CN105263121B - 一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法 - Google Patents

一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法。针对城市环境中，车载网络节点的高速移动，拓扑结构频繁变化，针对已有路由算法存在的诸多局限性及没有考虑网络中节点的均匀分布，对历史信息的考虑以及对网络全局信息的考虑而造成所选路由并非最佳路由的问题，本发明提出一种基于十字路口的路由算法，当源节点有数据发送请求且没有到达目的节点的路由时，先寻找并建立从源节点到达目的节点的多条路由，然后分别考虑了影响路段和十字路口性能的因素，综合考虑路段和十字路口的性能，分析每条路由的性能，在考虑全局信息的情况下，从多条路由中，选择最佳路由进行数据传输，因此可以有效地提高网络的交付率、降低平均传输时延。

Description

一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法
技术领域
本发明涉及机会车载网络中的路由方法，特别涉及路由发现机制、路段选择机制、十字路口选择机制、考虑全局信息的设计。
背景技术
机会网络(opportunistic networks)是一种不需要源节点和目的节点之间存在完整路径，利用移动节点的相遇机会实现通信的自组织网络，被广泛应用于车载通信，这种依赖于相遇机会进行通信的车载自组织网络称为机会车载网络。车载网络(VANETs，Vehicular Ad Hoc Network)VANET是移动自组织网络在交通领域的新应用。一般的MANET是不依靠固定的基础设施来实现移动节点的通信，但是VANET是由装载有无线通信设备的车辆和路边基础设施组成的，VANET的通信由两部分组成：车与车通信(vehicle tovehicle)和车与路边基础设施间通信(vehicle to infrastructure)的一个全方位的无线通信网络。
路由是车载网络中实现可靠多跳传输的一个关键机制，一般的用户应用需要单播路由协议，主要分为两类：基于拓扑的路由算法和基于地理位置的路由算法。基于拓扑结构的路由算法是依靠节点之间的链路信息进行通信的，主要可以分为两类：先应式路由和反应式路由。但是，由于城市环境中，车辆节点移动速度快，拓扑结构变化频繁，使得基于拓扑结构的路由算法不再适合于VANET。目前研究最多的是基于地理位置的路由算法。
基于地理位置的路由算法是利用网络中节点的邻居节点的位置进行分组转发，目前研究最多的是其中的锚路由算法，锚路由的机制是：节点在发送数据前要先寻找建立数据传输要经过的所有十字路口，即锚节点序列，然后再根据十字路序列传输数据，在两个相邻路口之间采用贪婪转发策略。如GyTAR(参见文献：JERBI M,MERAIHI R,SENOUCI S M,etal.Gytar:Improved greedy traffic aware routing protocol forvehicular ad hocnetworks in city environments[C].In Proc 3rd ACM Int Workshop VANET,2006:88–89.)其主要思想是选择锚节点序列时考虑实 时交通流密度和锚节点到目的地的距离，并且根据实时路况动态选取。
然而，目前已有的基于地理位置的锚路由算法还有很多不足：有些路由中并没有考虑到车辆节点密度，这样可能会使数据传输到节点密度比较稀疏的路段上，导致数据传输时延的增加，投递率的降低。
同时，在考虑了车辆节点密度的路由中，都优先选择节点密度高的路段，但是由于交通灯等因素的影响，可能会使车辆在路段的两端形成簇，这样，中间容易形成不连通的网络空洞，阻碍了无线传输，这是因为在考虑车辆密度的同时并没有考虑到路段上的节点是否是均匀分布的。另外，在选择路段时，只是考虑了路段的当前情况，由于VANET的拓扑变化频繁，这使得对路段的估计不够准确，最后，在选择十字路口时只是考虑了当前十字路口附近的局部信息，而没有考虑到网路的全局信息，这样可能会使得所选路由并非最佳路由。
