CN105391631A - 一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于车载Ad？Hoc网络的增强的稳定路由协议。源节点找到目的节点且获得多条到达目的节点的有效路由后，在路由选择阶段，引入最长路由有效时间机制，选择一条路由有效时间最大、更加稳定的路由进行数据传输。在路由维护阶段，如果主路由失效，源节点直接利用多径备份路由进行路由修复，提高了路由修复的效率。采用本发明的技术方案能够提升数据分组的投递率、减少平均端到端时延、降低路由开销，提高了车载Ad？Hoc网络的性能。

Description

一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议

技术领域

本发明属于车载自组网技术领域，具体涉及一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议(ESRP,EnhancedStabilityRoutingProtocolforVANET)。

背景技术

车载AdHoc网络(VANET,VehicularAdHocNetworks)是自组织网络的一个新的研究和应用领域。VANET的基本思想是：一定范围内的车辆可以交换车速、位置、传感器感知的数据等信息，自动建立一个移动AdHoc网络。

一般来说，VANET支持两类通信模式：车-车(Vehicle-To-Vehicle,V2V)通信以及车-基础设施(Vehicle-To-Infrastructure,V2I)通信，从而可以实现车辆间、车与路边基础设施之间的多跳无线通信，这些通信方式为VANET实现多种新的服务和应用提供了可能。VANET的应用主要分为两大类：第一类是旨在提高道路交通的安全水平，即安全应用。在这种情况下，VANET可以被看作是当前智能交通系统的拓展，用以提高交通安全覆盖面和性能。第二类应用是被预测在不久的未来将得到快速发展的商业应用，这一类型的应用能够提供商业化的服务，比如道路上车辆的网络接入和音乐下载等娱乐服务。

此外，目前大部分车辆都配备全球定位系统(GlobalPositionSystem,GPS)，可以提供较为精确的位置定位服务，但是车载自组织网络仍然存在很多挑战，如在多径拓扑中存在交通流不平衡、网络利用率低、理论技术在实际场景中实现困难等，而且加上VANET网络受道路中交通灯、障碍物、周围建筑物等因素的影响，网络连通状态非常不稳定。当车辆节点发起建立通信链路要求时，如果在一定时间内无法获取到达目标车辆节点的有效通信路由，就会使整个网络处于非连通状态。同时VANET中的车辆节点一般都处于高速行驶状态中，网络拓扑结构剧烈变化，时刻可能出现正在进行数据传输的链路突然中断，导致路由协议的性能严重受损。AODV协议(AdHocOn-DemandDistanceVectorRouting)是AdHoc网络中按需生成路由方式的典型协议，具有路由控制开销小、网络自适应性强等特点。这在一定程度上符合VANET节点移动性高、拓扑变化快的特性，但要将其应用于VANET中以达到通信的要求，仍需对其进行改进。

VSRP(StableRoutingProtocolforVANET)协议是一种在AODV协议基础上改进的适用于车载AdHoc网络的可靠路由协议。在路由发现阶段，通过扩展RREQ报文格式，引入优先节点判断机制；在路由维护阶段，如果主路由失效，源节点可以不必发起路由请求，而是直接利用备份路由进行路由修复。这在一定程度上限制了RREQ报文的转发数目，防止了网络中RREQ报文的泛洪广播，提高了路由修复的效率，改善了网络性能。但VSRP协议在路由选择阶段仍按照AODV协议的选择方式，当有多条到达目的节点的路由时，收到请求的节点将选择序列号最大的那一条路由，而按照这种方式选择的路由并不一定是最优的。而且路由备份机制中的节点必须不断监听位于主路由上相邻节点发送的RREP报文，因此需要较多的控制报文来进行路由侦听，增加了路由开销。

