CN103546937B - 一种车载自组织网络中基于主动链路状态感知的机会路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于主动链路状态感知的车载自组织网络机会路由方法，针对车载自组织网络高动态拓扑中无线网络间歇性中断、通信困难的场景：（1）提出了路段链路断开处主动向路口发起预警的DA机制以及链路状态更新的方法；（2）路口通过最近m个Hello消息周期的链路状态统计，计算路段无线链路随后重新连接概率的RP值；（3）改进GPSR路由协议，加入携带‑转发机制，在路口通过主动链路状态感知机制得到具有最大重连概率的路段，使用改进的贪婪算法辅助路由进行转发决策。提高了数据投递率，减小了时延和开销，增强了城市路口数据包转发的稳定性、及时性和可靠性。

Description

一种车载自组织网络中基于主动链路状态感知的机会路由 方法

技术领域

本发明涉及车载无线网络技术领域，提出一种机会路由中的链路状态主动感知的机制，并给出一种路段链路重连概率的计算方法。

背景技术

车载自组织网络(Vehicular Ad Hoc Networks，车载自组织网络)是由车载单元和路边设施组成，通过无线数据传递与蜂窝网、Wi-Fi及陆地移动无线设备连接,再通过公共网路送到移动管理中心的特殊专用网络架构。它是移动自组织网络(Mobile Ad-hocNetworks,MANET)的一个特殊范畴，具有高速动态变化的拓扑、受道路拓扑和障碍物限制、节点快速移动、密度分布不均、无线传输间歇性中断和阴影效应等特点。目前车辆都配备有GPS，通过信标消息交互获得一跳传输范围内邻居的位置、速度、方向和目的等信息，选择最优邻居来转发数据包。

车载自组织网络中基于地理的延时容忍网络(Delay Tolerant Networks,DTN)和机会路由常与全球卫星定位系统GPS和电子地图相结合，目前已经成为研究热点，具有挑战性和机遇。

机会路由通常用节点到目的的最短路期望传输计数(Expected TransmissionCount，ETX)值、跳数或地理距离作为计算优先级的指标筛选最佳节点。如果没有这样的节点，将携带转发寻找更好的机会。它的核心是寻找一个候选转发节点集，再选择优先级高的节点转发。车载自组织网络中典型的地理机会路由有GPSR、GPCR、MORCD、TO-GO、GeOpps、GeoDTN+等。

车载自组织网络中机会路由协议的目的如何获取实时准确的链路状态信息。有助于提高路由协议端到端的可靠性和及时性。而车载自组织网络中现有路由方法链路感知方案多由源节点或路口节点发出，不仅被动且浪费有限资源，且导航系统或路边设施的历史统计数据不能反映实时链路状态，造成较大时延和开销。

发明内容

本发明提出一种车载自组织网络中基于主动链路状态感知的机会路由方法(即机会路由协议DARP(Disconnection Alerts Routing Protocol)，用于解决提高端到端通信的可靠性，减少机会路由获取链路状态信息的时延和开销。

所述方法主要包括以下步骤：

步骤1：确定路段中的节点的四种状态；

步骤2：DA(Disconnection Alerts断开警告)机制主动感知链路断开，发送BAP(Border node Alerts Packet边界节点警告包)报文；

步骤3：路口IN更新链路状态，广播IN_BAP(Intersection Node_BAP路口节点BAP)；

步骤4：重连概率(RP，Re-connection Probability，)值的计算；

步骤5：选择最大路段上的节点执行贪婪转发。

以下是对每一个步骤的详细说明：

步骤1：车载自组织网络中所有车辆都装备了GPS及当前区域的电子地图，车载自组织网络中节点通过周期性的HELLO报文交互建立邻居列表，获取一跳范围内邻居的地理位置，根据自己和邻居的位置关系，判定自身的节点类型：路口节点(Intersection Node，IN)、前后都有邻居的队列节点(Party Node，PN)、只有一边有邻居的边界节点(BorderNode，BN)、前后都没有邻居的孤立节点(Isolated Node，SN)。

步骤2：DA机制检测到节点的状态置为边界节点BN时，即刻生成一个警告当前路段断开的BAP报文发送给路口IN，当IN节点接收到一个BAP报文时，立即更新本地路口与相邻路口的连接状态C_ij，取值范围0-1，然后丢弃该BAP。IN按HELLO消息周期性检查本地链路状态表，如果在一个周期的时间内没有收到BAP报文，则默认该条链路是完全连接的C_ij[0]＝1。另外，若路口节点IN周期性检测自己的邻居列表在I_a方向没有邻居节点时，更新ab链路为非连接状态C_ij[0]＝0。