本发明所要解决的问题是：路由是车载网中实现多跳传输的一个重要机制，但是现有的路由算法存在很多局限性，在建立从源节点到达目的节点之间的路由时，并没有很好的利用路段上车辆节点的密度信息，也没有准确地估计路段的情况，同时，在选择十字路口序列时，没有考虑到网络的全局信息，导致所选路由并不是最佳的路由。
发明内容
针对以上现有技术的不足，提出了一种增加所选路由的稳定性和可靠性、有效地降低数据传输的平均时延、提高数据的成功投递率的机会车载网络中基于十字路口的路由方法。本发明的技术方案如下：一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法，其包括以下步骤：
101、机会车载网络中，源节点通过广播寻找到目的节点的所有路由路径；
102、对步骤101中寻找到的源节点到目的节点的所有路由路径采用分数评估法来进行评估得出每个路段和十字路口的分数；
103、在考虑网络的全局信息的情况下，根据步骤102得出的每个路段和十字路口的分数计算出每条路由的分数，从中选择一条分数最大的路由作为最佳 路由，进行数据传输。
进一步的，步骤101中源节点通过广播寻找到目的节点的所有路由路径的步骤包括；
A1、当源节点有数据要发送并且没有达到目的节点的路由时，源节点就开始寻找并建立到达目的节点的多条路由；首先源节点会产生RCP消息并在网络中广播以寻找目的节点的当前位置，中继节点在接收到RCP消息后，会检查是否收到了同一个RCP，如果是，则丢弃，否则继续广播，直到到达目的节点为止；在广播RCP的过程中，RCP会记录下它所经过的所有路段和十字路口的ID；
A2、最终目的节点收到多个RCP，每个RCP中都记录着一系列不同的十字路口ID，每个包中的这些十字路口代表一条路由。这样就建立起了从源节点到达目的节点的多条路由。
进一步的，所述每个RCP还设有一个TTL，如果当RCP过期时，还没有传到目的节点，则丢弃此RCP。
进一步的，步骤102中采用分数评估法来进行评估得出每个路段和十字路口的分数具体为；在目的节点收到RCP后产生一个RREP，并将RCP中存有的十字路口列表复制到RREP中，当RREP沿此列表传到源节点时，分别对路段和十字路口性能进行评分，对路段进行评分具体包括对路段上车载密度的评分、路段上传输数据的时延的评分、经过此路段所经历的跳数的评分；对十字路口性能的评分包括根据十字路口与目的节点之间距离对每个十字路口进行评分的步骤。
进一步的，所述路段进行评分具体包括对路段上车载密度的评分、路段上传输数据的时延的评分、经过此路段所经历的跳数的评分具体为：给每个路段设置一个分数qij
qij＝α1f(Navg)+α2g(tavg)+α3z(h)
其中α1,α2,α3分别为路段上车载密度，无线传输的时延和无线传输跳数的权重，f(Navg)表示路段上车载密度的评分，g(tavg)表示路段上传输数据的时延的评分，z(h)表示经过此路段所经历的跳数的评分。
进一步的，还包括通过历史信息估计当前路段分数的公式为：
其中Qij,n为位于十字路口i的车辆接收n条路段Rij的分数记录后，对当前路段分数的估计。
进一步的，所述对每个十字路口进行评分的步骤具体为
给每个十字路口都设置一个分数：S(I)＝αf(Li)+β(Qik)
其中ωi＝Li/LSD，f(Li)＝1-ωi表示十字路口i距离目的节点位置的相近程度，α表示十字路口对路由性能影响的加权系数,β表示路段对路由性能影响的加权系数(α+β＝1),Li表示当前路口i到达十字路口的距离,Qik表示第L条路由的分数，LSD表示源节点到目的节点的距离。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明通过寻找建立从源节点到达目的节点之间的多条路由，分别分析每条路由中各个路段和十字路口的影响因素，以这些因素作为自变量，给路段和十字路口设置一个分数，以此作为衡量路段和十字路口性能的标准，在考虑全局信息的情况下，计算每条路由的平均分数，并选择分数最高的路由为最佳路由。从而有效地提高消息交付率的同时减少消息交付时延。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例中路由算法构成示意图；
图2为本发明中发现多条路由的流程图；
图3为本发明中分析路由性能流程图；
图4为本发明中选择最佳路由的流程图；