对于一个新协议的现场试验通常需要大量的车辆和人员，代价昂贵且过程复杂，因此利用相关仿真工具对VANET路由协议进行研究就成为了一种有效的技术手段。NS2(NetworkSimulator,version2)是一种针对网络研究的源代码公开的、免费的软件模拟平台。它本质上是一种离散事件仿真器，支持有线和无线网络中的TCP、路由和多播协议的仿真。NS2采用C++和OTcl双重语言结构，其中C++主要用于建模网络仿真行为，而Tcl/OTcl脚本主要用于控制和模拟有线和无线网络。VANET的路由协议的性能评估还需要借助于VANET仿真模型。建立一个符合现实情况的VANET仿真模型，对VANET及其路由协议的研究具有重要意义。VanetMobiSim2.0(VehicularAdHocNetworksMobilitySimulator，version2.0)是基于CanuMobiSim架构的车载自组织网移动仿真器，它结合开源地理数据库OpenStreetMap能够获取世界各地的真实街道拓扑图，车辆节点则可行驶在真实的道路上。此外，通过添加多种仿真模块，用户可以自定义车辆数、车辆节点移动模型、每辆车的车身长、加速度、最大速度等参数。为提高仿真环境与城市交通场景的吻合度，本专利引入一种在真实城市道路拓扑下带换道和超车功能的节点移动模型——IDM_LC模型。

因此，结合VANET的特点，如何设计一种不仅适用于VANET而且能提高网络性能的路由协议成为一项十分具有理论和现实意义的工作。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提升路由协议的可靠与稳定性、提高车载通信系统的质量，提供一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议，源节点需要向目的节点发送数据分组时，如果不存在可用路由，则发起路由发现过程，源节点与中间节点执行VSRP协议中的优先节点机制，筛选出一部分性能较好的优先节点，源节点获得到达目的节点的多条路由。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。

一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议，当源节点找到目的节点且获得多条到达目的节点的有效路由后，目的节点会调用GPS模块获取自身位置和速度信息填入RREP新增数据中，并沿着反向路径向源节点发送；每一个收到RREP消息的节点计算链路有效时间LET(LinkExpirationTime)，对新计算的LET与已存储的LET进行比较，在RREP中更新为较小的LET，同时添加当前节点的位置和速度信息继续转发到下一节点；当RREP消息到达源节点时，源节点能获得该路由的路由有效时间RET(RoutingExpirationTime)；由此源节点获得多条路由的RET，选择RET最大的路由进行数据传输，其他路由缓存在源节点中作为备份路由向目的节点发送数据分组。

进一步地，源节点在找到目的节点，目的节点首先填写VSRP协议中的RREP报文各数据域，然后调用GPS模块获取自身的横坐标、纵坐标、运动方向的水平分速度、运动方向的竖直分速度信息，填入新增数据域中，目的节点构造完RREP消息后，将此消息沿着反向路径发送至源节点。

进一步地，反向路径上的每一个节点在收到上一节点发送的RREP报文时，能够获取其位置和速度信息，同时调用GPS模块获取自身的位置和速度信息，由此计算两节点之间链路的LET，LET＝|R-d|/|v_i-v_j|，R为节点的通信半径，d为两节点间的绝对距离，v为节点的速度。

进一步地，当前节点将计算的LET值与已存储在RREP报文Lifetime字段中的值进行对比，若计算的LET值较小，则更新Lifetime字段，否则不更新；当前节点添加自身的位置和速度信息到RREP报文中，继续转发到下一节点。

进一步地，源节点收到RREP消息后，则能获取该条路由的RET，RET满足RET＝Min{LET₁,LET₂,...LET_k},1≤k≤K，K表示反向路径上的链路数；由此方式源节点获得其他多条路由的RET，从中选择一条最大RET的路由进行数据传输。

进一步地，正常情况下，如果主路由没有断链，数据分组只在主路由上传输，当主路由上的某个节点发生断链时，中断处上游节点发送RERR报文告知源节点出现链路断裂，源节点启动多径路由备份机制，该机制为：源节点收到RERR报文后查看路由表事先缓存的多条已按RET大小排序的备份路由，同时定向发送一个带有标志位的数据包依次检测备份路由的有效性，而不是立即重新发起新的路由发现过程；当源节点在设定时间内收到从目的节点发送回的应答数据包后即可判断该条备份路由是有效的，从而源节点选择该条备份路由重新传输数据。

