孫友偉, 孫小田, 王　楠

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

基于位置和定向泛洪的車聯(lián)網(wǎng)區(qū)域路由協(xié)議

孫友偉, 孫小田, 王楠

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710121)

摘要:為提高車載自組網(wǎng)通信中路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，?duì)區(qū)域路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。在分組中加入節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、速度和時(shí)間字段，各節(jié)點(diǎn)接收分組后，記錄或更新此信息到自身位置緩存表。路由發(fā)現(xiàn)階段，節(jié)點(diǎn)位移大于位置更新半徑時(shí)才更新路由，以此減少路由發(fā)現(xiàn)次數(shù)；非目的節(jié)點(diǎn)查詢位置緩存表或路由表后直接應(yīng)答，以此加快路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間。數(shù)據(jù)傳輸階段，節(jié)點(diǎn)通過定向區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)以限制泛洪，以此降低控制開銷。通過搭建車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，對(duì)60個(gè)節(jié)點(diǎn)在5～50 m/s速度下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，改進(jìn)方案可使時(shí)延降低6%～13%，分組投遞率增加6%～20%。另當(dāng)節(jié)點(diǎn)速度大于35 m/s時(shí)，可使控制開銷減少7%～14%。

關(guān)鍵詞:車載自組網(wǎng);區(qū)域路由協(xié)議;位置信息;位置緩存表;定向限制泛洪

車載自組網(wǎng)(VehicleAdhocNetwork,VANET)是指車人、車車、車路和車云之間，通過實(shí)時(shí)交通信息的采集、共享、發(fā)布和處理，更好地對(duì)道路和車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度，以保障人們的出行安全和出行效率[1-2]。在VANET中，汽車節(jié)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)具有很高移動(dòng)性，對(duì)路由技術(shù)有著更為嚴(yán)苛的要求，以適應(yīng)快速變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)[3]。VANET路由協(xié)議可分為先應(yīng)式、反應(yīng)式和混合式3種[4-5]，大部分由移動(dòng)自組網(wǎng)路由協(xié)議改進(jìn)而來，因各有側(cè)重，缺乏普遍適用性，難以滿足VANET不同場(chǎng)景的實(shí)際需求[6-7]。

作為混合路由協(xié)議的代表，區(qū)域路由協(xié)議(ZoneRoutingProtocol,ZRP)[8]將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干虛擬區(qū)域，區(qū)域內(nèi)采用先應(yīng)式路由，區(qū)域間采用反應(yīng)式路由。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)存在通信需求時(shí)，首先查詢?cè)垂?jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)是否處在同一區(qū)域內(nèi)。若在，則直接發(fā)送；若不在，啟動(dòng)區(qū)域間路由發(fā)現(xiàn)，由邊界傳播分解協(xié)議(BordercastResolutionProtocol,BRP)構(gòu)造邊界廣播樹，將路由請(qǐng)求直接擴(kuò)散到邊界節(jié)點(diǎn)，由邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域內(nèi)查找，直至找到目的節(jié)點(diǎn)。ZRP繼承并結(jié)合了先應(yīng)式和反應(yīng)式路由的優(yōu)點(diǎn)，可用于VANET。目前，關(guān)于ZRP協(xié)議的研究主要集中在優(yōu)化區(qū)域半徑和引入位置輔助方面[9-10]。

ZRP中分組傳播均通過廣播形式全向擴(kuò)散，占用大量信道資源，開銷較大。借鑒現(xiàn)實(shí)生活中尋找目標(biāo)的方法，假設(shè)知道目標(biāo)位置，即可有針對(duì)性地只在目標(biāo)活動(dòng)軌跡范圍內(nèi)進(jìn)行查找，從而更快更省地找到目標(biāo)。

本文擬對(duì)ZRP進(jìn)行改進(jìn)，利用節(jié)點(diǎn)位置信息(坐標(biāo)、速度和時(shí)間)指導(dǎo)路由發(fā)現(xiàn)過程，繼而通過計(jì)算定向區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行精細(xì)化限制泛洪，給出基于位置和定向泛洪的區(qū)域路由協(xié)議(Location-basedandRestricted-floodingZRP,LR-ZRP)，以求提高ZRP協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，滿足VANET對(duì)時(shí)延、開銷的特殊需求。

