曹 樂，胡曉輝，喬 鈺

（蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 概述

車載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）是在交通環(huán)境中車輛與車輛、車輛與固定接入點(diǎn)、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間相互通信組成的開放式移動自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）［1］。VANET 通信包括車輛當(dāng)前位置及移動速度信息、實(shí)時路況信息、車輛故障信息等［2］。VANET 利用MANET技術(shù)可以快速地建立一個臨時的車輛間無線通信網(wǎng)絡(luò)。車輛間無線通信主要是源車輛將自身的車輛信息以及行駛過程中收集到的道路交通信息發(fā)送給目標(biāo)車輛，從而方便目標(biāo)車輛的司機(jī)對接收到的交通信息和可能出現(xiàn)的安全問題做出及時反應(yīng)［3］。如何尋找和維護(hù)從源車輛到目標(biāo)車輛的路由以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、完整性和有效性是VANET 路由協(xié)議研究的重點(diǎn)［4］。因此，設(shè)計一種基于分簇技術(shù)延長簇頭（Cluster Head，CH）節(jié)點(diǎn)生存周期，降低VANET 全局拓?fù)鋭討B(tài)性的路由協(xié)議，是提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的有效方式，對實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的車輛間通信具有十分重要意義［5］。

文獻(xiàn)［6］結(jié)合基于位置路由和基于簇路由協(xié)議的特點(diǎn)，提出一種基于簇頭生存期的路由協(xié)議，簇頭的選取主要取決于車輛的當(dāng)前速度和到預(yù)定向簇邊緣的距離，并未考慮簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的相對移動性。文獻(xiàn)［7］將聚類問題轉(zhuǎn)化為切割圖問題，設(shè)計了一種基于譜聚類和力導(dǎo)向算法的新方法，選擇鄰居數(shù)最多的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，但在簇頭節(jié)點(diǎn)移動速度較快時，導(dǎo)致簇成員離開過于頻繁，從而影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［8］提出一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）的社會感知分簇方法，基于車輛間距離、相對速度和車輛屬性選擇簇頭，但未考慮因競爭簇頭造成的時延對通信質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)［9］設(shè)計了一種基于移動區(qū)域的體系結(jié)構(gòu)，提出一種基于移動對象建模和索引技術(shù)的新方法。該方法根據(jù)車輛的運(yùn)動模式進(jìn)行分簇，提升了消息傳遞率，但在復(fù)雜多變的VANET 環(huán)境中，當(dāng)簇頭車輛的運(yùn)動模式發(fā)生改變時，都需要進(jìn)行重選簇頭，導(dǎo)致產(chǎn)生過多的開銷。文獻(xiàn)［10］提出一種基于簇的無監(jiān)督VANET 演進(jìn)圖（CVoEG）模型，選擇簇內(nèi)具有最大的特征中心度分?jǐn)?shù)作為簇頭節(jié)點(diǎn)。該模型在靜態(tài)或車輛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較小的情況下表現(xiàn)不佳，更適合于具有高速變化和間距變化的情況。文獻(xiàn)［11］提出一種基于粒子群優(yōu)化的分簇路由算法，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的方向、速度和鄰居節(jié)點(diǎn)個數(shù)來確定簇頭，有效減少了端到端時延，但簇頭生存時間較短。文獻(xiàn)［12］提出一種基于多目標(biāo)元啟發(fā)式的VANET 分簇算法，使用雙簇頭進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，有效延長了簇的生存時間，但無法保證傳輸時延。

VANET 環(huán)境下接入網(wǎng)車輛的高速移動性使得車與車、車與基站之間的通信大多基于無線鏈路，節(jié)點(diǎn)在一段時間內(nèi)頻繁地進(jìn)入和離開其他節(jié)點(diǎn)的通信范圍，導(dǎo)致簇頭生存時間較短、傳輸時延較大、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不佳等問題，從而影響通信質(zhì)量。本文依據(jù)最大化簇頭生存時間原則選取簇頭，將節(jié)點(diǎn)的相對移動度和相對速度作為節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定度的主要參考指標(biāo)，選出每個簇內(nèi)穩(wěn)定度最佳的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)交換。同時結(jié)合雙簇頭設(shè)計思想選取輔助簇頭，有效避免因競爭簇頭帶來的時延差，從而保證VANET 消息傳輸?shù)挠行院屯暾浴?/p>

