和 何，李琳琳，路云飛

(火箭軍工程大學，信息工程系，西安 710025)

0 引言

隨著智能交通系統(tǒng)[1]的發(fā)展，車載自組網(Vehicular Ad Hoc NETwork, VANET)作為一種新型通信網絡應運而生，美國聯(lián)邦通信委員會為其制定了通信標準IEEE802.11p。由于VANET是容忍時延網絡(Delay Tolerant Network, DTN)的一種典型應用[2], 其基于傳統(tǒng)分簇路由(Cluster Based Routing Protocal, CBRP)算法[3]的改進型算法已成為近年來DTN的一個新的研究熱點。文獻[4]提出一種雙層結構的分簇算法，首先基于權重的通信質量進行分簇，其次將分簇后的車載節(jié)點劃分為自組織層和對等層，自組織層使用普通的車輛通信方式進行通信，對等層則用3G網絡、LTE(Long Term Evolution)網絡為代表的更可靠的通信方式進行通信；文獻[5]提出的一種基于介質訪問控制層(Media Access Control, MAC)層時延上限的自適應(MAC upper band Delay Based Adaptive, MDBA)分簇算法，利用車輛節(jié)點的速度、加速度、位置和目的地設計簇頭選擇算法；通過簇維護自適應調整分簇網絡拓撲的變化。文獻[6]提出的一種基于分簇的多信道車載網MAC協(xié)議，簇內采用非競爭的時分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)機制通信，異簇采用具有競爭性的載波偵聽多路訪問/沖突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA-CA)機制，得到一種拓撲相對穩(wěn)定的車輛分簇算法。此外，文獻[7]將VANET分簇應用于車輛碰撞警告信息傳輸中，文獻[8]研究了一種基于分布式的VANET分簇路由機制，文獻[9]運用灰色系統(tǒng)理論實現(xiàn)了VANET的分簇算法。文獻[10]根據車輛所裝備的地面移動通信終端和衛(wèi)星通信終端，提出一種包括簇內、簇間和簇成員與外界的分簇網絡路由協(xié)議。文獻[11]基于位置的貪婪路由算法、基于錨節(jié)點路由算法、基于街道集路由算法和基于簇路由算法，著重于這些特點設計每類算法。文獻[12]提出了一種利用車輛的位置和移動方向的基于自動分簇的數(shù)據傳輸方案。自動分簇在網絡中配置多個簇且只有管理簇的簇頭才能存儲數(shù)據包。不管何時與新簇相遇，原簇的簇頭基于自身位置、目的節(jié)點的位置以及簇的移動方向決定是否應該將數(shù)據包轉發(fā)給新簇。文獻[13]提出一種關于VANET的新型多跳分簇方案，該方案通過車輛之間的鄰里關系來產生簇頭。其基于一個合理的假設：車輛不能確定多跳鄰居中的哪輛車最適合作其簇頭，但可以很容易地掌握一跳鄰居內哪輛車最適合作其簇頭。因此，車輛可以通過最穩(wěn)定的車輛來選擇其簇頭，兩車間基于歷史跟蹤信息的相對流動性使車輛能夠選擇要跟隨的目標。文獻[14]分析了簇式車載傳感器網絡的性能，利用層次化分散檢測方案對一種可觀察到的空間恒定現(xiàn)象的狀態(tài)進行了估計。簇式處理效率更高，架構可伸縮。文獻[15]提出一種用于車輛專用網絡的基于傳輸功率的分簇算法，并應用于緊急消息廣播技術。當VANET受到不同類型的攻擊時，完成諸如消息保密、可靠性和驗證等保護需求。文獻[16]提出了一種新的車輛云架構，利用分簇技術對資源進行分組，協(xié)同提供資源，解決了資源限制問題。更具體地說，在簇頭選舉過程中引入模糊邏輯，實現(xiàn)了簇結構的靈活性。文獻[17]提出了一種基于移動網絡的分簇算法，該算法以分布式的關聯(lián)傳播算法來形成簇。該算法考慮了在簇形成過程中的節(jié)點遷移率，產生了高穩(wěn)定性的簇。

