CN103260208B - 车载Ad hoc网络下基于位置信息的混合路由协议的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于充分利用获取到的位置信息，对优选节点的判断条件和路由发现过程进行了改进和创新，提出了一种车载Ad？hoc网络下基于位置信息的混合路由协议，本发明的过程大大降低了由广播RREQ所引起的网络洪泛，并保证了建立反向路由的寿命较长。本发明提出了一种车载Ad？hoc网络下基于位置信息的混合路由协议（E-SARP），本发明通过判断节点可靠性可路由质量，过滤具有不可靠因素的中间节点。本发明提出通过增加一个计数器的办法来控制最优路径的选择机制，通过计时器和计数器对等待RREQ分组的时间进行限制和对收到的RREQ分组的个数进行限制，从而减小端到端时延。

Description

车载Ad hoc网络下基于位置信息的混合路由协议的实现方法

技术领域

本发明涉及车载网络技术领域，特别涉及车载Adhoc网络下基于位置信息的混合路由协议的实现方法。

背景技术

近几年，车载Adhoc(点对点)网络受到越来越多的关注，特别是智能交通系统(ITS)。但是，在车载网络中，寻找到有效的路由来传输数据仍然是很大的挑战，例如车辆密度会随着时间的推移而改变；车辆的多少(成百或者成千的车辆)；由于高速运动或者城市环境中自然障碍物的干扰所导致的信道衰落等等问题。最近，针对车辆Adhoc网络的环境有很多新的研究，包括了实际场景下的流动性和传播模型^[1]～[3]。这些研究主要是针对这些路由协议应用到车载Adhoc网络中所面临的关键性问题。

人们普遍认为基于地理(或者位置)的路由协议是解决伸缩性问题的关键。产生这种观念的主要原因是因为基于位置的路由不需要交换链路信息，不需要建立和维护任何路由表，这种运行方式会大大减少路由开销。所以大部分人都认为，基于位置的路由协议更加适合在高速变化的情景下使用，性能更佳。

在车载Adhoc网络中，目标车辆和所有一跳邻车辆的距离是该类路由协议选择下一跳车辆来转发数据分组的判断依据。目的节点的位置存储在源节点发送的数据包的消息头中。而邻居节点的位置是通过信标消息的定期发送来获得的。基于位置的路由假设所有的车辆都安装了全球定位系统(GPS)，从而都知道自己的位置。基于位置的路由也假设发送车辆知道目的车辆的位置信息。这些假设需要一个高效的位置服务管理系统，这个系统可以跟踪到车辆在网络中的位置^[4]。因此，基于位置的路由协议会存在几个问题：使得该类路由协议不能得到实际应用的最大阻碍--位置错误。位置错误会严重降低基于位置的路由协议的性能，对基于位置的路由协议而言，如何获取到准确的位置信息是最大的问题。此外，在寻找不到邻居节点的场景下(空洞问题)如何进行数据转发，基于位置的路由协议还不能解决这个问题。在这种场景下，就需要一个备份程序来克服这个问题。不幸的是，当前的备份程序中，数据包经常需要经历很长的路径才能到达目的车辆或者陷入循环从而被丢弃。

在车载Adhoc网络中，还没有哪一种路由协议可以适用于所有的场景，在这种现状下，把几种路由协议结合到一起将会更有效果。设计这样一个协议的关键问题在于如何充分利用可以得到的位置信息，以减少路由开销。本发明设计新的协议的目的是提出新的路由策略来实现位置信息的空间作用。设计协议的主要目的不是为了取代当前的基于拓扑的路由协议，而是为了增强AODV路由协议的性能，使得该协议中的所有节点和基于位置的路由协议一样，也充分使用位置信息。很显然，ITS的路由协议将随着混合协议这条路线发展下去。

现有技术是基于GPS接收设备的车载可靠路由协议V-SARP，对AODV路由协议以洪泛广播的方式进行路由发现这一缺点进行了改进，但是改进的过程中没有充分利用获取到的邻居节点的位置、速度和相对方位信息，并且改进之后的最佳路由选择过程会带来过高的时延。