1 雙簇頭的改進(jìn)路由協(xié)議設(shè)計

由于道路上車輛速度及方向是不斷變化的，且車輛的速度及位置與車輛通信密切相關(guān)，因此同一簇內(nèi)的車輛應(yīng)當(dāng)具有更相似的運(yùn)動模式。簇的劃分主要采用以下2 種方式：1）適合具有路標(biāo)或車輛以中等速度行駛的預(yù)分割道路，物理上將道路重新分割成相等的路段，同一路段內(nèi)的節(jié)點(diǎn)屬于同一簇，選取距離道路分段中間最近的節(jié)點(diǎn)作為簇頭（Cluster Head，CH）；2）適用于道路上車輛高速移動的情況，同一簇內(nèi)車輛移動方向相同并且具有相近的移動速度［13］，當(dāng)車輛在道路上高速移動時，車輛頻繁地加入或離開所在簇，使CH重選過程變得頻繁，從而對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響［14］。本文提出一種基于最佳穩(wěn)定度的雙簇頭選擇算法，選取每個簇內(nèi)穩(wěn)定度最佳的節(jié)點(diǎn)作為CH，穩(wěn)定度次佳的節(jié)點(diǎn)作為輔助簇頭（Auxiliary Cluster Head，ACH），降低了重選CH 造成的影響，從而達(dá)到車載無線自組織網(wǎng)絡(luò)連通性維護(hù)的目的。

1.1 雙簇頭的VANET 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

將車輛按一定規(guī)則劃分為簇，并選擇CH 和ACH 負(fù)責(zé)其簇的協(xié)調(diào)任務(wù)。當(dāng)CH 處于活躍狀態(tài)，ACH 處于休眠狀態(tài)，記錄來自同一簇內(nèi)CH 的數(shù)據(jù)副本；當(dāng)CH 發(fā)生錯誤或不可預(yù)知的緊急情況，ACH將做好準(zhǔn)備，負(fù)責(zé)CH 的工作任務(wù)。不屬于CH 鄰居節(jié)點(diǎn)的車輛必須獲取另一個簇，一跳以內(nèi)的車輛會在其路由表中檢查其通信的CH 數(shù)量，同一簇內(nèi)既不是CH 也不是ACH 的節(jié)點(diǎn)為成員節(jié)點(diǎn)（Member Node，MN）。VANET 結(jié)構(gòu)中的簇如圖1 所示。

圖1 VANET 結(jié)構(gòu)中的簇Fig.1 Clusters of VANET structure

從圖1 可以看出，簇中的車輛通過CH 從基站（Base Station，BS）獲得服務(wù)，減少了通信過程中的信令開銷。簇中的車輛使用IEEE 802.11p 接口通過CH 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，車載用戶可以無縫訪問運(yùn)營商的服務(wù)，降低了成本，減輕了蜂窩負(fù)擔(dān)并節(jié)省了許可頻譜資源。ACH記錄來自CH 的消息副本，并隨時準(zhǔn)備應(yīng)對緊急情況。當(dāng)CH 移動速度過快或其他原因離開該簇，ACH 立即作為CH 開始工作，并選取新的ACH，以降低因競爭簇頭造成的時延影響。

1.2 簇的劃分

簇的劃分主要是基于BS 和具有無線網(wǎng)絡(luò)接口的車輛以及到達(dá)角度（θ）、接收信號強(qiáng)度（RS）和車輛間距離（Vehicle Distance，VD）3 個因素。

1）BS 初始分組

在BS 側(cè)，根據(jù)相似的θ和RS，將車輛大致分為幾個分組，然后將分組信息發(fā)送給該區(qū)域中的車輛。根據(jù)文獻(xiàn)［15］，在MAC 協(xié)議中，車輛的傳輸面被分成α個等度(360/α)的傳輸角(C1，C2，…，Cα)，通過將每個傳輸角賦給唯一的一個車輛組，形成α個方向群。在笛卡爾空間中，每個分組的特征是向量F=(cosθF，sinθF)，其 中θF為傾斜角。車輛先使用GPS設(shè)備確定其傾斜角θF，從而確定其在笛卡爾空間中的矢量坐標(biāo)；然后通過不同的傳輸角和RS來定義不同的車輛組，每個車輛組的RS特征滿足公式：

