劉軼 ；涂義根

（1.江西路通科技有限公司，江西南昌 330000；2.江西省公路投資有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

高速公路通信系統(tǒng)以公路為依托而修建，因此也具有了高速公路地理位置方面的物理特性，并在地理位置上已經(jīng)具備簇的特征和屬性。構(gòu)建基于簇的高速公路通信數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，并通過簇頭選擇標(biāo)準(zhǔn)及算法設(shè)計(jì)確定分簇，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制協(xié)議，構(gòu)建起分層通信方式，可為數(shù)據(jù)信息傳輸提供可靠保證，并有效避免傳輸延時、縮短傳輸時間，確保通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、穩(wěn)定性與可靠性。

1 工程背景

某省高速公路通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按照三級模式規(guī)劃，包括設(shè)置在其省會城市的通信中心、設(shè)置在各地市的各條公路通信管理處以及設(shè)在收費(fèi)站服務(wù)區(qū)的各路段通信站。省中心到各分中心屬于干線網(wǎng)，分中心到各收費(fèi)站則為接入網(wǎng)。

根據(jù)相關(guān)部門對該高速公路數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸保障平臺及分布式存儲協(xié)同機(jī)制運(yùn)行狀況的研究發(fā)現(xiàn)，該省高速公路通信光纖專網(wǎng)雖然早已建成，并伴隨著新路段的修建在不斷延伸拓展，但普遍存在以下問題：（1）光纖專網(wǎng)鏈路質(zhì)量存在較大差異。該省高速公路不同路段建設(shè)時間不同，早期建成的高速公路光纖專網(wǎng)部分已經(jīng)老化損壞，中斷現(xiàn)象頻繁發(fā)生；（2）該省高速公路光纖專網(wǎng)邏輯中心節(jié)點(diǎn)位于其省會城市，同時也是各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲中心和整個高速公路通信系統(tǒng)指揮中心所在，但是該省會城市周邊光纖專網(wǎng)也因年代久遠(yuǎn)而經(jīng)常中斷，其干線傳輸系統(tǒng)并非網(wǎng)狀組網(wǎng)，但新建高速公路專網(wǎng)只能通過這些老化的專網(wǎng)與省中心連通，嚴(yán)重影響專網(wǎng)連接；（3）該省高速公路光纖專網(wǎng)覆蓋范圍和規(guī)模與電信專用網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)，但在運(yùn)行維護(hù)及硬件投入方面卻略顯不足，光纖多次熔接，信號嚴(yán)重衰減，網(wǎng)絡(luò)抖動、數(shù)據(jù)傳輸延時及丟包等現(xiàn)象頻繁發(fā)生。綜上所述，該省高速公路通信系統(tǒng)單純依靠光纖專網(wǎng)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊⒎€(wěn)定、實(shí)時顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

基于此，本研究提出基于簇的高速公路通信傳輸機(jī)制，以解決該省高速公路通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性問題。

2 基于簇理論的通信系統(tǒng)傳輸機(jī)制

2.1 消息及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

考慮到分布式分簇及通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，必須進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲及傳遞，各節(jié)點(diǎn)所存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大致包括簇頭選擇指標(biāo)、中心連通狀態(tài)，簇頭及簇成員表、簇存儲信息等。

（1）簇頭選擇主要從節(jié)點(diǎn)間選擇能力最佳的節(jié)點(diǎn)，并將其設(shè)定為簇頭，其中，分布式自適應(yīng)簇頭主要通過延時權(quán)重算法確定，其延時權(quán)重主要取決于節(jié)點(diǎn)和中心以及節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)的延時[1]，由式（1）表示：

式中：WD為延時權(quán)重；Delayc為節(jié)點(diǎn)和省中心通信連接的延時；D為節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)延時均值。

若某節(jié)點(diǎn)的有效鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)為n，則節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)延時均值按式（2）確定：