步骤3：路口节点更新路段链路状态：S_ij＝[C_ij,RP_ij]，生成新的IN_BAP报文，以广播的方式向当前路口的所有节点更新已断开路段的信息，当路口节点接收到IN_BAP报文时，则比对链路状态列表中路段I_iI_j的状态更新时间与IN_BAP报文中该路段的链路状态更新时间的值，保留最新的C_ij和RP_ij。

步骤4：通过最近m个HELLO周期的链路状态统计，计算该链路的重连概率：

步骤5：选择候选转发节点集中邻居节点所在路段中的RP_ij最大的节点作为新的候选转发节点。城市车载场景中，路段无线链路时常断裂。如果路口知道哪条分支链路断开，但却无法判断哪条分支具有更小的传输时延和更高的传输可靠性，此时，以重连概率RP作为路由指标，在路口选择重新连接概率大的路段具有更高的优先级，可增强链路稳定性、可靠性和及时性。

由以上方法步骤可见，本发明是针对车载自组织网络高动态拓扑中无线网络间歇性中断、通信困难的场景：(1)提出了路段链路断开处主动向路口发起预警的DA机制以及链路状态更新的方法；(2)路口通过最近m个Hello消息周期的链路状态统计，计算路段无线链路随后重新连接概率的RP值；(3)改进GPSR路由协议，加入携带-转发机制，在路口通过主动链路状态感知机制得到具有最大重连概率的路段，使用改进的贪婪算法辅助路由进行转发决策。因此，本发明提高了数据投递率，减小了时延和开销，增强了城市路口数据包转发的稳定性、及时性和可靠性。

本发明采用的链路状态更新方案是车辆信息交互的实时感知方案，而非导航系统离线统计或路旁基站的监测的历史交通数据。利用主动感知链路状态信息设计高效的度量指标执行机会转发，目的是让网络资源消耗和带宽及开销最低化，同时，具有高投递率和更低时延。本发明解决了利用历史数据的数据更新实现简单但数据容易过期、准确性较差的问题，同时也解决了由路口或者源节点发送探测包带来的网络开销过大问题，相对来说，此路由实现复杂度较大，但及时性、稳定性、可靠性更强，更适合在高动态拓扑的车联网中使用。

附图说明

图1为获取邻居信息的周期性HELLO消息报文格式；

图2为路段节点的四种状态；

图3为链路断裂时发送的预警报文BAP的格式；

图4为路口发送的IN_BAP报文格式；

图5为城市道路拓扑图；

图6为DARP路由方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本文的实施方式进行详细说明。

本发明是一种机会路由中的链路断裂主动感知预警机制，并提出一种路段链路重连概率的计算方法，包括：

步骤一：节点在开机或重启后，通过GPS系统获取自身的位置信息，在整个路由方法流程中周期性地向邻居广播HELLO包告知自己的位置，并通过接收邻居节点的HELLO包更新邻居信息。通过邻居节点信息，根据自己的位置和邻居节点的关系，判定自己的节点类型。HELLO包有固定的格式，如图1所示：

(1)type和hops字段占1个字节，其他字段占4个字节；

(2)type字段区分不同的分组类型；

(3)ID字段表示节点id号；

(4)X、Y、Z分别表示当前节点在电子地图上的位置；

(5)time字段表示Hello报文的更新时间。

步骤二：车载自组织网络中移动节点根据GPS和电子地图确定在道路拓扑中的节点状态，如图2所示：

(1)节点a将自己的位置映射到电子地图上，确认自己的当前位置在路口I_a,则节点a将自己的状态置为路口节点(Intersection Node，IN)；

(2)节点b在路段的前后两个方向都存在邻居节点，所以将其状态设置为队列节点(Party Node，PN)。

(3)节点c只在路口I_a方向有邻居节点，则其为路口I_a在路段I_aI_b上的边界节点，状态置为边界节点(Border Node，BN)；

(4)节点d在路段中，邻居节点为0，所以其状态为孤立节点(Isolated Node，SN)。

步骤三：边界节点(BN)在路口I_b方向上的邻居节点数量为0，判断该方向上的链路断开,向相对路由I_a发送链路断开的警告数据包BAP，BAP数据包格式如图2所示：

(1)hops表示分组传递的跳数；

(2)X、Y、Z分别表示当前节点在电子地图上的位置；

(3)time字段表示BAP报文的更新时间。

步骤四：路口节点IN接受BAP报文或IN_BAP报文维护储存了当前路口分别与临近路口的链路状态的列表，更新当前路口i与相邻路口j之间链路状态S_ij＝[C_ij,RP_ij]，其中C_ij表示路段是否连接，取值为1或者0。若C_ij＝1，则表明当前路段是连接的，C_ij＝0表明当前路段为非连接的。