2）簇的細(xì)分

在依據(jù)行車方向和信號強(qiáng)度對車輛初始分組后，根據(jù)IEEE 802.11p 無線傳輸范圍對車輛進(jìn)行分簇。在從基站接收到車輛分組列表之后，車輛使用VD 來細(xì)化該組并形成簇。由于BS 預(yù)測的車輛位置信息可能不準(zhǔn)確，文獻(xiàn)［16］中車輛采用IEEE 802.11p 廣播消息驗(yàn)證VD，并更新分組列表，最后根據(jù)傳輸范圍形成簇，車輛的傳輸范圍L如式（2）所示：

其 中：Hmax為最大IEEE 802.11p 傳輸范圍；ε為當(dāng)前位置的無線信道衰落情況。將城市道路以車輛傳輸范圍作為依據(jù)劃分為簇。為保證相鄰兩個簇間的正常通信，本文以車輛傳輸范圍的劃分為簇，那么相鄰兩簇的簇頭一定存在于對方的傳輸范圍內(nèi)［4］。

根據(jù)文獻(xiàn)［17］，用dB表示從CH 到BS 的平均距離，簇內(nèi)成員與其CH 之間的平均距離用表示。dB如式（3）所示：

其中：ρ(x，y)是節(jié)點(diǎn)分布；假設(shè)CH 選擇標(biāo)準(zhǔn)滿足預(yù)期條件，A為場景面積，單位為m2，有N個節(jié)點(diǎn)均勻分布，節(jié)點(diǎn)在該場景中成為CH 的最佳概率Pb如式（5）所示：

其中：Kb為最佳簇數(shù)，取決于場景和節(jié)點(diǎn)數(shù)N的大小，且主要與CH 與BS 之間的距離相關(guān)［17］。構(gòu)造的最佳簇數(shù)如式（6）所示：

其中：設(shè)μ為0.01，將m的長度設(shè)置為100 m，節(jié)點(diǎn)個數(shù)N設(shè)置為100，那么當(dāng)75 m

2 雙簇頭的改進(jìn)AODV 路由協(xié)議算法

在分簇之后，需要選取CH，以便有效將消息傳輸?shù)紹S。本文提出一種雙簇頭的AODV-CMIRP 路由協(xié)議用于VANET 環(huán)境，根據(jù)節(jié)點(diǎn)相對移動度和相對速度對CH 進(jìn)行選取。

2.1 系統(tǒng)模型

假設(shè)專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）是用于交換數(shù)據(jù)包的無線技術(shù)，DSRC 在PHY 層和MAC 層上使用802.11p 標(biāo) 準(zhǔn)。本文還有以下5 個假設(shè)：1）每輛車都配有GPS 接收器，且具有相同的無線電范圍，車輛可通過GPS 了解其自身的位置，并使用導(dǎo)航系統(tǒng)繪制其在道路上的位置圖，通過特定的位置服務(wù)獲得目的節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置；2）簇的大小受其簇頭無線電范圍的限制；3）車輛行駛速度介于5～20 m/s；4）同一簇內(nèi)的車輛向同一方向行駛；5）車輛的時鐘都是同步，車輛配有足夠的計算資源，并且車輛節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)足夠大，能夠存儲大量數(shù)據(jù)。

2.2 簇頭選擇算法

針對VANET 中節(jié)點(diǎn)速度快、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁的特點(diǎn)，本文提出一種雙簇頭的路由改進(jìn)算法，選出簇內(nèi)穩(wěn)定性最好的節(jié)點(diǎn)作為CH，確保在最長時間內(nèi)CH 與簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的距離不會過大，從而降低通信鏈路發(fā)生斷裂的概率。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)連續(xù)兩次接收到鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的發(fā)射功率之比來計算節(jié)點(diǎn)的相對移動度［18］，節(jié)點(diǎn)Vi相對節(jié)點(diǎn)Vj的相對移動度如式（7）所示：

其中：Mi(j)為節(jié)點(diǎn)Vi相對節(jié)點(diǎn)Vj的相對移動度；與分別為節(jié)點(diǎn)Vi在當(dāng)前時間間隔與上一時間間隔內(nèi)接收到節(jié)點(diǎn)Vj的發(fā)射功率。若<，則Mi(j)<0，表示兩者之間的距離正在變大；若>，則Mi(j)>0，表示兩者之間的距離正在變小。

