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        基于公交節(jié)點的VANET路由算法研究

        2017-11-02 18:18:41王永福
        軟件導(dǎo)刊 2017年10期

        王永福

        摘要:城市公交車具有遍布街區(qū)道路、行駛線路固定等特點,VANET網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)分組傳輸可通過公交車自組織網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),但公交車網(wǎng)絡(luò)能否在數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)揮作用取決于對公交車運(yùn)行規(guī)律的利用程度。提出一種公交車自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法,該算法建立了公交節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸模式,給出了路由選擇優(yōu)化準(zhǔn)則。與已有研究相比,該路由算法具有很好的數(shù)據(jù)分組投遞率和可靠性,能獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸路徑。實驗結(jié)果表明,該路由算法提高了數(shù)據(jù)分組投遞率,降低了數(shù)據(jù)分組傳輸延遲,具有較強(qiáng)的可伸縮性。

        關(guān)鍵詞:VANET;路由算法;平均時延

        DOIDOI:10.11907/rjdk.171668

        中圖分類號:TP312文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:16727800(2017)010007203

        0引言

        車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular adhoc Network,VANET)是一種特殊的移動自組織網(wǎng)絡(luò)。VANET有兩種通信方式:車輛節(jié)點與路邊基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通信和車輛節(jié)點與車輛節(jié)點(V2V)間的通信[12]。車輛通信時路由選擇是VANET網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題之一,其目的是找到源節(jié)點與目的節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)包的有效路徑。

        本文提出一種基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由算法(BCR),該路由算法將公共汽車總線作為移動骨干網(wǎng)。公共汽車作為城市環(huán)境下的特殊節(jié)點具有獨特優(yōu)勢:①與普通汽車相比具有較低的運(yùn)行速度;②城市環(huán)境下公共汽車數(shù)量有限;③公共汽車的運(yùn)行線路固定,其運(yùn)行軌跡可循[34]。本文路由算法將公交總線作為網(wǎng)絡(luò)的移動骨干網(wǎng),采用MIVANET架構(gòu)[5],選擇具有最少節(jié)點數(shù)的路徑,減少了端到端的平均時延,增加了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包投遞率,同時減少了目的節(jié)點數(shù)量。與傳統(tǒng)的基于距離矢量(AODV)路由協(xié)議[6]相比,本文算法減少了傳輸數(shù)據(jù)時控制分組的數(shù)量,提高了城市環(huán)境下路由的整體性能。采用仿真軟件NS2模擬實驗表明,相比于VANET中現(xiàn)有的AODV路由協(xié)議算法,本算法在數(shù)據(jù)投遞率和平均延遲方面都得到顯著改善。

        1相關(guān)工作

        VANET路由協(xié)議通常分為3類:基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議、基于地理位置的路由協(xié)議以及基于簇的路由協(xié)議,此外還有將幾種路由方案綜合在一起的混合路由算法[79]。對于一般的VANET路由協(xié)議,請參考文獻(xiàn)[10]。這里僅簡要闡述使用公交總線轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的算法。

        文獻(xiàn)[11]提出了基于上海地圖的公交網(wǎng)絡(luò)方案。通過使用公交線路時間表、公交線路信息等,對其進(jìn)行時空模式建模。公交網(wǎng)絡(luò)路由算法類似于VANET中的混合路由算法[1213]。文獻(xiàn)[14]對AODV路由協(xié)議進(jìn)行了修改,提出一種公交車AODV路由協(xié)議(BCR)。BCR路由協(xié)議選擇的公交線路數(shù)相對較少,但由于周期性廣播消息而導(dǎo)致額外的帶寬消耗。文獻(xiàn)[15]中,將公交車作為所有道路的中繼節(jié)點,研究了公交車輔助車載自組織網(wǎng)絡(luò)的組播能力。

        在MIVANET結(jié)構(gòu)[5]中,公交車起到數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓歉勺饔谩L岢隽艘环N兩層的MIVANET模型結(jié)構(gòu),將公共汽車作為消息傳播的移動骨干網(wǎng)。

