車輛密度和車輛速度去構(gòu)建多路徑算法，即(Mobility Aware Zone based Ant Colony Optimization Routing for VANET，MAZACORNET)。

車輛的移動(dòng)使得車輛在短時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)離彼此的通信范圍。為此，在設(shè)計(jì)路由時(shí)，必須對車輛的位置以及車輛間連接進(jìn)行管理。在MAZACORNET中，通過全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)獲取位置和速度信息。通過車輛間連接管理提高路由的穩(wěn)定性，通過車輛的位置、速度信息可計(jì)算鏈路的穩(wěn)定性。

1　蟻群優(yōu)化算法

從自然界得到解決問題的方法被稱為群體智慧(Swarm intelligence，SI)。作為群體智慧之一的蟻群優(yōu)化算法就是被廣泛應(yīng)用于解決靜態(tài)和動(dòng)態(tài)問題[18]。

Goss[19]研究了螞蟻的行為，研究結(jié)果表明，螞蟻能夠從食物源到自己巢穴之間找到最短路徑，而且能夠輕巧避開障礙物。螞蟻在通往食物路徑上存儲(chǔ)化學(xué)物質(zhì)，將這種物質(zhì)稱為信息素。后續(xù)的螞蟻依據(jù)信息素沿著路徑移動(dòng)。螞蟻通常向信息素多的地方靠攏。沿著信息素多的地方移動(dòng)，就能以最短路徑找到食物。這個(gè)過程就是間接通信的示例。

2　MAZACORNET

2.1鏈路的穩(wěn)定性

位置管理和連接管理對路由算法的性能起到非常關(guān)鍵的作用。通常，通過GPS獲取車輛的位置和速度信息。連接管理用于維持路由的穩(wěn)定性。

假定行駛道路上的兩個(gè)車輛 i、j，通過 GPS獲取的初始位置分別為(Xi0，Yi0)和(Xj0，Yj0)，初始速度分別為 Vi0和Vj0。如果兩個(gè)車輛在同一個(gè)通信范圍內(nèi)，則認(rèn)為它們是鄰居。用D表示兩車間的距離，R表示通信范圍。如果D>R，鏈路斷裂。車輛i、j間的鏈路的使用壽命△t表示從鏈路建立時(shí) t0到當(dāng) D=R時(shí) t1時(shí)間差，即 △t=t1-t0。如果給定車輛的位置以及速度，鏈路的使用壽命△t可通過式(1)進(jìn)行計(jì)算[20]。

其中，X=(Xi0+Vi0△t)-(Xj0+Vj0△t)，Y=(Yi0+Vi0△t)-(Yj0+Vj0△t)。

車輛i、j間的鏈路的穩(wěn)定性LS(Link Stability)可通過式(2)進(jìn)行計(jì)算[21]：

其中，tmax為常數(shù)，表示路由表的有效期。在本文提出的算法中，鏈路穩(wěn)定性將被用于決策路由。

2.2面向VANET的ACO模型

信息素是ACO算法中最為關(guān)鍵的參數(shù)。在蟻群中，信息素被存儲(chǔ)于地面上，從而吸引更多的螞蟻沿著由信息素構(gòu)成的路由移動(dòng)。對于VANET，聚集在鏈路上的信息素的增加和減弱均表征了該鏈路的質(zhì)量。為了獲取高質(zhì)量的鏈路，應(yīng)尋找沿途沉積信息素大的路徑，即優(yōu)質(zhì)鏈路。假定從源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)鏈路Lij，沉積的信息素量 △φij可表示為式(3):

其中，LS表示鏈路的質(zhì)量，可由式(2)進(jìn)行計(jì)算，PR表示成功接受消息的概率。

成功接受消息的概率PR取決于在同一個(gè)通信范圍內(nèi)車輛間的距離，可通過 Nakagami Fading Model[22]進(jìn)行估計(jì)。該模型結(jié)合了VANET的高速、城市環(huán)境的特點(diǎn)，如式(4)所示。其中，m表示衰減參數(shù)。例如，當(dāng)m=3，表示快速衰減環(huán)境。