V-SARP路由协议将基于拓扑和基于位置信息的路由协议有机结合到了一起。利用得到邻居车辆的位置信息减少了RREQ分组转发的次数，同时改善了最佳路径的选择过程。V-SARP路由协议中RREQ分组转发范围改进的过程中，只考虑的了距离的因素，并没有考虑实际车辆与源车辆之间的位置关系，会导致如图1所示的问题。V-SARP路由协议的优选半径R是根据车辆的广播范围来确定的，并没有考虑实际场景中，邻居车辆与当前车辆的具体位置信息，所以会出现当车辆1只有两个邻居车辆2和3，且都远离车辆1的场景下，V-SARP路由协议将面临着没有下一跳节点可以选择的尴尬境地。并且V-SARP路由协议也没有考虑下一跳节点与当前车辆之间的相对速度，当二者方向相反的时候，该节点应该被默认为是边缘节点，而不进行路由请求分组的转发。本发明能更好的解决上述问题。

发明内容

本发明目的在于充分利用获取到的位置信息，对优选节点的判断条件和路由发现过程进行了改进，提出了一种车载Adhoc网络下基于位置信息的混合路由协议的实现方法。本发明的过程降低了由广播RREQ所引起的网络洪泛，并保证建立的反向路由的寿命较长。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提出了一种车载Adhoc网络下基于位置信息的混合路由协议的实现方法(E-SARP)，本发明通过判断节点可靠性可路由质量，过滤具有不可靠因素的中间节点。

方法流程：

本发明提出一种车载Adhoc网络下基于位置信息的混合路由协议的实现方法，其包括如下：

一、RREQ消息转发限制方法

(1)距离条件

车载Adhoc网络中的节点如图2所示，都有着一定的传输范围，按需路由协议在发起路由发现过程时，整个通信范围内的节点都会收到RREQ分组，从而建立了很多无用的反向路由，增大了路由开销。如果能够控制广播的范围，有效地控制按需路由协议中的RREQ分组的发送，将能够显著地使得路由开销降低，并且减少了路由冲突，提高路由性能。

为了抑制RREQ分组的简单广播发送形式，利用GPS获取到的信息，我们可以得到两个参数Rmax和Rmin，根据这两个参数我们可以划分出一个广播范围，在这个范围内的节点将是优选节点。Rmax和Rmin分别是邻居列表中离源节点最远和最近节点的距离。

假设优选节点所在圆弧的半径为R，那么圆弧的面积位于圆弧内的节点为优选节点，位于圆弧之外的节点则为候选节点。本发明中假设优选节点的个数等于候选节点的个数，那么 ${\mathrm{\πR}}^2-{\mathrm{\πR}}_{min}^2=0.5*({\mathrm{\πR}}_{max}^2-{\mathrm{\πR}}_{min}^2),$ 可以得出 $R=\frac{\sqrt{2}}{2}\sqrt{R_{max}^2-R_{min}^2}.$ 这里得出的R就是优选半径。与源节点的距离小于优选半径R的就是优选节点，坐标公式为：

$\sqrt{{(x_a-x_b)}^2+{(y_a-y_b)}^2}<\frac{\sqrt{2}}{2}\sqrt{R_{max}^2-R_{min}^2}---\left(1\right)$

x_a、x_b分别是节点a的横坐标、节点b的横坐标；y_a、y_b分别是节点a的纵坐标、节点b的纵坐标。

(2)速度和方向条件

公式(1)是判断节点是否在优选范围内的一个条件。而仅仅有这个条件，并不能保证选出的节点就是比较好的节点从而保证路径的可靠，本发明选出在节点的通信范围内与节点速度相近且方向相同的节点，速度相近且方向相同的节点可以保证网络拓扑变化没那么快，提高链路的可靠性，在发明选择的优选节点的速度与上一跳节点的速度之差的绝对值为30Km/h。

假设有这样两个节点，它们的传输半径都是r，速度大小分别是v₁、v₂，|v₁-v₂|≤30，两个节点移动方向的夹角为θ。作者希望求出这样两个节点之间的链路生存时间(LinkExpirationTime，LET)的平均值如此这样通过公式(2)就可以选择出比较稳定的链路(判断条件为链路存在时间大于平均值)。