        定義1每個公交車配備有兩種無線接口。低層用于與普通節(jié)點間通信。用于公交車節(jié)點內(nèi)部專用通信,信道上具有較大的傳輸范圍。

        定義2普通節(jié)點構(gòu)成MIVANET模型的低層結(jié)構(gòu)。當(dāng)車輛節(jié)點要發(fā)送消息時,必須在一輛公交車節(jié)點上注冊。

        在MIVANET模型中,路由機(jī)制是一種基于位置的算法,它假設(shè)車輛節(jié)點均勻分布在道路上,每條公交車線路都有一條包含所有公交線路信息的數(shù)字街道地圖。本文提出的方法即基于這種模型,但路由卻是基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的算法。

        2城市交通特點

        城市交通環(huán)境下車輛節(jié)點特征:普通車輛約占全部汽車的80%,公交車所占不到20%。公共汽車路線規(guī)則,與出租車和私家車相比,其運(yùn)行速度較慢,它們之間很容易建立通信。

        選擇5條公交線路的區(qū)域路段研究公交線路特征。每條線路的公交車發(fā)車時間間隔約為10min。每條道路有兩個方向,兩條相鄰公交車之間的平均時間約為10/5/2=1min。假設(shè)隨機(jī)乘坐10輛公交車,公交車的最高行駛速度約為40km/h。由于公交車站臺和交通信號燈的頻繁變化,其平均車速僅為15km/h,因而網(wǎng)絡(luò)中的公共汽車可以保持良好連通狀態(tài)。

        3BCR路由方案

        本文提出一種基于表驅(qū)動的路由協(xié)議算法,將公共汽車作為移動主干網(wǎng)來轉(zhuǎn)發(fā)消息,稱為BCR,下面闡述具體步驟。

        3.1鄰居節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程

        周期性廣播Hello消息,收到Hello消息的節(jié)點把發(fā)送節(jié)點注冊為其鄰居節(jié)點。在節(jié)點表中設(shè)置一個超時參數(shù)值并記錄相關(guān)鄰居節(jié)點信息。如果節(jié)點在一個超時周期內(nèi)沒有收到從鄰居發(fā)來的任何Hello消息,就將該鄰居節(jié)點從列表中刪除。

        3.2消息傳播機(jī)制

        消息傳播過程中,包含鄰居鏈路信息的鏈路狀態(tài)分組(Link State Packet,LSP)將發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點。該過程由兩部分組成:①處理LSP的完整性。當(dāng)一個節(jié)點生成新的LSP后,必須通過廣播機(jī)制將其發(fā)送給所有節(jié)點。節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)分組后,將其發(fā)送到除該分組的源節(jié)點之外的所有鄰居節(jié)點;②當(dāng)節(jié)點檢測到鏈路發(fā)生變更時,每個離開鏈路的節(jié)點通過鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)包(LSP)將其離開的消息廣播到所有其它節(jié)點。這些LSP被洪泛到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點。當(dāng)每個節(jié)點接收到該信息時,將更新自己的網(wǎng)絡(luò)視圖。

        3.3路由算法

        該算法靈感來源于人工智能領(lǐng)域的規(guī)劃方法,具體闡述如下。

        路線選擇4條準(zhǔn)則:

        準(zhǔn)則1:如果網(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點B和節(jié)點C具有相同的鏈接,且鏈路狀態(tài)表也相似,則刪除兩個節(jié)點中的一個,如圖1所示。

        準(zhǔn)則2:如圖2所示,如果在一個節(jié)點的LS表中呈現(xiàn)的節(jié)點也呈現(xiàn)在另一個節(jié)點的LS表中,則刪除不會擴(kuò)展任何新路由的那個節(jié)點。endprint

        準(zhǔn)則3:如果一個節(jié)點可從其它節(jié)點的LS表中組合生成其LS表,則將從LS表中刪除冗余的那個節(jié)點。如圖3所示,節(jié)點B可以與節(jié)點E和F通信,同時這兩個節(jié)點可通過A和C連通,所以刪除節(jié)點B不會影響路由。

        準(zhǔn)則4:如果一個節(jié)點只有一個鏈接節(jié)點,那么該節(jié)點將自動從LS表中刪除,這將簡化促進(jìn)路由。如圖4所示,節(jié)點B將從LS表中刪除,因為它只有一個節(jié)點。