近年來面向挑戰(zhàn)網絡諸如戰(zhàn)場和災難搜救環(huán)境下對DTN路由算法的研究也是一個研究熱點。文獻[18]針對戰(zhàn)場毀傷條件下MANET普通路由算法性能下降的問題，融合了普通MANET路由和DTN路由設計，提出一種混合網絡的抗毀路由(Survival Target Hybrid Routing, STHR)，并且為了降低網絡負載和沖突，設計了STHR中抗毀增強節(jié)點的選取算法；文獻[19]首先通過基于時間表的集結—展開移動模型(Aggregation and Spread Mobility Model, ASMM)集結展開戰(zhàn)場車隊的移動模型，然后利用戰(zhàn)場車輛行動計劃時間表預測節(jié)點之間的相遇機會，提出一種符合戰(zhàn)場車隊移動模式和業(yè)務特點的基于時間表的DTN機會預測路由算法GenericSpray；文獻[20]結合戰(zhàn)場實際，為了提高專門用于戰(zhàn)場的DTN路由算法效率并滿足區(qū)分消息優(yōu)先級的需要，在部隊整體作戰(zhàn)性能和網絡通信質量之間做出了合理權衡，提出基于多級隊列和改進的橢圓區(qū)域轉發(fā)(Elliptical Zone Forwarding, EZF)路由算法。此外，文獻[21]提出一種基于網絡分簇和信息擺渡的無線自組應急通信網服務增強方案，文獻[22]提出一種機械化步兵野戰(zhàn)環(huán)境中DTN的安全信道模型；文獻[23]提出一種戰(zhàn)場環(huán)境中考慮相遇頻率的概率路由機制；文獻[24]提出一種在戰(zhàn)場環(huán)境中使用DTN的信息交付方案；文獻[25]提出一種在DTN災難環(huán)境下災害消息的傳輸方式。

本文將VANET分簇的研究背景延伸到復雜戰(zhàn)場環(huán)境下。戰(zhàn)場環(huán)境下，作戰(zhàn)車輛間雖然可以通過衛(wèi)星和短波等超視距通信手段完成輔助通信，但由于衛(wèi)星通信存在以下缺點：1)傳輸時延大；2)回聲效應明顯；3)存在通信盲區(qū)；4)存在日凌中斷、星蝕和雨衰現(xiàn)象。而短波通信則存在穩(wěn)定性較差、噪聲較大等不足?；诔杀敬鷥r，一般情況下只會選擇少數(shù)作戰(zhàn)車輛裝備衛(wèi)星或短波通信終端。因此在復雜戰(zhàn)場環(huán)境下，研究一種基于VANET通信終端的DTN分簇路由機制具有重要意義。

本文提出的分簇路由算法，首先通過VANET通信終端和運動信息完成了簇頭選舉及分簇過程；其次基于此分簇算法，提出了一種路由機制：根據跳數(shù)、轉發(fā)方式和地理位置信息實現(xiàn)簇內路由；引入等待時間閾值、重發(fā)次數(shù)閾值和下游簇頭實現(xiàn)異簇路由；通過VANET通信終端實現(xiàn)與上級指揮所的通信。

1 分簇算法

假設將作戰(zhàn)車輛分成如圖1所示的簇模型，每個簇中有一個簇頭和若干個簇成員，存在4種不同類型的車輛：A：僅裝備VANET通信終端；B：加裝短波通信終端；C：加裝衛(wèi)星通信終端；D：裝備3種通信終端。

圖1 戰(zhàn)場車隊模型 Fig. 1 Model of battlefield fleet

假設每一個作戰(zhàn)車輛都裝備有VANET通信終端；小部分車輛可以通過加裝的短波或衛(wèi)星終端實現(xiàn)超視距通信；另有極小部分車輛同時裝備著上述三種通信終端。

1.1 簇頭的選舉算法

選舉簇頭的兩個要素為：1)簇的范圍；2)車輛的運動信息。

1)簇的范圍。如果簇成員過少，則分簇時簇數(shù)量過多，導致簇頭過多，簇頭的緩存遠遠沒有達到飽和值；反之，如果簇成員過多，則簇頭過少，簇頭的緩存負擔過大，導致網絡擁塞。為了選擇一個合理的簇范圍，設置簇成員與簇頭間的最大跳數(shù)為κ=2(簡單多跳路由)，最大簇成員數(shù)Nmax=10[20]。簇范圍的量化標準用We表示。