1區(qū)域路由協(xié)議改進(jìn)

1.1位置更新

ZRP協(xié)議中，區(qū)域內(nèi)路由協(xié)議(IntrazoneRoutingProtocol,IARP)使用先應(yīng)式路由，周期性交換路由信息，將由拓?fù)渥兓a(chǎn)生的信息傳播限制在區(qū)域內(nèi)部，區(qū)域間路由協(xié)議(InterzoneRoutingProtocol,IERP)使用反應(yīng)式路由，需要時(shí)才開始路由發(fā)現(xiàn)[11]。ZRP區(qū)域劃分重疊度較高，若網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^慢，節(jié)點(diǎn)相對(duì)位置變化較小，則頻繁盲目地發(fā)起路由更新，容易導(dǎo)致多余網(wǎng)絡(luò)開銷，增加延時(shí)。

LR-ZRP引入位置觸發(fā)機(jī)制，結(jié)合周期性更新和位置更新，繼而指導(dǎo)路由更新。LR-ZRP能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀況，對(duì)尋路過程作出及時(shí)自適應(yīng)修復(fù)或優(yōu)化路由，從而更準(zhǔn)確有效地維護(hù)區(qū)域內(nèi)路由。

1.1.1位置觸發(fā)更新機(jī)制

借鑒無線通信手機(jī)尋找基站的方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己的位置區(qū)移動(dòng)到一個(gè)新地方，就主動(dòng)告知，向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)起位置更新。例如，設(shè)置位置更新半徑R，節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻t0位于(X0，Y0)，時(shí)刻t1運(yùn)動(dòng)到(X1，Y1)，若

則主動(dòng)廣播一個(gè)位置更新分組(LocationUpdatePacket,LUDP)給周圍節(jié)點(diǎn)，其中包括節(jié)點(diǎn)當(dāng)前速度、時(shí)間和坐標(biāo)字段，否則，不更新位置。如此，則可保證位置信息的實(shí)時(shí)性。

1.1.2周期性更新機(jī)制

由于累積效應(yīng)，各節(jié)點(diǎn)自身位置變化不大，但是節(jié)點(diǎn)之間間距變大，鏈路可能發(fā)生變化?；蛘哂捎谖恢米兏⒋嬖跁r(shí)效性，節(jié)點(diǎn)位置并沒有變化，但受網(wǎng)絡(luò)信號(hào)影響，無法找到該節(jié)點(diǎn)。保留周期性位置更新，要求節(jié)點(diǎn)每隔一定時(shí)間，不管位置區(qū)有沒有變化，都發(fā)起向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)起位置更新，可保證位置信息的有效性。

當(dāng)LR-IARP結(jié)合位置觸發(fā)和周期性位置更新，獲知到區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)位置信息引起的路由發(fā)生變化后，主動(dòng)通知LR-IERP進(jìn)行路由更新。LR-IERP可及時(shí)進(jìn)行無效路由修復(fù)和最佳路由優(yōu)化。

1.2位置緩存表

定位設(shè)備只可幫助節(jié)點(diǎn)獲知到自身位置信息[12]，包括當(dāng)前速度、時(shí)間和坐標(biāo)，但路由發(fā)現(xiàn)時(shí)，還需知道其他節(jié)點(diǎn)位置信息，且位置信息越即時(shí)，路由就越精確。LR-ZRP協(xié)議中，通過位置觸發(fā)和周期性更新機(jī)制，各節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一張位置緩存表和一張路由表。位置緩存表記錄著周圍節(jié)點(diǎn)的位置信息，并定期清除無效信息，它就像是一張局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

