CN101374114B - 一种基于方向信息的车载移动ad hoc网络路由选择方法 - Google Patents

Abstract

一种基于方向信息的车载移动ad hoc网络路由选择方法属于车载移动无线自组织网络路由研究领域，其特征主要表现在路由建立阶段含有以下的步骤：节点收到路由请求报文时，判断自己是否为目的节点，当本节点不是目的节点时，启用方向判断策略，只有在自身移动方向和RREQ标示的方向差在容忍范围之内时，才会检查自己的路由表，依照本节点是否具有到达目的节点的有效路由来判断是否向源节点回复RREP或是转发RREQ数据包(转发数据包时须将RREQ中方向信息更新为本节点的运动方向)，否则丢弃数据包。采用本方法之后，车载移动ad hoc网络的路由断链次数明显的减少，且路由开销也大大降低，因此本方法是一种值得推荐的方案。

Description

一种基于方向信息的车载移动ad hoc网络路由选择方法

技术领域

一种基于方向信息的车载移动ad hoc网络路由选择方法属于车载移动无线自组织网络路由研究领域。

背景技术

Ad Hoc网络是一种可以根据需要随时快速搭建的无线网络，不需要任何基础设施的支持，也不需要借助中心管理。它最初起源于20世纪70年代的美国军事研究领域，可在有限的范围内实现多个移动终端的临时互联，为局域网中的移动通信终端提供一种灵活的互联方式。目前Ad Hoc网络主要应用军事通信、发生地震或水火灾之后的营救等环境。另外Ad hoc也非常适合于展览馆、会议室、体育馆、教室、火车等需要临时通信的场合。可以预测，Ad Hoc网络技术将在未来移动通信的领域中将起到非常重要的作用。

寻找路由是Ad Hoc网络最重要的关键技术之一。要实现无线多跳路由，必须要有专用的路由方法来支持。IETF成立的MANET工作组目前主要负责Ad hoc网络IP层路由的标准化工作。在Ad hoc网络中，每个移动节点兼备路由器和主机两种功能。作为主机，移动节点需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，它需要实现相应的寻路方法，根据路由策略和路由表参与数据分组转发工作和路由维护工作。考虑到Ad hoc网络中节点是移动的，网络的拓扑结构不断变化，同时由于移动节点的计算能力和存储容量较低并且能源受限，要求路由方法尽量简单，这又增加了Ad hoc网络中路由方法设计的难度。Ad Hoc网络现有的寻路方法基本上都是通过专门的方法通过交互报文来完成，典型的Ad Hoc路由协议有AODV(Ad hoc0n-Demand Distance Vector Routing)、DSR(Dynamic Source Routing)、DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector)等。

将传统ad hoc网络应用于车载通信是一个较新的研究领域，不同于传统的MANET，车载ad hoc网络主要具有以下的特点：1、节点速度较高，但其移动轨迹被限制在道路中，由一定的规则来约束，并且与其他运动节点相关，随机性相对较低；2、不同道路之间即使距离较小，但由于建筑物的阻碍使得其正常通信的可能性较低；3、车载通信网络在城市环境下节点密度较高；4、车载ad hoc网络对于数据发送速率要求较低。传统的移动Ad hoc网络路由协议并未考虑车载移动ad hoc网络的特点，其性能在城市车载移动环境下会具有显著下降，当节点移动速度较高或节点密度上升时，传统协议的丢包率以及路由开销等指标均有显著上升，大大影响了网络的性能。

所以，如何针对车载通信的特点，设计一种适用于车载移动Adhoc网络的路由方法，是当前车载通信领域的一个关键问题。

发明内容

本发明提供了一种分布式的基于车辆运动方向信息的车载移动Ad hoc网络路由选择方法DARP(Direction Based AODV Routing Protocol)，此方法以AODV路由协议为基础，节点运动方向信息参与路由建立过程。该方法在车载移动环境下能够大大降低路由开销，提高网络性能。本方法依次按照下述步骤交互实现：

步骤(1.)：初始化；

每个节点建立本地路由表，路由表由若干路由项组成。路由项内容包括：目的地址、下一跳IP地址、出接口号、转发跳数、路由生存时间、节点运动方向等。路由表初始时不含任何路由项。

步骤(2.)：DARP机制中，每个节点在路由表相应标志位中保持并实时更新自己的运动方向信息，定义如下：

正南方向运动时D＝π。

步骤(3.)：当源节点产生数据需要建立服务时，首先检查其路由表，若路由表中存在去往目的节点的有效路由，则执行步骤3.1；若不存在去往目的节点的有效路由则执行步骤3.2：