2)車輛的運動信息。為了避免頻繁發(fā)生簇結構變化導致簇維護開銷的增加，根據局部性原理，為了保證未來時段簇頭與簇成員仍處在通信范圍，本時刻應盡量選取與大部分車輛運動方向相近的車作為簇頭，運動方向的量化標準用Wl表示；同理，應盡量選取速率較小的車作為簇頭，速率的量化標準用Wv表示。用Wi表示每輛車被選舉為簇頭的可能性大小，如式(1)所示：

Wi=a×We+b×Wl+c×Wv=

(1)

(2)

其中：Ni為車輛i在κ跳內的鄰居車輛數(shù)，Vi為車輛i的車速，Vj為車輛i在κ跳內的鄰居車輛j的車速，Vmax為車輛速率的最大值，Φi為車輛i在κ跳內的鄰居車輛的集合，其中a,b,c為選舉簇頭的三個要素的權值，且：

(3)

設置a=0.4，b=0.3，c=0.3，將在3.3節(jié)給出關于此參數(shù)取值的實驗分析。

選舉簇頭首先要確保簇頭的傳輸帶寬以及可靠性。文獻[26]已說明衛(wèi)星通信在傳輸帶寬及質量方面均優(yōu)于短波通信；文獻[27]指出軍用通信衛(wèi)星已被譽為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的生命線，戰(zhàn)場上70%以上的通信是靠軍用通信衛(wèi)星來完成。因此裝備不同類型通信終端的車輛被選舉為簇頭的優(yōu)先級順序Pi為：D類車>C類車>B類車>A類車，D類車優(yōu)先使用C類車的衛(wèi)星通信，如無法連接到衛(wèi)星通信，再使用短波通信。簇頭選舉時，作以下假設：1)每輛車都有能唯一識別其身份的全網ID；2)每輛車通過北斗定位導航設備獲得其運動方向；3)每輛車通過車載速率傳感器獲得其速率。

設置探測簇頭信號DetHead，如果在2 min(因北斗定位信息1 min獲取一次)內收不到簇頭回復，說明簇頭已被摧毀或失效，則重新選舉簇頭。

1.2 分簇算法和維護

1.2.1 分簇算法

分簇算法的具體步驟如下：

1)每輛車都收集κ跳以內鄰居車輛信息。每輛車周期性廣播hello(info,hnum)消息并轉發(fā)κ跳以內其他車輛的hello消息。info為本車基本信息，包括全網ID號、優(yōu)先級Pi、地理位置信息pos、速度信息Vi；hnum為跳數(shù)，其初始值為0。當收到其他車輛的hello消息時，首先判斷hnum的大小，如hnum<κ，則將hnum加1后轉發(fā)給其他車輛；反之無任何操作。

2)確定簇頭。若:

Pi>Pj; ?j∈Φi

(4)

(5)

如滿足式(4)，即：選舉裝備最高優(yōu)先級的通信終端類型的車輛作為簇頭；如滿足式(5)，即：當Pi相同時，選舉Wi值高的作為簇頭。

3)廣播簇頭消息。簇頭需向全網廣播簇頭消息head(CluID,head_info,routing,hnum)，其中：CluID為簇標號，head_info為簇頭信息，routing為轉發(fā)路徑車輛信息。

當收到head消息時，首先將簇標號、簇頭信息、轉發(fā)路徑車輛信息保存下來，如hnum<κ，則將info加入到routing中，將hnum加1后轉發(fā)給其他車輛；反之無任何操作。

當收到同一CluID的不同head消息時，選舉最小hnum值的消息加以保存；當收到不同CluID的head消息時，分析簇頭信息head_info，按照高優(yōu)先級Pi、小hunum值、速度方向最接近的先后順序保留消息。

4)車輛向簇頭發(fā)送入簇申請消息apply(CluID,info,routing,hnum)。當收到其他車輛的apply消息時，如hnum<κ，則將info加入到routing中，將hnum加1后轉發(fā)給簇頭；反之無任何操作。

5)簇頭回發(fā)接收或拒絕信號。當簇頭收到某車輛的apply消息時，如果本簇成員的數(shù)量小于Nmax，則將info和hnum信息存儲到簇成員信息表中，同時回發(fā)接收信號ACK；否則回發(fā)REJT信號表示拒絕此車輛加入到本簇中。