$LET>\stackrel{\&OverBar;}{LET}---\left(2\right)$

链路生存时间LET(LinkExpirationTime)的计算公式(3)。

$LET=\frac{\sqrt{(a^2+c^2)r^2-{(ab-bc)}^2}-(ab+cd)}{a^2+c^2}---\left(3\right)$

下面给出的具体推导公式。

设上述提到的两个节点为m、n，则m、n的相对速度V的大小等于：

$V=\sqrt{{v_1}^2+{v_2}^2-2v_1{v}_{2}cos\mathrm{\&theta;}}---\left(4\right)$

假设在一段时间内，车辆的运行速度和方向都没有改变，那么车辆m离开车辆n的通信范围所需时间即链路生存时间为：

$LET=\frac{d}{v}---\left(5\right)$

d是车辆m和车辆n之间的距离，此处d的值取d的平均值大小而d是[0,2r]上均匀分布的随机值，所以 $\stackrel{\&OverBar;}{d}=2r/2=r.$

由于d和v相互独立，所以

$\stackrel{\&OverBar;}{LET}=E\left(LET\right)=E\left(d\right)/E\left(v\right)---\left(6\right)$

$E\left(\frac{1}{v}\right)=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}\underset{-\mathrm{\&infin;}}{\overset{+\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}}\underset{-\mathrm{\&infin;}}{\overset{+\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}}\frac{1}{v}f(v_1,v_2,\mathrm{\&theta;}){\mathrm{dv}}_1{\mathrm{dv}}_{2}d\mathrm{\&theta;}---\left(7\right)$

其中f(v₁,v₂,θ)是随机变量v₁、v₂、θ的联合概率密度。带入f(v₁,v₂,θ)的值可以求出为：

$\stackrel{\&OverBar;}{LET}=rE\left(\frac{1}{v}\right)=r\underset{0}{\overset{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}\underset{v_1-30}{\overset{v_1+30}{\&Integral;}}\frac{1}{\sqrt{{v_1}^2+{v_2}^2-2v_1{v}_2\cos \mathrm{\&theta;}}}\frac{1}{60}\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{dv}}_{2}d\mathrm{\&theta;}---\left(8\right)$

公式(1)(2)就是本发明推导出的链路可靠性的判断条件，旨在选择出节点通信范围内比较可靠的节点进行通信，从而大大减少了RREQ分组的转发，减少了网络开销，节约了带宽资源。

二、最优路径选择过程

V-SARP路由协议的路由回复是选择最优路径进行回复，所以就需要增加一个缓存，来存放已经收到的RREQ分组信息，并通过一个计时器来决定路由选择的时间。当计时器超时，就停止接收RREQ分组，并对缓存中的路径进行选择。但是这个计时器的存在，会影响端到端时延，导致V-SARP的端到端时延的增加，影响路由协议的性能。

针对端到端时延的问题，本发明提出通过增加一个计数器的办法来控制最优路径的选择机制。通过计时器和计数器对等待RREQ分组的时间进行限制和对收到的RREQ分组的个数进行限制，从而减小端到端时延。

当目的节点收到第一个RREQ分组之后，将其存入缓存空间，同时将启动计时器和计数器。计时器设置时间为300ms，计数器设置次数为5次。当计时器的时间超过设定的时间或者计数器次数超过5次之后，将停止接收新的RREQ分组，之后收到的RREQ分组将直接被丢弃。在计时器工作的这段时间内，如果收到重复的RREQ分组，需要比较这些分组的LET值，选择出其中具有比较大LET值的路径与缓存中路径的LET值进行比较，如果大于缓存路径的LET值，则更新缓存，反之不更新缓存。

这里计数器的设置次数是在仿真中获得的最佳次数。在仿真中，将计数器的次数分别设为了3、4、5、6、7、8五种，根据仿真结果可见，当计数器的次数设为5时，路由协议性能最佳。

当计时器超时或者计数器计数超过限制时，则应该停止最优路径的选择过程，根据缓存中的RREQ分组的序列号，选择建立反向路由。目的节点产生RREP分组，该分组沿着路由表中的路径单播给下一跳节点，每经过一个节点，hopcount就增加1。

本发明有益效果：

1、本发明充分利用了邻居车辆的位置信息、速度和方向，从而提高了混合路由协议的性能。

2、本发明建立的反向路由的寿命较长，在低负载的时候，性能相似；高负载时端到端时延减少、分组投递率提高、控制开销降低。

附图说明

图1是现有技术的优选半径示意图。

图2是本发明的优选半径示意图。

图3是本发明的E-SARP和V-SARP性能对比图。

具体实施方式

下面通过结合说明书附图，进一步说明本发明的技术方案。

如图3所示，本发明通过VanetMobiSim软件模拟了1500m*1200m的交通网，网络中随机分布了50个节点；网络中设有6个交通灯，每个交通灯颜色变化周期设为1s；所有车道设为双车道，部分车道设置为低速路段，最大限制速度为40km/h，其余车道设置为快速路段，最大限制速度为70km/h；节点的停留速度设置为0.5s。