通過式(3)和(4)，沉積在鏈路Lij上的信息素可通過式(5)進(jìn)行計(jì)算：

在ACO算法中，信息素的蒸發(fā)率φ通常設(shè)定為常數(shù)[23]。然而，在本文提出的算法中，針對每條不同的鏈路，φ的值不同。每條鏈路Lij的蒸發(fā)率可通過式(6)計(jì)算。

以上分析了面向VANET的ACO路由算法，接下來將分析基于蟻群優(yōu)化的混合式移動(dòng)感知路由算法。該算法具有可擴(kuò)展性，并結(jié)合了反應(yīng)式和先應(yīng)式路由的優(yōu)點(diǎn)。

2.3基于蟻群的區(qū)域算法

在本文算法中，網(wǎng)絡(luò)劃分為區(qū)域。在區(qū)域內(nèi)通過先應(yīng)式算法傳輸數(shù)據(jù)包，區(qū)域與區(qū)域間采用反應(yīng)式算法。通信跳數(shù)決定區(qū)域的尺寸大小。車輛可處于兩個(gè)重疊區(qū)域，區(qū)域尺寸也可變動(dòng)。依據(jù)車輛所處區(qū)域的位置，可將車輛分為區(qū)內(nèi)車輛(Interior Vehicle)、區(qū)邊車輛(Boundary Vehicle)和區(qū)外車輛(Exterior Vehicle)。如圖1所示，源節(jié)點(diǎn)S，區(qū)域半徑為2跳，車輛A、D、F處于邊界上，稱為區(qū)邊車輛。車輛 B 、C、E是區(qū)內(nèi)車輛，其他的車輛屬區(qū)外車輛。

圖1　車輛類別劃示意圖

路由過程主要分為兩個(gè)階段：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。本文算法采用兩類路由表：區(qū)內(nèi)路由表(Intra Zone Routing)和區(qū)間路由表(Inter Zone Routing)。區(qū)內(nèi)路由表實(shí)時(shí)更新區(qū)域內(nèi)信息，而區(qū)間路由表按需追蹤區(qū)間信息。在路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)階段，使用五類蟻群，分別為區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)蟻群(Internal Forward Ants)、區(qū)外轉(zhuǎn)發(fā)蟻群(External Forward Ants)、后向蟻群(Backward Ants)、通告蟻群(Notification Ants)以及錯(cuò)誤蟻群(Error Ants)。

螞蟻用的數(shù)據(jù)表示格式如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)格式

其中，Source表示源節(jié)點(diǎn)地址。Destination表示目的節(jié)點(diǎn)地址，對于區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)的蟻群，該區(qū)域?yàn)榭?。Sequence number表示每個(gè)螞蟻附身的序列號(hào)。Type用于標(biāo)識(shí)不同類的螞蟻，區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)蟻群、區(qū)外轉(zhuǎn)發(fā)蟻群、后向蟻群、通告蟻群以及錯(cuò)誤蟻群分別用 0、1、2、3、4表示。Hop表示節(jié)點(diǎn)與區(qū)域內(nèi)所有其他節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)。該區(qū)域的值用于辨別節(jié)點(diǎn)是屬于區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)或非區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)。Speed表示該節(jié)點(diǎn)的速度。Position表示該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的位置。Path表示由一系列節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的路徑。

(1)區(qū)域內(nèi)的路由發(fā)現(xiàn)

區(qū)內(nèi)路由表用于區(qū)域內(nèi)的路由發(fā)現(xiàn)階段。該表包含了區(qū)域內(nèi)所有車輛的信息。區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)的蟻群周期地更新表中的車輛信息。表中的列表示區(qū)域內(nèi)所有車輛，而行表示離其他車輛一跳距離的車輛。在路由表中，通過式(5)和式(6)增加和減弱信息素識(shí)別路由。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，首先查詢區(qū)內(nèi)路由表的列，如果目的節(jié)點(diǎn)在它的區(qū)域，路由發(fā)現(xiàn)階段就完成了，否則，就在區(qū)域間進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，如下文所示。