6)如車輛收到簇頭的ACK信號，則表明此車輛已成功入簇，廣播已成功入簇消息join(CluID,info,routing,head_num,hnum)，不再參與分簇過程，其中，head_num為此車輛距簇頭的跳數(shù)。

遞歸1)至6)，直到所有的車輛成為簇頭或簇成員為止，完成分簇。

1.2.2 簇的維護

VANET完成分簇后，因車輛無規(guī)則運動導致簇動態(tài)更新，因此，簇結構的不斷維護就十分必要。維護過程隨著掃描周期τ的到來而開始檢查鄰居車輛列表和鄰居簇列表狀態(tài)，直至VANET消亡或車輛退出VANET。對如下三種情況進行簇維護：

1)簇成員車輛離開原簇加入新簇→在該簇成員的簇頭中修改簇成員列表；

2)兩個簇頭由于距離相近導致簇頭融合，引發(fā)簇頭競爭→按1.2.1節(jié)分簇算法重新選舉新簇頭，競爭失敗的簇頭成為新簇頭下屬的簇成員，并發(fā)送簇頭消亡消息通知其原下屬的簇成員重新更新簇頭；

3)簇頭突發(fā)故障而失效→簇成員按1.2.1節(jié)分簇算法重新選舉簇頭。

2 路由機制

本文提出的基于VANET通信終端和運動信息的DTN分簇路由算法——CVCTM(Cluster based on VANET Communication Terminals and Motion information)，分為簇內、異簇以及簇成員與上級指揮所3種通信方式。在最重要且距離最大(一般超出VANET的通信范圍)的與上級指揮所通信中，通過在鏈路中尋找可建鏈的B、C、D類車來實現(xiàn)；異簇路由中用VANET進行路由尋找，如異簇間距離超出VANET通信范圍時，再通過B、C、D類車發(fā)起跨地區(qū)的路由尋找；由于簇內通信距離相隔很近，簇內路由僅用VANET進行通信，避免占用B、C、D類車信道資源。

在異簇和與上級指揮所通信時，B、C、D類車的優(yōu)先級順序與選舉簇頭時的Pi相同。

2.1 簇內路由

當同簇成員之間通信時，源車輛首先向簇頭發(fā)送申請，簇頭根據接收到的申請消息，確定簇成員中的目的車輛，然后根據車輛基本信息info中的地理位置信息pos為源車輛和目的車輛之間選擇最佳路由。

簇頭根據車輛的鏈路帶寬為源車輛選舉下一跳，鏈路帶寬越大的說明處理數(shù)據能力強，信道鏈路質量越高，鏈路發(fā)生消息擁塞的可能性越小，因此優(yōu)先選擇鏈路帶寬大的節(jié)點作為下一跳轉發(fā)節(jié)點。根據此標準得出候選路由。如候選路由有多個，則根據式(6)、(7)、(8)依次選舉直至得到最佳路由為止。

hopr1

(6)

(7)

如滿足式(6)，即：直接選擇跳數(shù)最少的路徑；如滿足式(7)，即：當最少跳數(shù)相同時，選擇無需經過簇頭轉發(fā)的路徑，減輕簇頭的負擔。如圖2所示，假設A2為源車輛，A5為目的車輛，A2到A5的兩條路徑：A2→A3→A4→A5、A2→B1→A6→A5(其中A2→B1→A3→A4→A5因跳數(shù)多而不考慮)，兩者的跳數(shù)是一樣的，選擇無需簇頭轉發(fā)的前者作為最佳路徑進行通信。

圖2 簇內路由 Fig. 2 Intra-cluster routing

確定簇內路由的方式后，如果出現(xiàn)選舉出的路由仍為多個時(跳數(shù)一樣且是否經簇頭轉發(fā)情況一樣)，需研究中繼節(jié)點的選舉標準，根據地理位置信息，簇頭為某車輛A(xi,yi)選擇下一跳車輛B(xj,yj)的標準為：

(8)

(9)

(10)

其中：(xi,yi)為車輛i的坐標位置，(xj,yj)為車輛j的坐標位置，(xd,yd)為目的車輛的坐標位置，(xk,yk)為滿足式(8)的任意車輛的坐標位置，L為車輛間的通信距離。