在NS2的仿真模型中，网络的基本参数设置如下：网络规模为1500m*1200m，50个节点随机分布在该区域内的道路上；节点的MAC层使用IEEE802.n的DCF协议，无线接口带宽为2Mb/s；节点的传输半径为250m；应用层采用恒定比特流CBR业务，每个报文大小为512字节；仿真时间长为200s。

(1)数据分组的端到端时延

图3(a)给出了车速为20米/秒的场景下，随着连接数的变化，E-SARP和V-SARP路由协议的端到端时延的变化趋势。根据理论分析，随着最大连接数的增大，网络负载也随之增大，端到端时延会逐渐增大。

由图3(a)所示，E-SARP路由协议的端到端时延在最大连接数比较小的场景下即负载较小的时候，与V-SARP路由协议的端到端时延差不多，但是在网络负载比较大的时候，E-SARP路由协议的端到端时延比V-SARP路由协议的端到端时延明显要小，主要是因为E-SARP路由协议的路径选择机制中增加了一个计数器，当在计时器的有效时间内收取到的RREQ分组比较多的时候，计数器就起到了很大的作用，会明显减少端到端时延。在车载Adhoc网络下，在车辆高速行驶中，端到端时延的减少可以另数据分组的传输更加可靠。此外，选择链路生存时间更长的路径进行数据传输，可以有效地降低链路断裂的可能性，减少重新发起路由发现过程的次数，也可以减少端到端时延。因此，从端到端时延参数来看，E-SARP路由协议比V-SARP路由协议更加适合在高负载的城市场景下应用。

(2)分组传递率

图3(b)给出了车速为20米/秒的场景下，随着连接数的变化，E-SARP路由协议和V-SARP路由协议的分组传递率的变化趋势。在最大连接数比较小的场景下，E-SARP路由协议和V-SARP路由协议的分组传递率基本相同，而随着最大连接数地增大，网络负载也随之增大，E-SARP路由协议的分组传递率要明显高于V-SARP路由协议的分组传递率，因为E-SARP路由协议对分组抑制方法进行了改进，在优选条件的推导中，考虑了车辆的位置、相对速度和方向等因素，充分利用了车载GPS可以获取到的信息，相比V-SARP路由协议而言，选择的节点更加可靠，选择的传输路径更优，保证了数据传输路由的可靠性，提高了数据分组的传递率。因此，从分组投递率参数来看，E-SARP路由协议比V-SARP路由协议更加适合在高负载的城市场景下应用。

(3)路由控制开销

图3(c)给出了车速为20米/秒的场景下，随着连接数的变化，E-SARP路由协议和V-SARP路由协议的路由控制开销的变化趋势。

首先可以看到，随着连接数的增加，两种路由协议的控制开销都在增大。在最大连接数比较小的场景下，E-SARP路由协议和V-SARP路由协议的路由控制开销基本相同，而随着最大连接数地增大，网络负载也随之增大，E-SARP路由协议的路由控制开销要明显少于V-SARP路由协议的路由控制开销，因为E-SARP路由协议对分组抑制方法进行了改进，在优选条件的推导中，考虑了车辆的位置、相对速度和方向等因素，充分利用了车载GPS可以获取到的信息，相比V-SARP路由协议而言，选择的节点更加可靠，选择的传输路径更优，保证了数据传输路由的可靠性，提高了数据分组的传递率。

Claims (1)

1.一种车载Adhoc网络下基于位置信息的混合路由协议的实现方法，其特征在于，包括：通过计时器和计数器对等待RREQ分组的时间进行限制和对收到的RREQ分组的个数进行限制，从而减小端到端时延；当目的节点收到第一个RREQ分组之后，将其存入缓存空间，同时将启动计时器和计数器，所述的RREQ消息转发限制包括：