(2)區(qū)域間的路由發(fā)現(xiàn)階段

當(dāng)車輛在其區(qū)域內(nèi)不能找到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，區(qū)域間路由表就開始發(fā)揮作用。通過區(qū)域間路由表尋找區(qū)邊車輛，以構(gòu)建新的路由。區(qū)外轉(zhuǎn)發(fā)蟻群向區(qū)邊節(jié)點(diǎn)靠攏，直到發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)。一旦發(fā)現(xiàn)了目的節(jié)點(diǎn)，后向蟻群將向源節(jié)點(diǎn)遍歷返回路線。然而，如果沒有發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)或路徑的有效期已過期，則從當(dāng)前區(qū)域使用區(qū)邊節(jié)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，直到發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)。

(3)路由維護(hù)

由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，路由可能斷裂。如果是在區(qū)域內(nèi)路由斷裂，則按先應(yīng)式算法原則周期地修復(fù)。若是在區(qū)域間路由斷裂，則該路由的上游車輛存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包并選擇備用路由。如果存在備用路由，則啟動(dòng)備用路由并更新。如果不存在，則通過錯(cuò)誤蟻群向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由失敗消息。

3　系統(tǒng)仿真及分析

3.1仿真場景建立

使用隨機(jī)街道的都市場景進(jìn)行仿真。初始仿真區(qū)域?yàn)?500 m×500 m的區(qū)域，車輛數(shù)為 25，交通燈數(shù)為 10。隨后，區(qū)域變?yōu)? 500 m×1 500 m，車輛數(shù)增加至100。構(gòu)建NS2仿真參數(shù)如下：

(1)仿真時(shí)間設(shè)定為2 000 s，車輛于t=0 s時(shí)刻移動(dòng)，于t=100 s開始傳輸；

(2)車輛數(shù)目被設(shè)定為25、50、75、100；

(3)數(shù)據(jù)包大小為512 B；

(4)采用PriQuenue隊(duì)列；

(5)采用IEEE 802.11pw作為MAC協(xié)議；

(6)采用Nagakami傳播模型；

(7)仿真的協(xié)議為：MAZCORNET、AODV、AMODV、GPSR。

3.2仿真結(jié)果

本小節(jié)分析MAZCORNET的路由性能，并與其他路由協(xié)議比較。

3.2.1車輛數(shù)目對端到端傳輸時(shí)延的影響

圖2顯示了車輛數(shù)目對端到端傳輸時(shí)延的影響曲線。與AODV、AMODV和GPSR相比，MAZCORNET的端到端傳輸時(shí)延最低。這主要?dú)w功于MAZCORNET采用了區(qū)域架構(gòu)、區(qū)內(nèi)路由表和區(qū)間路由表。在區(qū)域內(nèi)，通過先應(yīng)式路由維護(hù)區(qū)內(nèi)路由表，而在區(qū)間存有由蟻群存儲(chǔ)的路徑。通過這些預(yù)先準(zhǔn)備的路徑信息有助于提高數(shù)據(jù)包端到端的快速傳輸。使用式(6)調(diào)整鏈路上信息素的減弱率，導(dǎo)致斷裂鏈路能及時(shí)被蟻群發(fā)現(xiàn)并丟棄。通過這些措施減輕了MAZACORNET端到端傳輸時(shí)延。

圖2　端到端傳輸時(shí)延隨車輛數(shù)目的變化

3.2.2車輛數(shù)目對數(shù)據(jù)包傳遞率的影響

圖3顯示了MAZACORNET以及其他路由算法AODV、AMODV、GPSR的數(shù)據(jù)包傳遞率。從圖3可知，當(dāng)車輛數(shù)目較少時(shí)，MAZCORNET并不具有良好的數(shù)據(jù)包傳遞率。這主要是由于沉積在鏈路上的信息素很少，區(qū)邊車輛不能傳遞數(shù)據(jù)包。在這種情況下，上游車輛緩存所有的數(shù)據(jù)包，并啟動(dòng)修復(fù)程序，尋找通往目的節(jié)點(diǎn)的其他路徑。一旦發(fā)現(xiàn)了新的路徑，將告知源節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，緩存的數(shù)據(jù)包就依據(jù)這條新發(fā)現(xiàn)的路徑傳遞到目的節(jié)點(diǎn)。從圖3可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，MAZACORNET數(shù)據(jù)包傳遞率優(yōu)于其他路由算法。這主要是因?yàn)镸AZACORNET具有多條路徑選擇，而AODV和GPSR的路徑選擇是單一的。