具体过程：IN节点接收到一个BAP报文时，则更新本地路口与相邻路口的链路状态S_ij，然后丢弃该BAP报文，并根据更新的链路状态生成新的IN_BAP报文，IN_BAP报文以广播的方式，向当前路口的所有节点更新已断开路段的信息。IN_BAP报文格式如图4所示：

(1)T字段表示IN_BAP报文更新时间；

(2)S₁(IN₁,C₁,RP₁,t₁)表示序号为1的路口的链路状态，其中，IN₁为相邻交叉路口的id，C₁和RP₁表示T时刻当前路口与路口IN₁之间的链路状态，t₁表示该条链路状态更新的时间；

(3)如果有多个相邻路口，则在后面添加上述4个字段表示该路段的属性。

IN按HELLO周期检查本地链路状态表，如果在一个周期的时间内没有收到BAP报文，则默认该条链路为完全连接的。图2的路口节点e,当它周期检测自己的邻居列表，发现在I_a方向没有邻居节点时，更新ab链路状态为非连接，同时更新该链路的重连概率RP。

由于BAP和IN_BAP报文发出的频率与链路断开的频率成正相关，这种链路状态主动感知机制能获取无线链路最新的连接状态，从而做出最优的路由判决，增加了GPSR等协议选择链路状态最好的路段的机会，同时也大大减少了由于选择错误路段而导致的网络开销过大，以及重新选路导致的数据分组传递时延增加等问题。

步骤五：RP更新算法

由蚁群算法中的信息素浓度更新机制理论可知，随着当前时刻t₀与链路状态更新时刻t_k的差t₀-t_k越大，t_k时刻的连接状态对整体路段RP权重越低。

以下是当路口节点通过BAP分组更新RP_ij的情况：

假设在t₀时刻，位于路口I_i的节点IN_i收到路口I_j方向上的BAP分组，那么路段I_iI_j在t₀时刻的连接状态为：

C_ij[0]＝0，

否则

C_ij[0]＝1。

假设HELLO消息包发送的周期为Δt，一段时间即可得到一个最近Δt*m时间段的连接状态C_ij的数组C_ij[m]的记录。然后更新数组C_ij[m]各个字段的值，使其仍然表示最近m次路段I_iI_j的连接状态。m表示缓存中记录了最近m次路段连接度信息。

则当前时刻，路段I_iI_j之间的重连概率RP_ij为：

其中C_ij[k]表示Δt*k时刻前更新的连接状态C_ij；表示Δt*k时刻前更新的C_ij在对于当前时刻RP_ij的权重。如果最近Δt*m时间内路段I_iI_j的总是保持连接的，则数组C_ij[m]的元素都为1，此时，RP_ij＝1。

在链路列表更新后，如果检测到本地路口对所有邻近路口的C_ij和RP_ij都为1，则不广播IN_BAP分组。当检测到链路状态或者重连概率不为1时，则生成IN_BAP分组。当路口节点接收到IN_BAP报文时，则比对链路状态列表中路段I_iI_j的状态更新时间与IN_BAP报文中该路段的链路状态更新时间的值，保留最新的C_ij和RP_ij。

为防止广播风暴的发生，节点通过定时器和一个表明当前时刻该路口是否已经广播IN_BAP分组的标记字段，将每个路口在一个Hello周期IN节点接收到BAP分组后将强制启动IN_BAP分组的广播，并且将IN_BAP广播次数限制为1。即当且仅当有节点接收到BAP分组或者限制广播的定时器置为0时，节点才广播链路状态。而当节点接收到IN_BAP分组时，将重新更新定时器重置为Δt。

步骤六：路由方法流程

(1)将要发送数据的节点按步骤二所述方法更新节点状态，决定数据报文的传输方式，即IN按路口模式转发分组，BN、PN和SN按直路模式工作。

(2)直路模式:节点采用贪婪算法传递给距离目的最近的节点，当链路中断时，由于道路的宽度有限，不存在边界转发的空间，采用存储转发模式继续传输数据报文直至遇到下一个贪婪节点。

(3)路口模式：

i.IN遍历邻居列表，首先通过贪婪算法得到一个距离目的地比IN更近的候选转发节点集A；

ii.如果转发节点集A、B之间为空，则分组继续存储在当前节点的缓存中，否则进入步骤iii.

iii.遍历步骤i得到的链路状态表，然后比对这些候选节点所在路段的链路状态(C_ij,RP_ij)，将位于C_ij[0]＝0的路段上的节点从步骤i的转发节点集A去除；

iv.如果步骤iii的候选转发节点集A不为空，则按贪婪算法选择其中距离目的地最近的节点执行转发，否则，进入步骤v；

v.比较步骤i得到的候选转发节点集A中邻居节点所在路段的RP_ij，并选择RP_ij最大的路段上的节点作为新的候选转发节点集C。

vi.在步骤v得到的新候选转发节点集C按贪婪算法选择距离目的地最近的节点执行转发。

(4)数据包在道路拓扑上根据携带数据的节点位置使用对应的模式，直到传输目的节点或者因到期而丢弃。

Claims (6)