图5是候选中继节点消息转发流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明：
1.如图1所示为机会车载网络中基于十字路口的路由算法构成示意图。包括以下3个主要步骤：寻找并建立多条路由，分析每条路由的性能，考虑全局信息并选择最佳路由。
2.图2为寻找、建立多条路由的流程图。具体过程为：当源节点有数据要发送并且没有达到目的节点的路由时，源节点就开始寻找并建立到达目的节点的多条路由。
首先，源节点会产生RCP消息并在网络中广播，目的是为了寻找目的节点的当前位置。中继节点在接收到RCP消息后，会检查是否收到了同一个RCP，如果是，则丢弃，否则继续广播，直到到达目的节点为止。在广播RCP的过程中，RCP会记录下它所经过的所有路段和十字路口的ID。另外，为了防止RCP在网络中无线传播，对每个RCP设有一个TTL，如果当RCP过期时，还没有传到目的节点，则丢弃此RCP。
最终目的节点收到多个RCP，每个RCP中都记录着一系列不同的十字路口ID，每个包中的这些十字路口代表一条路由。这样就建立起了从源节点到达目的节点的多条路由。
3.如图3所示为本发明中分析每条路由性能的流程图。每条路由都是有很多路段和十字路口组成的，所以对路由性能的分析可以分别通过对路段和十字路口性能进行分析。这个过程是在目的节点收到RCP后产生一个RREP，并将RCP中存有的十字路口列表复制到RREP中，当RREP沿此列表传到源节点时进行的。
1)分析路段性能：影响路段性能的因素有：路段上车载密度、路段上传输数据的时延、经过此路段所经历的跳数。
(1)车载密度的影响：为了更好的估计每个路段上车载密度对路由性能的影响，每个路段都被平均分成多个长度为R/2(R代表无线传输的距离)的槽， 槽的数量为：
然后通过计算各个槽中车载数量的标准差，衡量车载在此路段上是否是均匀分布的。当RREP经过路段Rij时就要记录每个槽中车载的数量还有经过此路段时的跳数。当经过一个路段到达一个十字路口时，位于十字路口附近的车辆要根据RREP中记录的数据，计算以下几个量：
则每个槽中车载数量的标准差为：
为了衡量车载密度对路段性能的影响，定义了函数f(Navg)
(2)估计路段的传输时延：当RREP到达路口Ii时就表明进入了路段Rij，记录此时的时间stime，当它到达路口Ij时，就表明数据包要离开路段Rij，记录当前的时间etime，则此路段的平均时延为:
为了更好的估计时延对此路段性能的影响，定义了函数g(tavg)
其中T代表一个槽内进行无线传输时的最短时间，无线传输的最大距离为R，则则T＝R/2C，C表示无线传输的速度。
(3)衡量无线传输跳数：为了估计路段上无线传输的跳数，定义了函数z(h)
其中h代表路段中无线传输的实际的跳数，hmin代表此路段上无线传输的最小跳数。并且hmin＝l/R。
综合考虑以上各个因素的影响，给每个路段设置一个分数qij
qij＝α1f(Navg)+α2g(tavg)+α3z(h)
其中α1,α2,α3分别为路段上车载密度，无线传输的时延和无线传输跳数的权重。
为了使得所估计的路段分数更加准确，可以通过历史信息估计当前路段分数
其中Qij,n为位于十字路口i的车辆接收n条路段Rij的分数记录后，对当前路段分数的估计。
2)十字路口性能的分析。衡量十字路口的标准主要是看十字路口相对于目的节点的距离，为了衡量十字路口的性能给每个十字路口都设置一个分数：
S(I)＝αf(Li)+β(Qik)
其中ωi＝Li/LSD，f(Li)＝1-ωi表示十字路口I距离目的节点位置的相近程度。4.如图4所示为考虑全局信息，选择最佳路由的流程图。在城市环境中拓扑结构变化频繁，所以如果只考虑局部的信息动态地选择下一个十字路口，可能会导致所选路由并非最佳路由。
在目的节点D发出RREP时，RREP沿着RCP中的路由传到源节点，在传输的过程中，依次计算出它所经过的各个路口，路段的分数并保存在RREP中，直到到达源节点S时，S根据RREP中记录的数据计算每条路由的平均分数，设第L条路由的分数为
其中Nl表示第L条路由中十字路口的个数，S(k)表示的是在这个十字路 口中得到的分数。