若任意兩個節(jié)點(diǎn)延時權(quán)重WD相等，則應(yīng)以其中較大的節(jié)點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn)。

（2）中心連通狀態(tài)是節(jié)點(diǎn)與省中心連通狀態(tài)的記錄與體現(xiàn)，包括網(wǎng)絡(luò)類型、延時、中心節(jié)點(diǎn)、IP 地址、連通率等。

（3）簇頭是節(jié)點(diǎn)所處簇記錄的簇頭節(jié)點(diǎn)id，若節(jié)點(diǎn)尚未加入簇，則無取值。記錄簇頭及簇成員節(jié)點(diǎn)信息的簇信息表存儲于省中心。

（4）協(xié)議消息主要由簇頭消息、簇加入效益、簇成員、簇競選消息等組成。分簇協(xié)議消息格式詳見表1。

表1 分簇協(xié)議消息格式

2.2 分簇及簇維護(hù)協(xié)議

分簇過程中節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為未確定、簇頭及簇成員三種狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)改變主要通過消息傳遞進(jìn)行，分簇則通過計(jì)算簇頭指標(biāo)實(shí)現(xiàn)[2]。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況詳見圖1。

圖1 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖

簇頭按照不同算法將分簇及簇成員信息向省中心匯報(bào)：

算法1：節(jié)點(diǎn)處于未確定狀態(tài)（UN）。通過向有效相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送hello-join 請求并等待t1 時間后加入簇，若接收到簇頭所反饋的hello-CH 信號則加入簇成功，對應(yīng)步驟（1），同時向簇頭發(fā)送hello-CM 信號；相反，若未接收到簇頭信號，則進(jìn)一步發(fā)送hello-cont 進(jìn)入選擇新簇環(huán)節(jié)，該節(jié)點(diǎn)簇頭選擇指標(biāo)值包含在hello-cont中，相鄰節(jié)點(diǎn)也同時發(fā)送hello-cont請求并等待t2時間；選擇其中指標(biāo)最小的節(jié)點(diǎn)為簇頭，并由該簇頭發(fā)送hello-CH 信號，對應(yīng)著步驟（2），其余接收到hello-CH 信號的節(jié)點(diǎn)則構(gòu)成所在簇成員，對應(yīng)步驟（3），節(jié)點(diǎn)狀態(tài)也相應(yīng)調(diào)整為CM。

算法2：節(jié)點(diǎn)處于簇頭狀態(tài)（CH）。定時將hello-CH 信號發(fā)送至簇成員節(jié)點(diǎn)，若超時未接收到成員節(jié)點(diǎn)反饋的hello-CM 信號，則將該成員節(jié)點(diǎn)刪除，并將其余簇成員節(jié)點(diǎn)信息匯報(bào)至省中心；若在規(guī)定時間內(nèi)接收到成員節(jié)點(diǎn)反饋的hello-join 信息，則及時回復(fù)hello-CH；若收到的是成員節(jié)點(diǎn)反饋的hello-CM 信號，則將該成員節(jié)點(diǎn)增加至簇成員表。對于未匯報(bào)至省中心的簇成員節(jié)點(diǎn)信息，對應(yīng)步驟（6），其節(jié)點(diǎn)狀態(tài)也相應(yīng)變更為CM。

算法3：節(jié)點(diǎn)處于簇成員狀態(tài)（CM）。若接收到簇頭節(jié)點(diǎn)hello-CH 信號，并及時回復(fù)hello-CM，如超過時間t3而未收到簇頭節(jié)點(diǎn)hello-CH，則將相應(yīng)簇頭信息刪除，即對應(yīng)步驟（4），節(jié)點(diǎn)狀態(tài)也相應(yīng)改為UN，簇分離。對于簇頭狀態(tài)（CH）同樣處理，若超出系統(tǒng)認(rèn)定時間而未收到簇頭節(jié)點(diǎn)信息，則將相應(yīng)簇頭信息刪除，對應(yīng)步驟（5）。