1.一种车载自组织网络中主动链路状态感知的机会路由方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：确定路段中的节点的四种状态；

步骤2：断开警告DA机制主动感知链路断开，发送边界节点警告包BAP报文；

步骤3：路口IN更新链路状态，广播IN_BAP，所述IN_BAP为路口节点的BAP；

步骤4：重连概率(RP)值的计算；

步骤5：选择候选转发节点集中邻居节点所在路段中的RP_ij最大的节点作为新的候选转发节点，执行贪婪转发；

所述节点的四种状态：路口节点(IN)、前后都有邻居的队列节点(PN)、只有一边有邻居的边界节点(BN)、前后都没有邻居的孤立节点(SN)；

所述重连概率值的计算：RP_ij值统计了最近m个Hello周期的链路状态，且在当前时刻，路段I_iI_j的重连概率为：其中，Δt为HELLO消息包发送的周期；C_ij为t_k时刻路段I_iI_j的连接性，是一个一维数组；数组C_ij[m]各个字段的值，表示最近m次路段I_iI_j的连接状态；m表示缓存中记录了最近m次路段连接程度信息；C_ij[k]表示Δt*k时刻前更新的连接状态C_ij；表示Δt*k时刻前更新的C_ij在对当前时刻重连概率RP_ij的权重；如果最近Δt*m时间内路段I_iI_j的总是保持连接的，则数组C_ij[m]的元素都为1，同时，RP_ij＝1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1，车载自组织网络中节点通过周期性的HELLO报文交互建立邻居列表，根据自己和邻居的位置关系，判定自身的节点状态。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2，节点判定自身状态为边界节点BN后，开始主动链路状态更新：BN主动触发此路段断开的BAP报文，通知路口节点IN链路断开；如果传递BAP报文的节点在目的路口方向上没有下一跳，则丢弃该BAP报文，由于这目的路口方向存在另外的距离路口更近的BN已经生产了新的到该路口方向的BAP报文；当IN节点接收到一个BAP报文时，则更新本地路口与相邻路口的连接状态C_ij，取值为0或1，然后丢弃该BAP报文。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3，本地路口节点IN通过接受BAP报文或IN_BAP报文，更新本地路口节点IN到相邻IN的链路状态S_ij；假设当前路口与相邻路口之间链路状态为S_ij＝[C_ij,RP_ij]，其中：C_ij表示路段I_iI_j是否连接，其中C_ij＝1表示当前路段处于连接状态，C_ij＝0表示非连接；根据更新的链路状态S_ij＝[C_ij,RP_ij]生成新的IN_BAP报文，向当前路口的所有节点广播已断开路段的信息。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4，路口I_a根据最近m个Hello消息周期内链路状态统计得到的、路段反映了链路稳定性的重连概率RP_ij值，取值范围为[0-1]；当RP_ij∈(0,1)时，RP_ij表示路段在下一个Hello报文间隔时重新连接的概率。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5，路口节点IN具有最高的优先级，若邻居列表中存在IN，首先发送给IN，节点发送一个数据包，通过以下步骤进行：

(1)将要发送数据的节点按步骤1所述方法更新节点状态，决定数据报文的传输方式，即IN按路口模式转发分组，BN、PN和SN按直路模式工作；

(2)直路模式:节点采用贪婪算法传递给距离目的最近的节点，当链路中断时，由于道路的宽度有限，不存在边界转发的空间，采用存储转发模式继续传输数据报文直至遇到下一个贪婪节点；

(3)路口模式：

i.IN遍历邻居列表，首先通过贪婪算法得到一个距离目的地比IN更近的候选转发节点集；

ii.如果转发节点集为空，则分组继续存储在当前节点的缓存中，否则进入步骤iii.

iii.遍历步骤i得到的链路状态表，然后比对这些候选节点所在路段的链路状态(C_ij,RP_ij)，将位于C_ij[0]＝0的路段上的节点从步骤i的转发节点集中去除；

iv.如果步骤iii的候选转发节点集不为空，则按贪婪算法选择其中距离目的地最近的节点执行转发，否则，进入步骤v；

v.比较步骤i得到的候选转发节点集中邻居节点所在路段的RP_ij，并选择RP_ij最大的路段上的节点作为新的候选转发节点集；

vi.在步骤v得到的新候选转发节点集中按贪婪算法选择距离目的地最近的节点执行转发；

(4)数据包在道路拓扑上根据携带数据的节点位置使用对应的模式，直到传输至目的或者因到期而丢弃。