2.2 異簇路由

當簇頭在本簇查找不到目標車輛時，此時本簇頭向鄰居簇頭發(fā)送路由申請(Routing ASK, RASK)并等待回應。設置兩個閾值：1)等待時間閾值twait，若等待時間超出了twait，則重新發(fā)送RASK；2)重發(fā)次數(shù)閾值lretr，若重新發(fā)送RASK的次數(shù)超過了lretr，則結束路由尋址過程。源簇頭的工作流程如圖3所示。

圖3 異簇路由的源簇頭工作流程 Fig. 3 Working process of inter-cluster source cluster head

定義1 下游簇頭。指比源簇頭在距離上更靠近目的車輛的鄰居簇頭。只有下游簇頭在接收到源簇頭RASK請求消息后才會進行路由尋址，否則刪除此請求報文，結束運行。鄰居簇頭工作流程的具體步驟如圖4所示。

圖4 異簇路由的鄰居簇頭工作流程 Fig. 4 Working process of inter-cluster neighbor cluster head

鄰居簇頭在收到RASK后首先判斷自己是不是下游簇頭，若不是則拋棄該請求，否則處理流程如下：

1)首先檢查是否曾經收到過此請求，若收到則拋棄該請求。

2)如目的車輛不在本簇，則轉4)。

3)向目的車輛轉發(fā)路由申請并等待目的車輛的路由響應(Routing ANSwer, RANS)，轉5)。

4)將自己的info信息添加到RASK消息中，并將新更新的RASK消息繼續(xù)向自己的下游簇頭轉發(fā)并等待響應。

5)若超過等待時間閾值twait仍未收到路由響應則將重發(fā)次數(shù)加1，否則轉7)。

6)若超過重發(fā)次數(shù)閾值lretr，則結束路由請求過程；否則根據目的車輛是否在本簇中選擇轉3)或4)。

7)若收到多個路由響應，則從中選擇距離目的車輛跳數(shù)最少的路由并將自己的info信息添加到RANS消息，同時將該消息轉發(fā)至上游簇頭車輛。

以上僅考慮VANET中的異簇路由。如果上述路由請求失敗，很可能是由于源車輛和目的車輛間的距離已經超出VANET通信范圍。此時源車輛通過VANET通信范圍(500 m)內的D、C、B類車發(fā)起500 m以外的路由尋找。如仍無法收到路由響應，則反饋路由尋址失敗消息(Routing addressing FAIlure, RFAI)給源車輛。

最佳路由即為跳數(shù)hnum最少的路由。

2.3 簇成員與上級指揮所通信

上級指揮所一般遠離戰(zhàn)場中心，超出了VANET的通信范圍，上級指揮所配備了最為齊全的各種通信方式終端。簇中的源車輛如需與上級指揮所通信，分如下兩種情況討論：

1)源車輛為D、C、B類車。源車輛直接與上級指揮所進行通信；

2)源車輛為A類車。源簇頭收到源車輛發(fā)起的與上級指揮所通信請求后的處理步驟為：

①源簇頭如已收到過該請求，則直接刪除該請求報文，結束處理；否則轉②。

②簇頭為A類車(根據1.2.1節(jié)的簇頭選舉公式，簇成員也必為A類車)；否則轉⑧。

③向鄰居簇頭發(fā)起路由請求并等待響應。

④如等待時間超過twait仍無響應，則重新發(fā)送RASK，并將重發(fā)次數(shù)加1；否則轉⑥。

⑤若重新發(fā)送RASK的次數(shù)超過了lretr，則結束路由請求。

⑥選擇與源簇頭距離最近的路由響應。

⑦如路由響應的鄰居簇頭為A類車，則重復③；否則轉⑧。

⑧簇頭如為D、C類車，則向源車輛發(fā)送路由響應，源車輛通過簇頭與上級指揮所通信；否則轉⑨。

⑨檢查本簇成員中是否有空閑可用的D、C類車，如有，則通過簇頭向源車輛發(fā)送路由響應，源車輛通過該簇成員車輛與上級指揮所通信；否則轉⑩。

⑩簇頭為B類車，則向源車輛發(fā)送路由響應，源車輛通過簇頭與上級指揮所通信。

3 仿真分析

3.1 實驗設置

本文運用ONE仿真工具對實驗場景進行模擬仿真。場景中設置2類節(jié)點。第1類節(jié)點為車輛節(jié)點，為了符合戰(zhàn)場車輛的無規(guī)則運動性，設置移動模型為Random Waypoint：節(jié)點以恒定速度運動到隨機產生的目的位置后停留一段隨機時間，然后以隨機生成的速度恒速向下一個隨機產生的目的節(jié)點繼續(xù)移動，以此往復；1種固定節(jié)點為上級指揮所。