LR-ZRP協(xié)議請(qǐng)求分組分為位置請(qǐng)求分組(LocationRequest,LREQ)和路由請(qǐng)求分組(RoutingRequest,RREQ)2種。每個(gè)LREQ分組均記錄自身節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)以及所經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)的即時(shí)位置信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到LREQ分組后，都會(huì)對(duì)比時(shí)間字段的值，判斷時(shí)間新舊程度，創(chuàng)建或更新此信息到自己的位置緩存表，繼而優(yōu)化或修復(fù)路由表。各節(jié)點(diǎn)位置信息實(shí)時(shí)更新，為定向精細(xì)化限制路由提供有效保障。

ZRP協(xié)議規(guī)定，只有目的節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，才可對(duì)接收到的路由請(qǐng)求回送路由應(yīng)答，所以路由發(fā)現(xiàn)所用時(shí)間比較長(zhǎng)。LR-ZRP協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)查找目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，只需查詢當(dāng)前節(jié)點(diǎn)位置緩存表或路由表，存在目的節(jié)點(diǎn)位置信息或路由信息，即可直接進(jìn)行應(yīng)答，能減小路由查詢時(shí)間。

1.3路由定向查找轉(zhuǎn)發(fā)

ZRP協(xié)議中，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)處在本地區(qū)域之外時(shí)，IERP只能發(fā)起全向廣播進(jìn)行盲目尋找，網(wǎng)絡(luò)開銷太大。LR-IERP利用節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)位置信息，按位置區(qū)進(jìn)行分區(qū)域?qū)ふ?，能有目的地定向精?zhǔn)查找，有助減少廣播風(fēng)暴產(chǎn)生。

源節(jié)點(diǎn)S通過查詢位置緩存表，獲知目的節(jié)點(diǎn)D在時(shí)刻t0所處位置和速度，估算D在時(shí)刻t1的可能活動(dòng)范圍。最佳路由請(qǐng)求區(qū)域必須盡可能覆蓋S和D的有效活動(dòng)區(qū)域，以及包含尋路所必須的中間節(jié)點(diǎn)。綜合考慮各節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)誤差和時(shí)刻t1目的節(jié)點(diǎn)D可能區(qū)域預(yù)測(cè)誤差，以及搜索區(qū)域必須盡可能覆蓋必需的中間節(jié)點(diǎn)，還要充分限制無效泛洪，確定較為合理的路由請(qǐng)求區(qū)域。

若目的節(jié)點(diǎn)D在時(shí)刻t0位于(X0，Y0)，Vmax是t0到t1時(shí)間段內(nèi)D的最大速度，則在時(shí)刻t1，D的可能活動(dòng)區(qū)域是以r=Vmax×(t1-t0)為半徑的圓形區(qū)域。以該圓形區(qū)域的外接四邊形3個(gè)頂點(diǎn)和過S與D連線L的垂線,確定矩形區(qū)域ABCE，即為路由請(qǐng)求區(qū)域(圖1)。點(diǎn)A，B，C和E的縱橫坐標(biāo)分別為

圖1　LR-ZRP請(qǐng)求區(qū)域

中間節(jié)點(diǎn)通過計(jì)算自己到矩形框各頂點(diǎn)的距離和，對(duì)比A點(diǎn)到B、C和E的距離和，從而判斷自己是否處在區(qū)域內(nèi)。位于路由請(qǐng)求區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)才能參與轉(zhuǎn)發(fā)，若在區(qū)域之外，則不再繼續(xù)傳播，由此限制泛洪。

由于GPS設(shè)備各節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)誤差、t1時(shí)刻D節(jié)點(diǎn)可能區(qū)域預(yù)測(cè)誤差以及有限搜索范圍未覆蓋有效中間節(jié)點(diǎn)等原因，都可能導(dǎo)致規(guī)定時(shí)間內(nèi)未找到路由，則要修正搜索范圍重新查找，極端情況下回歸ZRP協(xié)議廣播查找。