进一步地，对路由选择阶段源节点获取的多条路由RET进行排序，构造一个从大到小的RET集。源节点选择具有最大RET的路由为主路由进行数据传输，而其他根据RET值排列的路由则作为备份路由依次存入源节点路由表中。当主路由中某链路发生断裂时，中断处上游节点发送RERR报文告知源节点出现链路断裂，源节点收到该报文后查看路由表事先缓存的多条备份路由，同时定向发送一个带有标志位的数据包依次检测它们的有效性，而不是立即重新发起新的路由发现过程。当源节点在一定时间内收到从目的节点发送回来的应答数据包后即可判断该条备份路由是有效的，从而源节点选择该条备份路由重新传输数据。为了避免存在多条(三条以上)备份路由下源节点不断查询、探测而造成的时延和路由开销增大，源节点查找路由表中前三条备份路由。若前三条备份路由均显示为无效路由时，源节点则重新发起新的路由寻路过程而不再查询剩余的备份路由。

正常情况下，如果主路由没有断链，数据分组只在主路由上传输；主路由上的某个节点发生断链时，源节点则启动多径路由备份机制，重新选择一条路由继续传输数据。

与现有技术相比，本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

(1)在路由选择阶段，通过扩展RREP消息格式，引入最长路由有效时间机制，选择一条更加稳定可靠的路由进行数据传输，减少路由断裂次数，降低路由发现时间，提高分组投递率；

(2)在路由维护阶段，如果主路由失效，源节点直接利用已获得多条备份路由进行路由修复，一方面，减少了数据分组被丢弃的可能性，提高了数据分组的投递率；另一方面，降低了源节点与中间节点的路由控制开销；

(3)采用仿真工具NS2对ESRP协议进行大量的仿真实验，结果表明，ESRP协议在城市场景移动模型下的数据分组投递率、平均端到端时延、归一化路由开销等性能指标都优于VSRP、AODV协议，能够提高车载通信系统的质量。

附图说明

图1是修改后的RREP报文格式；

图2是ESRP协议利用RREP报文计算链路LET示意图；

图3是ESRP协议的路由发现机制流程图；

图4是基于RET的路由竞争策略流程图；

图5是ESRP协议的多径路由备份机制示意图；

图6是ESRP协议的多径路由备份机制流程图；

图7是不同车辆节点下的分组投递率比较曲线；

图8是不同车辆节点下的归一化路由开销比较曲线；

图9是不同车辆节点下的平均端到端时延比较曲线。

图10是不同数据分组发送速率下的分组投递率比较曲线；

图11是不同数据分组发送速率下的平均端到端时延比较曲线；

图12是不同数据分组发送速率下的归一化路由开销比较曲线。

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，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

如图1所示，在目的节点收到RREQ报文后，生成一个RREP报文。扩展RREP消息格式，在原有数据域的基础上增加四个数据域，分别用来存储当前转发RREP消息节点的横坐标、纵坐标、移动方向的水平分速度、移动方向的竖直分速度。目的节点首先会填写AODV协议的RREP报文各数据域，然后调用GPS模块获取自身的位置、速度等信息，填入新增数据域中，目的节点构造完RREP消息后，将其沿着反向路径发送至源节点。

目的节点收到RREQ消息后，开始向源节点发送RREP消息，添加当前位置、速度、方向等移动信息构造新RREP报文。目的节点将新RREP报文中的Lifetime字段置零，并沿着反向路径发送至源节点。反向路径上的每一个中间节点在收到RREP报文后能够获取前一个节点的移动信息，然后调用GPS模块获取自身的移动信息来计算两节点间链路的链路有效时间(LinkExpirationTime,LET)。如果新计算的LET比已存储在RREP报文里的LET小，中间节点则将该RREP报文里的LET更新为小值，否则，中间节点则不更新LET。然后节点将自身的移动信息添加到此RREP报文中，继续沿着反向路径传送到下一个节点，同时将LET值添加到自身的路由表中，如果之后发现有相同的目的节点，此节点则可以查找自身路由表的信息生成RREP报文和LET信息。按照此种方式，当源节点收到RREP报文时，则能够获得该条路由的RET。由此源节点可以从多条路由中选择一条具有最长RET的稳定路由进行数据传输。