CVCTM的仿真場景參數(shù)如表1所示。假定作戰(zhàn)時車輛節(jié)點較為分散，20到200輛車隨機分布在5 000 m×5 000 m的場地中，以不超過100 km/h的速度移動(由于在參考文獻[2]的仿真實驗中的節(jié)點數(shù)變化為30～150，采樣個數(shù)為5，為了更好地與CBRP進行實驗對比，且在此基礎上增加采樣個數(shù)增加仿真結果說服力，為此在本實驗中將節(jié)點數(shù)進行了擴展，從30～150調整到20～200)。各車輛節(jié)點間在通信范圍內可相互通信，每臺車每隔15 s隨機向其他車輛發(fā)送消息，以實時溝通戰(zhàn)場態(tài)勢。對CVCTM算法與CBRP算法進行性能比較。

表1 仿真場景參數(shù)Tab. 1 Simulation scenario parameters

本文中的仿真評估指標如下：

1)簇結構重組次數(shù)。評價簇結構穩(wěn)定程度的指標。重組次數(shù)越大，簇結構越不穩(wěn)定。

2)消息投遞率。目的車輛接收的消息數(shù)據包個數(shù)/源車輛發(fā)送的數(shù)據包個數(shù)。

3)歸一化網絡開銷。每發(fā)送1個數(shù)據分組到目的節(jié)點所需發(fā)送的路由分組的數(shù)量。

3.2 實驗結果分析

如圖5所示為網絡中車輛節(jié)點總數(shù)為100時簇結構重組次數(shù)隨時間變化關系。由圖可見，CBRP和動態(tài)源路由協(xié)議(Dynamic Source Routing, DSR)的簇結構穩(wěn)定性較差，其主要原因是：CBRP僅僅通過選舉最小的全網ID作為簇頭。當車輛以較高速度運動時，簇結構的變化頻率也會加快。而DSR源節(jié)點路由中每個消息數(shù)據包首部都要存儲包括源節(jié)點和所有中繼節(jié)點的全部路由信息以達到同時返回到達目的節(jié)點的多條路由，車輛節(jié)點的無規(guī)則運動必然會導致DSR中消息的存儲信息發(fā)生大幅度改變，導致簇結構穩(wěn)定性較差。而無線自組網按需平面距離向量路由協(xié)議(Ad Hoc On-demand Distance Vector routing, AODV)中源節(jié)點和中繼節(jié)點都僅存儲消息的下一跳信息，因此簇結構穩(wěn)定性好于DSR。

圖5 簇結構重組次數(shù)隨時間變化關系 Fig. 5 Recombination times of cluster structure changed with time

作戰(zhàn)車輛由于不規(guī)則運動將導致簇頭和簇的不斷更新，針對這種情況，CVCTM增加了對車輛運動信息、鄰居車輛信息和簇大小的考慮，減少了簇結構重組的可能，提高了網絡的穩(wěn)定性。

如圖6所示為消息投遞率隨車輛數(shù)的變化關系。可以觀察出隨著車輛數(shù)的增加，CVCTM的消息投遞率始終都在87.5%之上，車輛數(shù)的增加對其影響甚微的原因在于此算法的高效率和簇結構的高穩(wěn)定性，當車輛間無法通過VANET終端進行通信時，可以借助于衛(wèi)星通信終端和短波通信終端獲得聯(lián)系，因此CVCTM算法極大地避免了消息的丟失，所以即便是在車輛數(shù)為20的稀疏網絡中，CVCTM的消息投遞率仍比CBRP和DSR多出約10%。CBRP和DSR的消息投遞率小于CVCTM和AODV的原因與圖4的分析相同。AODV的消息投遞率小于CVCTM的原因為：AODV的節(jié)點都需要通過路由表存儲路由以完成到目的節(jié)點的路由發(fā)現(xiàn)過程，除此之外還存在內置的路由維護(Routing Maintenance, RM)屬性，當出現(xiàn)路由故障時，AODV中的路由機制需要為每個請求搜索一條新路由。而相比CBRP和DSR，AODV使用RM節(jié)省了路由重新發(fā)現(xiàn)的泛洪流量，提高了消息投遞率。