對于任意節(jié)點(diǎn)Vi，如果其周圍存在NL個鄰居節(jié)點(diǎn)，需要計算NL個Mi(j)值，通過計算節(jié)點(diǎn)Vi對其所有鄰居節(jié)點(diǎn)的相對移動度總和，得到節(jié)點(diǎn)Vi相對其所有鄰居節(jié)點(diǎn)的平均相對移動度：

其中：Mi為節(jié)點(diǎn)Vi的平均相對移動度；Mi(jk)為節(jié)點(diǎn)Vi相對于其第k個鄰居節(jié)點(diǎn)的相對移動度；NL為節(jié)點(diǎn)Vi的鄰居節(jié)點(diǎn)總數(shù)。Mi的值越小代表節(jié)點(diǎn)Vi相對于其鄰居節(jié)點(diǎn)的移動性越低，節(jié)點(diǎn)越穩(wěn)定；反之，Mi越大表示其相對鄰居節(jié)點(diǎn)的移動性越高，節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定度越低。

節(jié)點(diǎn)Vi的相對速度［13］如式（9）所示：

其中：Qi為節(jié)點(diǎn)Vi相對于其周圍NL個相鄰節(jié)點(diǎn)的平均相對速度；xi為節(jié)點(diǎn)Vi的當(dāng)前速度；xk為節(jié)點(diǎn)Vi的第k個鄰居節(jié)點(diǎn)的速度。Qi越大，表示Vi節(jié)點(diǎn)相對于鄰居節(jié)點(diǎn)的相對速度越大，節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定度越低。

在選擇簇頭的過程中，節(jié)點(diǎn)Vi通過與其相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的信息交換計算出自身的穩(wěn)定度，如式（10）所示：

其中：Si為自身穩(wěn)定度的大小。Si值最大的節(jié)點(diǎn)將被選擇為CH，即平均相對移動度和相對速度的減小節(jié)點(diǎn)被選為CH 的概率越大。

簇內(nèi)車輛主要通過CH 與BS 通信，如果簇內(nèi)存在CH，且CH 工作正常，那么CH 負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并將車輛數(shù)據(jù)的副本周期性發(fā)送到ACH；如果CH 發(fā)生錯誤，那么ACH 作為新的CH，承擔(dān)CH 的工作任務(wù)，然后選擇新的ACH 并將車輛數(shù)據(jù)傳到新的ACH。一旦發(fā)現(xiàn)簇內(nèi)沒有CH 和ACH 則需要根據(jù)CH 選擇算法，選出新的CH和ACH。根據(jù)參數(shù)Mi以及Fi來確定選出接近于最佳穩(wěn)定度的車輛節(jié)點(diǎn)作為CH 和ACH。CH 和ACH 選擇流程如圖2 所示。

圖2 CH 和ACH 選擇流程Fig.2 Selection procedure of CH and ACH

在進(jìn)行周期性檢測時，如果發(fā)現(xiàn)簇內(nèi)沒有CH 或ACH，需要及時選擇CH 及ACH。若被選為CH，將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)更改為CH，向其鄰居CH 發(fā)送CH 包并且向其ACH 發(fā)送備份數(shù)據(jù)；若沒有被選為CH 而被選為ACH，將其狀態(tài)更改為ACH，其鄰居列表中有且僅有一個CH；若沒有被選為CH 或ACH，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)即為MN。雙簇頭選擇算法如下：

2.3 轉(zhuǎn)發(fā)策略

在所提出的AODV-CMIRP 路由協(xié)議中，車輛節(jié)點(diǎn)會周期性地向CH 發(fā)送當(dāng)前的位置和速度信息。本文使用的特殊控制有Hello 包、CH 數(shù)據(jù)包、ACH數(shù)據(jù)包。

1）Hello 包。一個四字段的數(shù)據(jù)包，包含車輛Vi的序號（Vi_ID）、狀態(tài)（Vi_Status）、該節(jié)點(diǎn)自身的穩(wěn)定度（Si）和鄰居列表（Vi_NL）。其中狀態(tài)字段獲取3 個可能值之一，分別是CH、ACH 和MN。