(1)距离条件

为了抑制RREQ分组的简单广播发送形式，利用GPS获取到的信息，得到两个参数Rmax和Rmin，根据这两个参数划分出一个广播范围，在这个范围内的节点将是优选节点；Rmax和Rmin分别是邻居列表中离源节点最远和最近节点的距离；

假设优选节点所在圆弧的半径为R，那么圆弧的面积位于圆弧内的节点为优选节点，位于圆弧之外的节点则为候选节点；本发明中假设优选节点的个数等于候选节点的个数，那么 ${\mathrm{\&pi;R}}^2-{\mathrm{\&pi;R}}_{min}^2=0.5*({\mathrm{\&pi;R}}_{max}^2-{\mathrm{\&pi;R}}_{min}^2),$ 得出 $R=\frac{\sqrt{2}}{2}\sqrt{R_{max}^2-R_{min}^2};$ 这里得出的R就是优选半径；与源节点的距离小于优选半径R的就是优选节点，坐标公式为：

$\sqrt{{(x_a-x_b)}^2+{(y_a-y_b)}^2}<\frac{\sqrt{2}}{2}\sqrt{R_{max}^2-R_{min}^2}---\left(1\right)$

x_a、x_b分别是节点a的横坐标、节点b的横坐标；y_a、y_b分别是节点a的纵坐标、节点b的纵坐标；

(2)速度和方向条件

公式(1)是判断节点是否在优选范围内的一个条件；而仅仅有这个条件，并不能保证选出的节点就是比较好的节点从而保证路径的可靠，本发明选出在节点的通信范围内与节点速度相近且方向相同的节点，速度相近且方向相同的节点保证网络拓扑变化没那么快，提高链路的可靠性，在发明选择的优选节点的速度与上一跳节点的速度之差的绝对值为30Km/h；

假设有这样两个节点，它们的传输半径都是r，速度大小分别是v₁、v₂，|v₁-v₂|≤30，两个节点移动方向的夹角为θ；求出这样两个节点之间的链路生存时间(LinkExpirationTime，LET)的平均值通过公式(2)选择出比较稳定的链路，即判断条件为链路存在时间大于平均值；

$LET>\stackrel{\&OverBar;}{LET}---\left(2\right)$

假设在一段时间内，车辆的运行速度和方向都没有改变，那么车辆m离开车辆n的通信范围所需时间即链路生存时间(LinkExpirationTime，LET)为：

$LET=\frac{d}{v}---\left(5\right)$

其中，d表示车辆m和车辆n之间的距离；v表示车辆m和车辆n之间的相对速度；

下面给出的具体推导公式；

设上述提到的两个节点为m、n，则m、n的相对速度V的大小等于：

$V=\sqrt{{v_1}^2+{v_2}^2-2v_1{v}_{2}cos\mathrm{\&theta;}}---\left(4\right)$

d是车辆m和车辆n之间的距离，此处d的值取d的平均值大小而d是[0,2r]上均匀分布的随机值，所以 $\stackrel{\&OverBar;}{d}=2r/2=r;$

由于d和v相互独立，所以

$\stackrel{\&OverBar;}{LET}=E\left(LET\right)=E\left(d\right)/E\left(v\right)---\left(6\right)$

$E\left(\frac{1}{v}\right)=\underset{0}{\overset{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}\underset{-\mathrm{\&infin;}}{\overset{+\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}}\underset{-\mathrm{\&infin;}}{\overset{+\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}}\frac{1}{v}f(v_1,v_2,\mathrm{\&theta;}){\mathrm{dv}}_1{\mathrm{dv}}_{2}d\mathrm{\&theta;}---\left(7\right)$

其中f(v₁,v₂,θ)是随机变量v₁、v₂、θ的联合概率密度；带入f(v₁,v₂,θ)的值，求出为：

$\stackrel{\&OverBar;}{LET}=rE\left(\frac{1}{v}\right)=r\underset{0}{\overset{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}\underset{v_1-30}{\overset{v_1+30}{\&Integral;}}\frac{1}{\sqrt{{v_1}^2+{v_2}^2-2v_1{v}_2\cos \mathrm{\&theta;}}}\frac{1}{60}\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{dv}}_{2}d\mathrm{\&theta;}---\left(8\right)$

公式(1)(2)就是本发明推导出的链路可靠性的判断条件，旨在选择出节点通信范围内比较可靠的节点进行通信，从而大大减少了RREQ分组的转发。