步骤(3.1)：将路由表中到达目的节点的路由生存期更新为30秒，并采用此条路由进行数据发送，完成路由建立过程。

步骤(3.2)：源节点生成RREQ报文并以广播包的形式发送给邻居节点，RREQ报文中包含源和目的节点地址以及唯一的标志号等信息，并在其节点运动方向标志位PT_direction中写入源节点在生成RREQ时的运动方向信息。

步骤(4.)：节点收到RREQ报文，读取RREQ报文中目的节点标志位，并与本节点序号做比较，若比较结果相同，则说明本节点是目的节点，则执行步骤4.1，否则执行步骤4.2：

步骤(4.1)：生成RREP报文，包含源目的节点信息以及从目的节点前往源节点的路径，并以单播形式向上游节点发送。同时将去往源节点的路由加入路由表中。

步骤(4.2)：读取RREQ的PT_direction位的值，并和自身运动方向D做比较，得到F＝|D-PT_direction|。若α<F<2π-α(其中α为用户自己定义的方向差异容忍阈值，且0<α<π)则表明本节点和发送RREQ的上游节点运动方向的偏差不在容忍范围之内，故丢弃该数据包并不做任何回应；否则执行步骤5

步骤(5.)：若0<F≤α‖2π-α≤F<2π，则读取路由表中的信息，判断本节点是否有前往目的节点的有效路由，若有效路由存在则执行步骤5.1，否则执行步骤5.2：

步骤(5.1)：生成RREP报文，其中包含本节点到达目的节点的路由以及源目的节点的地址及序列号等信息，并以单播形式发往上游节点，同时更新自己的路由表，将到达源节点的路由加入表中。

步骤(5.2)：节点更新自身的路由表，加入到达源节点的路由，并更新RREQ的PT_direction标志位，写入自己的行驶方向，继续转发RREQ报文，进入步骤4，依此循环，直到找到目的节点或RREQ跳数超过其生存期为止。

由于在城市车载环境中，由于道路间障碍物的阻碍作用，车辆只能和相同道路上的车辆进行通信，而在同一条道路中，同向行驶的车辆之间具有较低的相对速度，因此无线链路更加稳定，而反向行驶的车辆则由于相对速度很大，车辆之间的无线链路维持时间相对较短，因此当相对运动的节点参与路由转发过程时，其路由断链概率很高。本方法在路由建立过程中充分考虑到了节点的运动方向信息，最大程度避免了反向运动的节点作为路由的转发节点，因此采用本方法所建立的路由稳定性较高，路由断链的概率较低。且本方法具有无环路、健壮性等特点，一定程度上解决了车载移动Ad hoc网络路由协议性能较为低下、可扩展性不强等缺陷，是一种值得推荐的方案。

附图说明

图1：源节点路由建立流程图；

图2：RREQ报文接收流程图；

图3：同向节点建立稳定路由；

图4：反向运动节点建立稳定路由；

图5：DARP与AODV路由方法在路由断链次数方面的比较；

图6：DARP与AODV路由方法在路由开销方面的比较；

具体实施方式

DARP路由方法可大大降低车载移动ad hoc网络的路由开销，并能提高路由的稳定性，减少路由断链情况的出现，从而提高整体的网络性能，是该发明的主要贡献。

源节点产生路由请求并建立路由的过程见图1所示。

图1描述了源节点在产生路由请求时的处理策略，在DARP方法中，我们将每条活动路由的最大生存期设置为30s，亦即在最后一次使用本路由发送数据完成的时刻开始，若30s内没有任何服务使用此条路由，则在路由表中将本路由删除；在节点产生路由请求时，若发现路由表有到达目的节点的有效路由，则直接利用该路由发送，并更新路由表中本条路由的生存期为其最大值；若无新鲜路由，则洪泛广播RREQ报文进行寻路，未收到RREP信息之前周期性重发RREQ，若超过了RREQ重发次数但仍为找到有效路由，则丢弃本数据，并将目的节点设置为不可达。

RREQ接收流程图见图2。图2是本发明的重点内容，节点收到来自邻居的RREQ，则判断用何种策略去处理RREQ报文，当本节点不是目的节点时，启用方向判断策略，只有在自身移动方向和RREQ标示的方向差在容忍范围之内时，才会检查自己的路由表，依照本节点是否具有到达目的节点的有效路由来判断是否向源节点回复RREP或是转发RREQ数据包(转发数据包时须将RREQ中方向信息更新为本节点的运动方向)，否则丢弃数据包。