2）CH 數(shù)據(jù)包。構(gòu)成該數(shù)據(jù)包的字段分別為包ID（P_ID）、簇頭ID（CH_ID）、源車輛節(jié)點(diǎn)ID（S_ID）、目的車輛節(jié)點(diǎn)ID（D_ID）和目的簇頭的ID（DC_ID）。

3）ACH 數(shù)據(jù)包。構(gòu)成該包的字段分別為包ID（P_ID）、所在簇的簇頭ID（CH_ID）和CH 備份數(shù)據(jù)（CH_DT）。

開始時將道路上所有車輛的初始狀態(tài)均設(shè)置為MN。所有的車輛相互之間交換Hello 包，每輛車都會在Hello 包中發(fā)送其鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，并完成CH選擇。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S需要向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)包時，其主要步驟如下：

1）令源節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。

2）首先當(dāng)前節(jié)點(diǎn)檢測是否與目的節(jié)點(diǎn)D在同一簇內(nèi)。若在同一簇內(nèi)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)以最多2 跳的方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)D，并結(jié)束本次通信；若不在同一簇內(nèi)，則啟動路由決策過程。

3）根據(jù)CH 提供的位置信息，建立包含當(dāng)前節(jié)點(diǎn)、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所在簇的CH、目的節(jié)點(diǎn)所在簇的CH 和目的節(jié)點(diǎn)的骨干路由。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)先將請求消息RREQ 發(fā)送給所在簇的CH，接收到RREQ 的CH 根據(jù)當(dāng)前的位置信息，選擇距離最近且簇內(nèi)有足夠車流量來保證連通性的鄰居CH 轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。鄰居CH接收到RREQ 后，根據(jù)該策略轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，直至消息轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。

4）在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ 消息的過程中，每個CH 都記錄RREQ 的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。目的節(jié)點(diǎn)在接收了RREQ 消息后，按RREQ 的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，回復(fù)RREP 消息至當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到RREP 消息，則默認(rèn)為傳輸失敗，并返回RRER 消息；否則，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)開始向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 仿真環(huán)境

本文采用NS2 網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，在Ubuntu 18.04 的環(huán)境下，對AODV-CMIRP 協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。為了能夠模擬接近真實(shí)的城市環(huán)境道路交通場景及車輛運(yùn)動行為，采用微觀交通仿真軟件SUMO 生成街道模型和節(jié)點(diǎn)運(yùn)動模型，AODV 參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 AODV 參數(shù)設(shè)置Table 1 AODV parameters setting

3.2 仿真結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)選取原AODV 協(xié)議與CBDRP 協(xié)議［19］進(jìn)行仿真模擬和對比分析。

3.2.1 簇頭生存時間

簇頭生存時間定義為車輛節(jié)點(diǎn)充當(dāng)CH 的持續(xù)時間，一個動態(tài)簇的生存時間很大程度上取決于簇頭生存時間，簇頭生存時間越長，該簇穩(wěn)定性越高［20］。傳輸范圍與簇頭生存時間的關(guān)系如圖3 所示。從圖3 可以看出，當(dāng)?shù)缆飞系能囕v個數(shù)為100，最大移動速度為20 m/s 時，傳輸范圍從100 m 增大到400 m 的簇頭壽命變化情況。隨著車輛傳輸范圍增大，兩種協(xié)議簇的規(guī)模均增加，因此簇頭生存時間增加。在傳輸范圍相同時，AODV-CMIRP 協(xié)議的簇頭生存時間較長。CBDRP 協(xié)議選取簇頭主要根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置信息和速度矢量，并未考慮節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定度，而AODV-CMIRP 協(xié)議將每個節(jié)點(diǎn)的相對速度和相對移動度作為節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定度的評價指標(biāo)，選出簇內(nèi)穩(wěn)定度最佳的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，從而有效地延長了簇頭生存時間。因此，在簇頭生存時間上AODVCMIRP 協(xié)議表現(xiàn)更佳。

圖3 CBDRP、AODV-CMIRP 協(xié)議簇頭生存時間的對比Fig.3 Cluster head lifetime comparison of CBDRP and AODV-CMIRP protocols

3.2.2 平均跳數(shù)