邊界傳播分解協(xié)議LR-BRP工作機(jī)制類似于BRP，在此不再贅述。

2改進(jìn)協(xié)議的路由轉(zhuǎn)發(fā)過程

2.1源節(jié)點(diǎn)獲取目的節(jié)點(diǎn)位置信息

源節(jié)點(diǎn)S存在通信需求時(shí)，需先獲知D位置，具體過程描述如下。

步驟1S查找自身位置緩存表中是否存在D的位置信息。若有，轉(zhuǎn)步驟4。若無，轉(zhuǎn)步驟2。

步驟2LR-IARP在本地區(qū)域內(nèi)廣播位置請(qǐng)求。若成功，回送位置應(yīng)答給S，并轉(zhuǎn)步驟4；若不成功，轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3沿著BRP邊界樹，廣播位置請(qǐng)求。若成功，放入D位置信息，回送位置應(yīng)答，轉(zhuǎn)步驟5；若不成功，回送位置錯(cuò)誤。

步驟4判斷S和D是否同處一個(gè)區(qū)域。若是，直接轉(zhuǎn)發(fā)；否則，轉(zhuǎn)步驟5。

步驟5依據(jù)S和D的坐標(biāo)計(jì)算路由請(qǐng)求區(qū)域，并加入S和D位置信息后生成路由請(qǐng)求，借助BRP邊界樹轉(zhuǎn)發(fā)。

具體流程如圖2所示。

圖2LR-ZRP中S的尋路流程

2.2中間節(jié)點(diǎn)的處理

中間節(jié)點(diǎn)可能是區(qū)域內(nèi)部節(jié)點(diǎn)或廣播樹邊界節(jié)點(diǎn)，對(duì)其處理過程可描述如下。

步驟1 中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的路由請(qǐng)求所攜帶信息和自身位置緩存表，對(duì)比信息新舊程度，互相更新。其中包括S、D的位置信息。

步驟2中間節(jié)點(diǎn)判斷是否為重復(fù)接收。若是，丟棄；若否，轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3中間節(jié)點(diǎn)對(duì)比自身和路由請(qǐng)求所攜帶的D位置信息。若是目的節(jié)點(diǎn)，沿先前累積路由回送路由應(yīng)答；若否，轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4中間節(jié)點(diǎn)通過計(jì)算判定自己是否存在于確定的請(qǐng)求區(qū)域內(nèi)部。如果不在，丟棄；如果在，轉(zhuǎn)步驟5。

步驟5中間節(jié)點(diǎn)標(biāo)記所經(jīng)路由記錄，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。直至找到目的節(jié)點(diǎn)D。

步驟6S接收路由應(yīng)答之后，確定路由已經(jīng)成功建立，開始傳輸。至此，LR-ZRP尋路結(jié)束。

以上流程如圖3所示。

圖3　LR-ZRP中中間節(jié)點(diǎn)的尋路流程

3性能評(píng)估

使用NetworkSimulator(version2)進(jìn)行仿真分析，具體參數(shù)見表1。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)生成場(chǎng)景。由于LR-ZRP加入了位置觸發(fā)更新機(jī)制，需要設(shè)置檢測(cè)周期:節(jié)點(diǎn)速度小于30m/s時(shí)，每2s檢測(cè)一次; 其余設(shè)置為1s。

表1　仿真參數(shù)

3.1分組投遞率

節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加快導(dǎo)致位移范圍增大，網(wǎng)絡(luò)中無效鏈路增多，分組投遞率均隨之減小。同等速度狀況，LR-ZRP的分組投遞率較之ZRP的分組投遞率更好，如圖4所示，這是因?yàn)椋篫RP區(qū)域內(nèi)是周期性路由更新，無法根據(jù)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀況，針對(duì)性自適應(yīng)修復(fù)和優(yōu)化路由，鏈路失效導(dǎo)致分組投遞率較低：LR-ZRP結(jié)合位置觸發(fā)和周期性更新方式，借助位置緩存表信息，及時(shí)修正路由發(fā)現(xiàn)，能更加準(zhǔn)確、有效地維護(hù)區(qū)域內(nèi)外路由，分組投遞率也相應(yīng)較高。