如图2所示，节点I的坐标为(x_i,y_i)，运动速度为运动方向与水平线的夹角为θ_i；节点J的坐标为(x_j,y_j)，运动速度为运动方向与水平线的夹角为θ_j，信号传输半径是R。节点J在收到节点I发送的RREP报文时，能够获取节点I的当前位置、速度以及方向等移动信息，同时利用自身的移动信息可以计算出它与节点I之间的LET。LET满足

${\mathrm{LET}}_{JI}=\frac{-(ab+cd)+\sqrt{(a^2+c^2)R^2-{(ad-bc)}^2}}{a^2+c^2}---\left(1\right)$

其中，水平速度a＝v_icosθ_i-v_jcosθ_j,水平位移b＝x_i-x_j,竖直速度c＝v_isinθ_i-v_jsinθ_j,竖直位移d＝y_i-y_j。

节点J将式(1)计算得到的LET和之前已存储在RREP中的LET进行对比，并将小的LET和自身的移动信息添加到RREP报文中，继续沿着反向路径将此RREP报文发送到节点Y。按照此种方式，当源节点收到沿着反向路径发送的RREP报文时，则能获取该条反向路由的RET。RET被定义为路由中所有LET的最小值，即

RET＝Min{LET₁,LET₂,...LET_k},1≤k≤K(2)

K为反向路由上的所有链路数。执行基于RET的路由竞争策略后，源节点能够获得多条到达目的节点的路由RET，形成一个RET集{RET₁,RET₂,...,RET_N}，N为源节点到目的节点的路由数，源节点从中选择一条具有最大RET的稳定路由进行数据传输。ESRP协议路由发现机制如图3所示，基于RET的路由竞争策略如图4所示。

如图5中，源节点S与目的节点D之间存在多条目的节点可达性的有效路由，其中S-1-2-3-D为主路由(RET0)，其他S-4-5-6-D(RET1)，S-7-8-9-D(RET2)，S-4-5-2-3-D(RET3)，S-1-8-9-D(RET4)，S-1-8-9-3-D(RET5)均为次路由，且RET0>RET1>RET2>RET3>RET4>RET5。当主路由没有发生断裂时，数据包主要由主路由传输，其他路由则存储在源节点路由表中作为备份路由，由源节点对其进行路由管理。当主路由发生路由断裂时，中断链路的上游节点发送RERR报文至源节点，告知源节点主路由已发生路由断裂。源节点收到RERR报文后启动多径路由备份机制。假设主路由上节点2与节点3之间的链路发生断裂，节点2发送RERR报文至源节点S，源节点S启动多径路由维护机制，其算法描述如下：

1)源节点S查找自身路由表，根据已排序的RET从多条备份路由中选择第一条备份路由R1(S-4-5-6-D)向原目的节点D定向发送一个带有标志位的探测数据包，同时源节点中记录为第1次发送探测数据包。探测数据包中标志位主要用于告知路由R1上的节点从源节点S到目的节点D的主路由已发生断裂，请求其优先处理该探测数据包。若目的节点收到该探测数据包，则生成应答报文，沿着该备份路由原路径传送到源节点，源节点在已设定时间内能接收到该应答报文，则表示路由R1有效，从而放弃主路由而选择路由R1继续传输数据，否则，转至2)

2)若第一条备份路由失效，源节点S继续查找路由表选择第二条备份路由R2，记录第2次发送探测数据包，同时按照流程1)执行。若路由R2显示有效，则放弃主路由和备份路由R1，选择备份路由R2传输数据，若路由R2显示失效，则继续查找路由表中第三条备份路由R3，源节点记录第3次发送探测数据包，同样按照流程1)执行。路由R3有效，否则，转至3)

3)源节点路由表中缓存的前三条备份路由都显示失效，源节点启动全路由修复机制。

因此，在数据传输阶段，数据分组主要通过主路由传输到目的节点。若主路由出现断裂，源节点启动多径路由备份机制，选择备份路由重新进行数据传输。ESRP协议的多径路由备份机制流程如图6所示。