平均跳數(shù)定義為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)投遞數(shù)據(jù)分組路由跳數(shù)的平均值，平均跳數(shù)越少，說明路由協(xié)議所消耗的網(wǎng)絡(luò)帶寬和時間越少，路由性能也更好［21］。CBDRP、AODV-CMIRP 協(xié)議平均跳數(shù)對比如圖4 所示。兩種協(xié)議傳輸范圍與數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過路徑跳數(shù)平均值之間的關(guān)系。在傳輸范圍相同時，CBDRP 協(xié)議在分簇時并未考慮車輛的傳輸范圍對分簇的影響，而AODV-CMIRP 協(xié)議簇的劃分與車輛的傳輸范圍相關(guān)，且考慮到最佳分簇數(shù)量的上下限。因此，在平均跳數(shù)方面AODV-CMIRP 協(xié)議表現(xiàn)更好。

圖4 CBDRP、AODV-CMIRP 協(xié)議平均跳數(shù)對比Fig.4 Average hops comparison of CBDRP and AODV-CMIRP protocols

3.2.3 平均端到端時延

平均端到端時延為節(jié)點(diǎn)間投遞數(shù)據(jù)分組耗費(fèi)時間的平均值，用來衡量路由協(xié)議的實(shí)時性。平均端到端時延越小，說明路由協(xié)議投遞數(shù)據(jù)分組的時間越短。AODV、CBDRP、AODV-CMIRP 協(xié)議平均端到端時延對比如圖5 所示，可以看出3 種協(xié)議的平均端到端時延均隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而逐漸降低。隨著節(jié)點(diǎn)總數(shù)的增加，參與路由轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)也會增加，從而增加了滿足路由轉(zhuǎn)發(fā)條件的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，降低了平均端到端時延。AODV-CMIRP 協(xié)議采用雙簇頭傳輸數(shù)據(jù)分組，在計算相對穩(wěn)定度的過程中考慮簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量對簇頭選擇的影響，所以平均端到端時延較小。CBDRP 協(xié)議并未考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化對分簇后協(xié)議性能的影響，因此AODVCMIRP 協(xié)議的平均端到端時延更低。

圖5 AODV、CBDRP、AODV-CMIRP 協(xié)議平均端到端時延對比Fig.5 Average end-to-end delay comparison of AODV，CBDRP，AODV-CMIRP protocols

3.2.4 分組投遞率

分組投遞率為目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)與源發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)之比，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。分組投遞率越高，說明路由協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)分組的成功率越大、丟失數(shù)據(jù)分組的可能性越小。AODV、CBDRP、AODV-CMIRP 協(xié)議分組投遞率對比如圖6 所示，可以看出隨著節(jié)點(diǎn)個數(shù)增加，數(shù)據(jù)的分組投遞率均有所提升，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)個數(shù)增多時，節(jié)點(diǎn)的相遇概率會增加，提升了網(wǎng)絡(luò)的連通性，降低了路由空洞的概率。AODV-CMIRP 協(xié)議的簇頭更穩(wěn)定，在簇頭選擇過程中考慮了簇內(nèi)車輛節(jié)點(diǎn)的相對速度和相對移動度，增強(qiáng)了路由協(xié)議的可靠性，保證了節(jié)點(diǎn)之間的正常通信，因此AODV-CMIRP 協(xié)議分組投遞率優(yōu)于CBDRP 協(xié)議。

圖6 AODV、CBDRP、AODV-CMIRP 協(xié)議分組投遞率對比Fig.6 Packet delivery fraction comparison of AODV，CBDRP，AODV-CMIRP protocols

4 結(jié)束語

本文提出一種用于車載自組織網(wǎng)絡(luò)連通性維護(hù)的AODV-CMIRP 路由協(xié)議。該協(xié)議根據(jù)最大化簇頭生存時間原則選取簇頭，將平均相對移動度和相對速度作為簇頭穩(wěn)定性的評判依據(jù)。仿真結(jié)果表明，與AODV、OBDRP協(xié)議相比，AODV-CMIRP協(xié)議在簇頭生存時間、平均跳數(shù)、平均端到端時延、分組投遞率四項(xiàng)指標(biāo)上表現(xiàn)均較好，減少了網(wǎng)絡(luò)重選簇頭的次數(shù)，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。為進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率并均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，后續(xù)將對AODV-CMIRP協(xié)議中節(jié)點(diǎn)的能量特性進(jìn)行研究。