圖3　數(shù)據(jù)包傳遞率隨車輛數(shù)目的變化

3.2.3車輛數(shù)目對數(shù)據(jù)吞吐量的影響

吞吐量性能曲線如圖4所示。當(dāng)車輛數(shù)目增加，MAZACORNET的吞吐量性能最好。這是因?yàn)殡S著車輛數(shù)目的增加，區(qū)域內(nèi)車輛數(shù)也隨之增加，這會(huì)提高區(qū)域內(nèi)車輛的連接率，增加了路徑數(shù)，從而使數(shù)據(jù)傳輸更為流暢，降低了數(shù)據(jù)包的丟失率，提高了數(shù)據(jù)包的傳輸率，如圖3所示。

圖4　吞吐量隨車輛數(shù)目的變化

3.2.4車輛數(shù)目對路由開銷的影響

圖5顯示了MAZACORNET以及其他路由算法AODV、AOMDV、GPSR的路由開銷性能曲線。由于 AODV和AOMDV是屬于反應(yīng)式路由，無區(qū)域概念。而 MAZACORNET在區(qū)域內(nèi)使用了先應(yīng)式路由理念。通過周期地發(fā)送控制包維護(hù)區(qū)域內(nèi)路由，這是MAZACORNET路由開銷的主要來源。

圖5　路由開銷隨車輛數(shù)目的變化

本節(jié)，通過仿真結(jié)果分析了文中提出算法的性能。結(jié)果表明，MAZACORNET更適合城市場景即密集網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密集時(shí)，該算法能獲取較高的數(shù)據(jù)傳遞率和較低的端到端傳輸時(shí)延，與其他路由算法相比，由于MAZACORNET能夠提供多條路徑，維持較高的通信連接率，因此表現(xiàn)出更好的性能。

4　結(jié)論

針對VANET的路由問題，提出MAZACORNET路由方案。該方案是基于先應(yīng)式和反應(yīng)式兩種路由理念的混合多路徑路由算法。在路由決策過程中，不廣播消息，并提供多條可選路徑。將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為不同的區(qū)域。在區(qū)域內(nèi)通過先應(yīng)式路由方案建立路徑，而在區(qū)域間采用反應(yīng)式路由方案尋找路由，從而減少控制包廣播的次數(shù)，降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞率。仿真結(jié)果表明，提出的MAZACORNET在密集車輛區(qū)域表現(xiàn)出了良好的性能，有效地提高了數(shù)據(jù)包傳輸率，降低了端到端傳輸時(shí)延。

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Mobility aware zone based ant colony optimization routing for VANET

Li Wenqin1，GAO Ren2
(1.College of Mathematics and Computer Science,Yangtze Normal University,Chongqing 408100，China；2.Telecommunications Institute，Wuhan University,Wuhan 430072,China)

Vehicular ad hoc networks(VANETs)exhibit highly dynamic behavior with mobility and changed network topologies, which make a challenge in data transmission.Therefore,to make use the information of the vehicle’s movement pattern,vehicle density and vehicle velocity，mobility aware zone based ant colony optimization routing for VANET(MAZACORNET)is proposed. MAZACORNET is hybrid and multi-path routing.It uses ACO to find multiple routes between nodes in the network to aid in link failures.Meanwhile,the network is partitioned into multiple zones.The proactive approach is used to find a route within a zone and the reactive approach is used to find routes between zones using the local information stored in each zone thereby trying to reduce broadcasting and congestion.The simulation results show that the algorithm works well for dense networks.When compared to other existing algorithms,the hybrid algorithm proved to be more efficient in terms of packet delivery ratio and end to end delay.

ant colony optimization；ZONE；multi-path；routing；VANETs

TP393

A

0258-7998(2015)01-0094-05

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014060302017

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD30E05）；重慶市科委自然科學(xué)基金計(jì)劃(2010BB2244)

2014-06-03)

李文琴（1976-），女，講師，主要研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)智能信息處理。

高任(1964-)，男，教授，主要研究方向：認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)頻譜接入技術(shù)。