采用方向信息作为判断依据之后，节点可以以很大的概率选择同向运动的节点为中继节点，从而使得转发节点间相对速度降低，路由稳定性得到很大提高，这是本发明的核心思想。

图3、图4分别描述了当源和目的节点同向或反向运动时的路由建立过程

源节点与目的节点同向运动时路由建立过程示例如图3所示。

按照箭头所示，A、B、C、D、E节点从左向右行驶，其他节点从右向左行驶，其中A节点为源节点，E节点为目的节点，网络初始化之后，A节点向邻居节点发送RREQ请求，图半圆所示为节点的无线通信半径，当F、G、H接收到来自反向节点的RREQ请求时(如图中虚线箭头所示)，则选择丢弃数据包，且不做任何回应，因此最终建立起来的路由便是A-B-C-D-E，由于其相对运动速度很小，所以本条路由稳定性较好。

源节点与目的节点反向向运动时路由建立过程示例如图4所示。

路由建立过程与上文图3的描述相似，源节点A发送RREQ寻找目的节点H，同向节点收到RREQ报文之后进行转发，反向节点F、G由于运动方向和RREQ标示方向的差不在容忍范围之内，丢弃报文，而H节点首先判断自身是目的节点，则不进行方向判断直接向源节点发送RREP，由于收到两个分布来自D节点和E节点的RREQ报文，H节点选择跳数较少的路由进行数据转发，则最终建立的路由为A-B-C-D-H。

采用这种方式，可以避免当节点在通信范围之内但却无法建立路由的情况，因此不会对网络的连通性产生大的影响，且避免了路由环路，是一种有效且健壮的路由方法。图5和图6可以清楚地说明，通过部署DARP方法，并进行仿真实验，我们可以验证本方法在和AODV路由协议比较时，路由断链次数明显的减少，且路由开销也大大降低。通过仿真验证，我们可以相信DARP路由方法在车载Adhoc网络中，是一种高效、稳定的方案。

Claims (1)

1.一种基于方向信息的车载移动ad hoc网络路由选择方法，其特征在于：本方法依次按照下述步骤交互实现，

步骤(1.)：初始化，

每个节点建立本地路由表，路由表由路由项组成，路由项内容包括：目的地址、下一跳IP地址、出接口号、转发跳数、路由生存时间、节点运动方向，路由表初始时不含任何路由项；

步骤(2.)：DARP机制中，每个节点在路由表相应标志位中保持并实时更新自己的运动方向信息，定义如下：

步骤(3.)：当源节点产生数据需要建立服务时，首先检查其路由表，若路由表中存在去往目的节点的有效路由，则执行步骤3.1；若不存在去往目的节点的有效路由则执行步骤3.2；

步骤(3.1)：将路由表中到达目的节点的路由生存期更新为30秒，并采用此条路由进行数据发送，完成路由建立过程；

步骤(3.2)：源节点生成RREQ报文并以广播包的形式发送给邻居节点，RREQ报文中包含源和目的节点地址以及唯一的标志号信息，并在其节点运动方向标志位PT_direction中写入源节点在生成RREQ时的运动方向信息；

步骤(4.)：节点收到RREQ报文，读取RREQ报文中目的节点标志位，并与本节点序号做比较，若比较结果相同，则说明本节点是目的节点，则执行步骤4.1，否则执行步骤4.2；

步骤(4.1)：生成RREP报文，包含源节点和目的节点信息以及从目的节点前往源节点的路径，并以单播形式向上游节点发送，同时将去往源节点的路由加入路由表中；

步骤(4.2)：读取RREQ的PT_direction位的值，并和自身运动方向D做比较，得到F＝|D-PT_direction|，若α＜F＜2π-α，α为用户自己定义的方向差异容忍阈值，且0＜α＜π，则表明本节点和发送RREQ的上游节点运动方向的偏差不在容忍范围之内，故丢弃该数据包并不做任何回应；否则执行步骤5；

步骤(5.)：若0＜F≤α||2π-α≤F＜2π，则读取路由表中的信息，判断本节点是否有前往目的节点的有效路由，若有效路由存在则执行步骤5.1，否则执行步骤5.2；

步骤(5.1)：生成RREP报文，其中包含本节点到达目的节点的路由以及源节点和目的节点的地址及序列号信息，并以单播形式发往上游节点，同时更新自己的路由表，将到达源节点的路由加入表中；

步骤(5.2)：节点更新自身的路由表，加入到达源节点的路由，并更新RREQ的PT_direction标志位，写入自己的行驶方向，继续转发RREQ报文，进入步骤4，依此循环，直到找到目的节点或RREQ跳数超过其生存期为止。

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