在曲線剛開始時消息投遞率都普遍較低的原因為由于仿真程序初始化時具有隨機性，導致車輛趨于不規(guī)則運動，進而導致在車輛數(shù)較少時，車輛的分布不太均勻，某些車輛之間超出通信范圍，因此消息丟失率較高。在車輛數(shù)目較多的情況下，四種協(xié)議的消息投遞率都出現(xiàn)下降，其主要原因是車輛數(shù)目增多，導致網絡拓撲結構變得越來越復雜，路由尋址的跳數(shù)也越來越大，網絡擁塞越來越嚴重，導致消息丟失率越來越高。

圖6 消息投遞率隨車輛數(shù)變化關系 Fig. 6 Message delivery ratio changed with the number of vehicles

如圖7所示為網絡開銷隨車輛數(shù)的變化關系。觀察出四種協(xié)議的網絡開銷都隨車輛數(shù)的增加而增加，其主要原因是：車輛數(shù)的增加，導致路由跳數(shù)的增加，網絡拓撲結構變得更加復雜，導致車輛的消息緩存隊列發(fā)生擁塞甚至“溢出”，待轉發(fā)消息得不到及時傳送，使得網絡中成功發(fā)送的消息數(shù)據包個數(shù)減少，因此增大了網絡開銷。當車輛數(shù)為20～30時，CVCTM的網絡開銷最大，主要是因為CVCTM路由尋址過程的初始化非常復雜。AODV的問題是，當源序列存在時間過長且中間節(jié)點有較多的、而不是最新的目標序列數(shù)時，中間節(jié)點的增加會導致不一致的路由，因此其網絡開銷比CVCTM大。當車輛數(shù)超過30時，CBRP和DSR的網絡開銷一直高于CVCTM，其原因為：CBRP和DSR在路由尋址時采用“洪泛”機制，而CVCTM在異簇路由尋址時只考慮下游簇頭。

3.3 相關參數(shù)討論

如圖8所示，為了得到a，b，c的最佳取值，得到簇結構重組次數(shù)與權值Wi、We、Wl和Wv的變化關系?？捎^察出Wl和Wv對簇結構重組次數(shù)的影響大致相同，所以設置b=c，為了得到a與b、c間的權值差關系，用式(9)進行采樣(圖5～7中樣本個數(shù)為12)計算：

(11)

ai表示We的樣本，bi表示Wl的樣本。式(9)的計算結果為0.1，即a=b+0.1，又a+b+c=1且b=c，所以a=0.4，b=0.3，c=0.3。

圖7 網絡開銷隨車輛數(shù)變化關系 Fig. 7 Overhead changed with the number of vehicles

圖8 簇結構重組次數(shù)與不同權值的關系 Fig. 8 Recombination times of cluster structure changed with different weights

4 結語

本文的主要工作：

1)通過分析VANET中車輛裝備的通信終端的優(yōu)缺點，確定了裝備不同類型通信終端的車輛被選舉為簇頭的優(yōu)先級順序；

2)綜合簇的范圍、車輛運動方向和車輛運動速率，確定了每輛車被選舉為簇頭的可能性大小；

3)綜合1)～2)，得出分簇算法和簇維護策略；

4)分簇后，確定了路由機制。

下一步主要研究工作：

針對CVCTM算法中簇頭要同時擔負簇內、簇間及與上級指揮所通信，簇頭的緩存空間可能發(fā)生擁塞的問題，提出基于簇頭緩存空間的排隊機制和丟棄策略，從而更好地實現(xiàn)網絡資源調度。

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This work is partially supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China (2012AA7010213).

HEHe, born in 1993, M. S. candidate. His research interests include routing algorithm for delay tolerant networks, congestion control.

LILinlin, born in 1974, Ph. D., associate professor. Her research interests include battlefield command network.

LUYunfei, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include command information network.