鉴于车载网节点高速移动、网络拓扑变化剧烈等特点，在路由选择阶段，通过扩展RREP报文格式，引入最长RET机制，选择一条更加稳定可靠的路由进行数据传输。在路由维护阶段，如果主路由失效，源节点直接利用备份路由进行路由修复，提高了路由修复的效率。利用VanetMobiSim2.0软件搭建一个较贴近真实城市场景的移动模型，在此模型下利用NS2对ESRP协议进行大量的仿真实验，图7比较了不同节点数目下ESRP协议与VSRP、AODV协议的分组投递率、图8比较了不同节点数目下ESRP协议与VSRP、AODV协的平均端到端时延、图9比较了不同节点数目下VSRP协议与AODV协议的归一化路由开销。图10比较了不同数据分组发送速率下ESRP协议与VSRP、AODV协议的数据分组投递率、图11比较了不同数据分组发送速率下ESRP协议与VSRP、AODV协议的平均端到端时延、图12比较了不同数据分组发送速率下ESRP协议与VSRP、AODV协议的归一化路由开销。从图7～图12可以看出，ESRP协议较VSRP、AODV协议具有更高的投递率、更低的时延、更小的路由开销。

Claims (6)

1.一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议，其特征在于：当源节点找到目的节点且获得多条到达目的节点的有效路由后，目的节点会调用GPS模块获取自身位置和速度信息填入RREP新增数据中，并沿着反向路径向源节点发送；每一个收到RREP消息的节点计算链路有效时间LET(LinkExpirationTime)，对新计算的LET与已存储的LET进行比较，在RREP中更新为较小的LET，同时添加当前节点的位置和速度信息继续转发到下一节点；当RREP消息到达源节点时，源节点能获得该路由的路由有效时间RET(RoutingExpirationTime)；由此源节点获得多条路由的RET，选择RET最大的路由进行数据传输，其他路由缓存在源节点中作为备份路由向目的节点发送数据分组。

2.根据权利要求1所述的一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议，其特征在于源节点在找到目的节点，目的节点首先填写VSRP协议中的RREP报文各数据域，然后调用GPS模块获取自身的横坐标、纵坐标、运动方向的水平分速度、运动方向的竖直分速度信息，填入新增数据域中，目的节点构造完RREP消息后，将此消息沿着反向路径发送至源节点。

3.根据权利要求1所述的一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议，其特征在于反向路径上的每一个节点在收到上一节点发送的RREP报文时，能够获取其位置和速度信息，同时调用GPS模块获取自身的位置和速度信息，由此计算两节点之间链路的LET，LET＝|R-d|/|v_i-v_j|，R为节点的通信半径，d为两节点间的绝对距离，v为节点的速度。

4.根据权利要求3所述的一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议，其特征在于当前节点将计算的LET值与已存储在RREP报文Lifetime字段中的值进行对比，若计算的LET值较小，则更新Lifetime字段，否则不更新；当前节点添加自身的位置和速度信息到RREP报文中，继续转发到下一节点。

5.根据权利要求1所述的一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议，其特征在于源节点收到RREP消息后，则能获取该条路由的RET，RET满足RET＝Min{LET₁,LET₂,...LET_k},1≤k≤K，K表示反向路径上的链路数；由此方式源节点获得其他多条路由的RET，从中选择一条最大RET的路由进行数据传输。

6.根据权利要求1所述的一种用于车载自组网的增强的稳定路由协议，其特征在于正常情况下，如果主路由没有断链，数据分组只在主路由上传输，当主路由上的某个节点发生断链时，中断处上游节点发送RERR报文告知源节点出现链路断裂，源节点启动多径路由备份机制，该机制为：源节点收到RERR报文后查看路由表事先缓存的多条已按RET大小排序的备份路由，同时定向发送一个带有标志位的数据包依次检测备份路由的有效性，而不是立即重新发起新的路由发现过程；当源节点在设定时间内收到从目的节点发送回的应答数据包后即可判断该条备份路由是有效的，从而源节点选择该条备份路由重新传输数据。