在以上處理中，凡是改變節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，均需要重置簇頭和簇成員表，若節(jié)點(diǎn)變更為UN 狀態(tài)，則應(yīng)清空簇頭和簇成員表，若節(jié)點(diǎn)變更為CH 狀態(tài)，則應(yīng)重新將簇頭設(shè)置為該節(jié)點(diǎn)，若節(jié)點(diǎn)變更為CM 狀態(tài)，則應(yīng)清空簇成員表。省中心將依據(jù)簇頭所發(fā)送的簇成員信息重新構(gòu)建簇成員表。

包括簇合并和分裂的簇維護(hù)主要通過消息傳遞及改變節(jié)點(diǎn)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行簇維護(hù)時，簇頭按照t1的時間周期發(fā)送hello-CH；在簇分裂時，處于CM 狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)若在t3時間內(nèi)未接收到任何hello-CH，則隨即進(jìn)入簇頭競爭，并同時發(fā)送hello-cont進(jìn)入選擇新簇環(huán)節(jié)，對應(yīng)步驟（3）；處于CM或CH狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)若在t3時間內(nèi)未接收到任何hello-CH 和hello-CM，則可認(rèn)為相鄰節(jié)點(diǎn)不存在，隨即退回UN狀態(tài)，對應(yīng)步驟（4）和（5）。在進(jìn)行簇合并處理時，處于CH 狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)若接收到相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)出的hello-CH，并在間歇t4 時間后還能接收到hello-CH，則應(yīng)重新成簇，并重新將指標(biāo)值較小者選定為簇頭，指標(biāo)值較大者則變更為簇成員，對應(yīng)步驟（6）。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

基于以上對分簇的分析，可借助簇頭實(shí)現(xiàn)中繼數(shù)據(jù)傳輸及確認(rèn)，使各節(jié)點(diǎn)均接收到至少一份省中心數(shù)據(jù)拷貝。數(shù)據(jù)包及ACK1、ACK2、ACK3 三類確認(rèn)消息共同構(gòu)成協(xié)議消息，且簇頭與簇頭、簇頭與簇成員及省中心之間的確認(rèn)也主要通過這三類確認(rèn)消息。

基于簇的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議主要包括以下算法：

算法1：省中心數(shù)據(jù)信息發(fā)送。針對簇信息表內(nèi)的全部簇建立數(shù)據(jù)包，并將目的節(jié)點(diǎn)id 和id list 分別設(shè)為簇頭和簇成員節(jié)點(diǎn)id list，并分別發(fā)出數(shù)據(jù)包，等待t3時間；若接收到簇頭j 所發(fā)出的ACK3 消息，并存在接收不正確的節(jié)點(diǎn)，則整個傳輸單元應(yīng)重新傳遞。

算法2：簇頭數(shù)據(jù)信息傳輸。若接收到省中心反饋的數(shù)據(jù)包，則應(yīng)回復(fù)ACK1，并構(gòu)建節(jié)點(diǎn)id list 中全部節(jié)點(diǎn)i 的數(shù)據(jù)包，分別將目的節(jié)點(diǎn)id 和id list 設(shè)為節(jié)點(diǎn)i和空，發(fā)送數(shù)據(jù)包，并等待t5 時間。若接收到的簇成員節(jié)點(diǎn)i 發(fā)出的ACK1，則同時觸發(fā)t5 定時器，并結(jié)合未接收到的簇成員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包構(gòu)造ACK3。

算法3：簇成員數(shù)據(jù)傳輸。接收到簇頭數(shù)據(jù)包后回復(fù)ACK2，并應(yīng)通過三次確認(rèn)機(jī)制確保各節(jié)點(diǎn)接收到省中心數(shù)據(jù)拷貝。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 仿真環(huán)境設(shè)置