        算法步驟如下:定義S表示源節(jié)點,D表示目的節(jié)點,表示節(jié)點S的LS表,為路由表。在初始狀態(tài)下,W=,C=φ,路徑長度為零,節(jié)點S的路由表中無其它節(jié)點信息。假設(shè)D∈,則當(dāng)Di時,對于W里面的每個節(jié)點Ni,如果Ni是Nj的鄰居節(jié)點,同時Ni且Nj∈,則有C=C∪{Ni},此時W=W-C。對于C中的每個節(jié)點Ni,C=C-Ni。如果Ni沒被準(zhǔn)則1、準(zhǔn)則2及準(zhǔn)則3刪除,則將Ni節(jié)點添加到中,并將網(wǎng)絡(luò)路徑長度k加1。k表示路徑長度,當(dāng)k>0、Ni可從中刪除時,則通過刪除Ni更新,同時路徑長度k減1。

        4路由性能評估

        4.1仿真參數(shù)設(shè)置

        仿真實驗使用NS2.35[18]。為了更好地評估本文所提算法性能,在相同的仿真場景下對經(jīng)典的路由算法AODV和GSR算法加以實現(xiàn),仿真環(huán)境設(shè)置如表1所示。對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行多組實驗,抽取其中10次仿真結(jié)果并生成其平均值。

        本文算法性能評估實驗,主要對數(shù)據(jù)包投遞率、端到端平均時延及平均鏈路持續(xù)時間進(jìn)行分析比較。

        4.2仿真結(jié)果分析

        初始階段沒有路由表信息,致使開始過程中會有數(shù)據(jù)包丟失。如圖5所示,所有路由算法投遞率都低于60%,在節(jié)點數(shù)量較低時,網(wǎng)絡(luò)會出現(xiàn)分離現(xiàn)象,導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)包不能成功交付,故數(shù)據(jù)包投遞率最低。其中基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的AODV路由算法數(shù)據(jù)丟失率最高,因為AODV路由算法只考慮了城市環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓瑳]有考慮VANET網(wǎng)絡(luò)節(jié)點特性。采用Dijkstra最短路徑算法進(jìn)行路由選擇,隨著節(jié)點數(shù)量的增大,其數(shù)據(jù)投遞率也明顯下降。BCR則實現(xiàn)了最高的分組投遞率,因其考慮了VANET特征,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度增加時,借助公交車輛節(jié)點,明顯減少了網(wǎng)絡(luò)中參與路由節(jié)點數(shù)目,所以該算法在數(shù)據(jù)投遞率方面表現(xiàn)優(yōu)異。

        圖5數(shù)據(jù)投遞率

        如圖6所示,與其它路由算法相比,BCR呈現(xiàn)最低的延遲,主要原因是與普通車輛節(jié)點相比,公交車的通信半徑范圍較大。此外,BCR的控制分組開銷較小,因為只有公交車發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點從100增加到500時,其端到端平均時延從47ms增長到103ms。相比其它兩種路由算法,其性能表現(xiàn)最佳。

        圖6端到端平均時延

        圖7表明,在節(jié)點數(shù)量較少的情況下,AODV算法和GSR具有更長的鏈路持續(xù)時間,但是隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量的增加,AODV路由算法的鏈路有效時間急劇下降,而GSR基于地理位置,所以相對來說較為穩(wěn)定。本文的BCR雖不及前兩種算法,但隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量的增加,其變化平緩,性能穩(wěn)定,因而能更好地適應(yīng)車輛節(jié)點數(shù)目巨大的城市環(huán)境。

        圖7鏈路持續(xù)有效時間

        5結(jié)語

        在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時,本文所提出的BCR路由協(xié)議性能與其它兩種算法相差不大,但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大且節(jié)點數(shù)較多時,性能有明顯提升,這表明本文所提路由協(xié)議具有良好的擴(kuò)展性。本文算法降低了網(wǎng)絡(luò)中端到端平均延遲,提高了數(shù)據(jù)分組投遞率,同時減少了城市環(huán)境中選定路由時節(jié)點的數(shù)量。

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        責(zé)任編輯(責(zé)任編輯:杜能鋼)endprint

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