圖4　分組投遞率

3.2控制開銷

LR-ZRP協(xié)議引入了位置信息，控制開銷包括位置控制開銷和路由控制開銷兩部分。ZRP與LR-ZRP控制開銷隨速度的變化情況如圖5所示。隨著最大移動(dòng)速度增加至大約35m/s，LR-ZRP控制開銷開始小于ZRP控制開銷，說明當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)稍快時(shí)，LR-ZRP控制開銷增加幅度較小。仿真初始，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)較慢，相應(yīng)位移變化范圍也較小，相較于ZRP只有路由開銷，LR-ZRP包函了位置更新開銷和路由開銷兩部分，總的控制開銷自然大于ZRP；但當(dāng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度逐漸增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)位置變化開始有些劇烈，ZRP沒有位置控制分組，但節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)可能導(dǎo)致路由失效，需要重新發(fā)起路由，開銷增大，而此時(shí)LR-ZRP優(yōu)勢(shì)漸顯，根據(jù)頻繁的節(jié)點(diǎn)位置更新，路由及時(shí)修復(fù)或優(yōu)化，確定出來的路由請(qǐng)求區(qū)域也更加精確，相較于ZRP盲目全向泛洪，LR-ZRP控制開銷更小。

圖5　控制開銷

3.3平均端到端時(shí)延

ZRP與LR-ZRP的平均端到端時(shí)延均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。同等速度狀況，LR-ZRP平均端到端時(shí)延少于ZRP，如圖6所示，這是因?yàn)椋篫RP協(xié)議的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化會(huì)造成原路由失效，只有目的節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)接收到路由請(qǐng)求之后才可回送路由應(yīng)答，時(shí)延較大；LR-ZRP引入位置緩存表，只需當(dāng)前節(jié)點(diǎn)位置緩存表或路由緩存表中存在目的節(jié)點(diǎn)位置信息或路由信息，即可進(jìn)行應(yīng)答，減小了路由查詢時(shí)間。LR-ZRP利用節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)性位置信息，及時(shí)調(diào)整路由，網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力較之ZRP更優(yōu)，所以平均端到端時(shí)延少于ZRP。

圖6　平均端到端時(shí)延

4結(jié)語

VANET旨在保障道路交通安全、提高出行效率和防范治理擁堵，更好地應(yīng)對(duì)車輛數(shù)量激增帶來的各類挑戰(zhàn)。通過分析VANET常見路由協(xié)議，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際問題，對(duì)ZRP進(jìn)行改進(jìn)，得出一種基于位置信息和定向泛洪的新型區(qū)域路由協(xié)議(LR-ZRP)。仿真分析顯示，LR-ZRP在控制開銷和分組投遞率方面均優(yōu)于ZRP。另在節(jié)點(diǎn)較高速度下，LR-ZRP控制開銷增長(zhǎng)幅度趨于平緩。

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[責(zé)任編輯:瑞金]

Location-basedandrestricted-floodingzoneroutingprotocolforvehicleadhocnetwork

SUNYouwei,SUNXiaotian,WANGNan

(SchoolofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)

Abstract:In order to improve the efficiency of data transmission and routing discovery in the process of the vehicle ad hoc network communication, the zone routing protocol(ZRP) is improved by adding coordinates, speed, and time fields in data packets. After receiving the packet, the node records or updates its own position cache table according to the position information. In the route discovery phase, when the position shift is bigger than the radius of the location update, then the node update the route, which can reduce the times of route discovery. According to the location cache table and routing table, the non-destination node replies directly to the route requests, which can reduce the route discovery time. In the data transmission phase, the node can transmit data by restricting flooding range to reduce the control overhead. Simulation experiments are carried out by building the car networking scene on the 60 nodes at 5～50 m/s speed. Results show that the improved protocol can reduce the delay about 6%～13%, and increase the packet delivery rate about 6%～20%. Besides, when the node speed is greater than 35 m/s, the control overhead can be reduced by 7% to 14%.

Keywords:vehicle ad hoc network, zone routing protocol, location information, position cache table, restricted flooding

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.02.009

收稿日期：2015-11-28

作者簡(jiǎn)介：孫友偉(1956-)，男，教授，從事下一代通信網(wǎng)研究。E-mail:syw@xupt.edu.cn 孫小田(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。E-mail:627877256@qq.com

中圖分類號(hào)：TN913.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6533(2016)02-0046-06