考慮到無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量傳輸能力對于簇頭節(jié)點(diǎn)射頻信號強(qiáng)度依賴程度較高，并且簇頭節(jié)點(diǎn)更換較為頻繁，如遇簇頭節(jié)點(diǎn)射頻信號傳輸過程暫停，則會影響整個網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。因此以網(wǎng)絡(luò)擁塞時間、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時間等為主要判斷指標(biāo)進(jìn)行簇頭輪詢機(jī)制性能的判斷。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于正常工作狀態(tài)時，CH 和CM 節(jié)點(diǎn)的角色會根據(jù)DARM 機(jī)制或TSTM 機(jī)制切換和變動，為此，仿真試驗(yàn)主要通過分區(qū)數(shù)量、分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個數(shù)、節(jié)點(diǎn)初始能量等變量控制以驗(yàn)證所提出的高速公路通信系統(tǒng)傳輸機(jī)制運(yùn)行的有效性。

該省基于簇理論的高速公路通信系統(tǒng)傳輸機(jī)制仿真試驗(yàn)在源代碼公開、免費(fèi)的軟件模擬平臺Network Simulator version 2（NS2）中進(jìn)行，省中心用n0 表示，收費(fèi)節(jié)點(diǎn)分別用n1、n2、……表示，不同節(jié)點(diǎn)之間由光纖和VPN 互聯(lián)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，光纖鏈路帶寬100Mbps、延時8ms、丟包率1%；VPN 鏈路帶寬10Mbps、延時20ms、丟包率5%。省中心向其余節(jié)點(diǎn)均通過TCP的FTP類型應(yīng)用發(fā)送相通數(shù)量的1 000byte數(shù)據(jù)包，在單位路徑信息約500k字節(jié)的情況下，一個路徑信息所發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)為500個。分別采用直接傳輸和分簇傳輸兩種方式。其中，直接傳輸主要借助VPN網(wǎng)絡(luò)，而分簇傳輸則通過光纖。分簇傳輸中設(shè)定三個簇，各簇均設(shè)置為10個節(jié)點(diǎn)，并以簇中編號最小的節(jié)點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn)。

3.2 仿真結(jié)果分析

隨著無線傳感網(wǎng)中路徑信息流發(fā)送量逐次增大，VPN 和光纖兩種傳輸方式下數(shù)據(jù)發(fā)送量對數(shù)據(jù)延時發(fā)送的影響以及發(fā)送量對路徑信息平均完成時間的影響分別見圖2和圖3。這是因?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)中CH節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨著路徑信息流發(fā)送量的增大而增加，網(wǎng)絡(luò)能量傳輸風(fēng)險(xiǎn)程度得以降低，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量隨之提高。因存在TCP發(fā)送窗口方面的要求，在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)增加且并發(fā)流數(shù)量確定的基礎(chǔ)上，路徑信息平均完成時間無明顯變化，數(shù)據(jù)傳輸延時及路徑信息完成時間也無較大差異[3]。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中CH 節(jié)點(diǎn)數(shù)量主要由分區(qū)數(shù)量決定，而一個分區(qū)內(nèi)通常僅包括一個CH 節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)對路徑信息平均完成時間并無明顯影響。

圖2 發(fā)送量對數(shù)據(jù)延時發(fā)送的影響

圖3 發(fā)送量對路徑信息平均完成時間的影響

4 結(jié)語

綜上所述，基于簇理論的高速公路通信系統(tǒng)傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)通過分簇以及數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制協(xié)議設(shè)計(jì)，并構(gòu)建分層通信方式，能在當(dāng)前高速公路運(yùn)行數(shù)據(jù)量規(guī)模下有效解決通信系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性問題，仿真結(jié)果以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明，與常規(guī)的單純依靠光纖專網(wǎng)進(jìn)行高速公路通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)相比，基于簇理論的傳輸機(jī)制能有效解決高速公路通信數(shù)據(jù)傳輸延時、丟包等問題，節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸時間，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、可靠性及穩(wěn)定性。