通过分别分析影响路段性能和十字路口性能的因素，给每个路段和十字路口设置了一个分数，然后综合考虑网络的全局信息，结合各个路段和十字路口的分数，给每条路由设置了一个分数，以分数的大小来衡量路由的性能，从中选择分数最大的路由为最佳路由。以此提高路由的性能，提高消息交付率、减少消息交付时延。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法，其特征在于：包括以下步骤：
101、机会车载网络中，源节点通过广播寻找到目的节点的所有路由路径；
102、对步骤101中寻找到的源节点到目的节点的所有路由路径采用分数评估法来进行评估得出每个路段和十字路口的分数；步骤102中采用分数评估法来进行评估得出每个路段和十字路口的分数具体为；在目的节点收到RCP远程设备控制协议后产生一个RREP路由回复包，并将RCP远程设备控制协议中存有的十字路口列表复制到RREP中，当RREP沿此列表传到源节点时，分别对路段和十字路口性能进行评分，对路段进行评分具体包括对路段上车载密度的评分、路段上传输数据的时延的评分、经过此路段所经历的跳数的评分；对十字路口性能的评分包括根据十字路口与目的节点之间距离对每个十字路口进行评分的步骤；
103、在考虑网络的全局信息的情况下，根据步骤102得出的每个路段和十字路口的分数计算出每条路由的分数，从中选择一条分数最大的路由作为最佳路由，进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法，其特征在于：步骤101中源节点通过广播寻找到目的节点的所有路由路径的步骤包括；
A1、当源节点有数据要发送并且没有达到目的节点的路由时，源节点就开始寻找并建立到达目的节点的多条路由；首先源节点会产生RCP远程设备控制协议路由建立包消息并在网络中广播以寻找目的节点的当前位置，中继节点在接收到RCP远程设备控制协议消息后，会检查是否收到了同一个RCP远程设备控制协议，如果是，则丢弃，否则继续广播，直到到达目的节点为止；在广播RCP远程设备控制协议的过程中，RCP远程设备控制协议会记录下它所经过的所有路段和十字路口的ID；
A2、最终目的节点收到多个RCP远程设备控制协议，每个RCP远程设备控制协议中都记录着一系列不同的十字路口ID，每个包中的这些十字路口代表一条路由， 这样就建立起了从源节点到达目的节点的多条路由。
3.根据权利要求2所述的一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法，其特征在于：所述每个RCP远程设备控制协议还设有一个TTL有效期，如果当RCP远程设备控制协议过期时，还没有传到目的节点，则丢弃此RCP远程设备控制协议。
4.根据权利要求1所述的一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法，其特征在于：所述路段进行评分具体包括对路段上车载密度的评分、路段上传输数据的时延的评分、经过此路段所经历的跳数的评分具体为：给每个路段设置一个分数qij
qij＝α1f(Navg)+α2g(tavg)+α3z(h)
其中α1,α2,α3分别为路段上车载密度，无线传输的时延和无线传输跳数的权重，f(Navg)表示路段上车载密度的评分，g(tavg)表示路段上传输数据的时延的评分，z(h)表示经过此路段所经历的跳数的评分。
5.根据权利要求4所述的一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法，其特征在于：还包括通过历史信息估计当前路段分数的公式为：
其中Qij,n为位于十字路口i的车辆接收n条路段Rij的分数记录后，对当前路段分数的估计。
6.根据权利要求1所述的一种机会车载网络中基于十字路口的路由方法，其特征在于：所述对每个十字路口进行评分的步骤具体为
给每个十字路口都设置一个分数：S(I)＝αf(Li)+β(Qik),其中ωi＝Li/LSD，f(Li)＝1-ωi表示十字路口i距离目的节点位置的相近程度，α表示十字路口对路由性能影响的加权系数,β表示路段对路由性能影响的加权系数(α+β＝1),Li表示当前路口i到达十字路口的距离,Qik表示第L条路由的分数，LSD表示源节点到目的节点的距离。
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