CN111935002B - 一种基于aodv的高适应性车载路由通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法。本发明属于车载路由通信领域，本发明获取仿真节点的速度信息和位置信息，确定仿真节点的稳定度系数，并将度系数作为新的路由建立策略，进行链路建立；获取仿真节点链路建立的时间分布后整理计算不同场景的分布阈值，获取阈值后进行基于二次扩展环路的路由发现过程；获取每条链路的整体稳定度系数，建立备份路由。本发明提出的路由方法在稀疏场景下可以牺牲一定时延来提高数据传递的成功率，并且在稠密场景的仿真过程中无需牺牲时延就有较好的表现。本发明主要针对信息传递过程中因车辆移动等原因造成的链路断裂等情况，减少不良因素对链路了的影响。

Description

一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法

技术领域

本发明涉及车载路由通信技术领域，是一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法。

背景技术

随着当前人们对出行的迫切需要和智慧城市概念的不断发展，汽车作为一种常用的交通工具在人类生活中越来越重要。因此，对城市交通环境的表现状况要求越来越高。基于车与其他实体间交互应用的车联网是智能交通系统下研究的重点。通过车载网络中路由协议的设计来对对各个交通因素信息进行整合协作，可以用于解决因信息的不对称性带来的道路交通状况。

传统的路由协议由于其工作原理和反应机制存在差异，面对不同道路环境的适应能力较差，数据传递成功率(Packet Delivery Ratio,PDR)和平均端到端时延(End to EndDelay,E2ED)变化较大。因此，针对城市不同场景的情况，提出并设计了一种基于车载自组织网络的高适应性路由协议算法，用于提高路由协议对不同场景的适应能力。

发明内容

本发明为了解决复杂多样的城市道路场景下路由协议适应性较差等问题，本发明提供了一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法，本发明提供了以下技术方案：

一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法，包括以下步骤：

步骤1：获取仿真节点的速度信息和位置信息，确定仿真节点的稳定度系数，并将度系数作为新的路由建立策略，进行链路建立；

步骤2：获取仿真节点链路建立的时间分布后整理计算不同场景的分布阈值，获取阈值后进行基于二次扩展环路的路由发现过程；

步骤3：获取每条链路的整体稳定度系数，建立备份路由。

优选地，所述步骤1具体为：

步骤1.1：根据获取仿真节点的速度信息和位置信息，确定仿真节点的稳定度系数，通过下式表示仿真节点的稳定度系数：

σ_i,j＝λ[(v_xi-v_xj)²+(v_yi-v_yj)²]+μ[(x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²]

其中，σ_i,j为仿真节点i和j间的拓扑结构稳定度系数，v为仿真节点的速度，x和y为仿真节点在水平方向和竖直方向的相对位置，λ，μ为不同情况下速度和位置对稳定度系数的影响权重；

步骤1.2：将稳定度系数作为新的路由建立策略，进行链路建立，每两个节点间的稳定度系数值相加后的值作为链路的稳定度系数，用来衡量链路的稳定度；

源节点获取自身的速度信息和位置信息后存放在自身的路由表和RREQ数据包中，并设置稳定度系数为0后向外洪泛RREQ数据包，每个接收到请求消息的节点根据自身运动状态计算并跟新节点间的稳定度系数，直到目的节点接收到路由请求数据包；

进入路由请求的确认阶段，当目的节点接收到RREQ数据包后，RREP消息并向源节点发送RREP消息，当接受的节点是源节点时，则根据接收到的RREP消息中携带的稳定度系数来更新路由信息；当接受的节点不是源节点时，则继续转发RREP消息直到源节点接收到该数据包。

优选地，所述RREQ数据包携带速度大小、运行方向、相对位置大小和节点间稳定度数值。

优选地，所述步骤2具体为：

步骤2.1：记录每次源节点发送RREQ数据包直到目的节点接收到该数据包消息的时间间隔，确定每次源节点到目的节点间消息传递时间为t，并计算时间t内覆盖的节点数值N_t，通过下式表示节点数N_t：

N_t＝π(vt)²s

其中，s为节点密度，v为节点间信息传递速度；

步骤2.2：以传递时间t作为二次扩展环路的阈值，当目标节点在阈值内和阈值的区域范围外时，确定路由开销，由于两层扩展环路，通过下式表示路由开销W_t：

W_t＝P_tN_t+(1-P_t)(N+N_t)

W_t＝(πv²s)t²+N(1-P_t)

其中，P_t为目标节点在t覆盖的区域内概率，N_t为时间t内覆盖的节点数，N为节点总数；

当阈值t取某一值的时候，取值范围内有最多的目的节点，阈值的增大不会导致目的节点的数量变化；当仿真节点个数为50时，二次扩展环路的阈值取值为500ms。

优选地，所述步骤3具体为：基于稳定度建立的链路，对路由的备份进行建立，当若节点并非首次接收到RREP数据包时，则在判断当前节点是否具有路由后，根据RREP数据包中携带的稳定度系数对路由进行更新，当链路发生断裂后首先判断是否具有备份路由，判断是否具有备份路由后，在进行本地路由修复工作或者重新进行基于二次扩展环路的路由发现过程。

本发明具有以下有益效果：

通过多次比较得到车辆密度和车辆运行速度的改变对路由协议性能的影响，并证明

本发明提出的路由方法在稀疏场景下可以牺牲一定时延来提高数据传递的成功率，并且在稠密场景的仿真过程中无需牺牲时延就有较好的表现。本发明主要针对信息传递过程中因车辆移动等原因造成的链路断裂等情况，减少不良因素对链路了的影响。

附图说明

图1为基于AODV的高适应性车载路由通信方法流程图；

图2为节点间状态信息示意图；

图3为RREQ数据包格式示意图；

图4为RREQ数据包运行流程图；

图5为RREP数据包格式示意图；

图6为RREP运行流程示意图；

图7为阈值取值判定依据示意图；

图8为建立备份路由流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1所示，本发明提供一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法，包括以下步骤：

步骤1：获取仿真节点的速度信息和位置信息，确定仿真节点的稳定度系数，并将度系数作为新的路由建立策略，进行链路建立；

所述步骤1具体为：

步骤1.1：根据获取仿真节点的速度信息和位置信息，确定仿真节点的稳定度系数，通过下式表示仿真节点的稳定度系数：

σ_i,j＝λ[(v_xi-v_xj)²+(v_yi-v_yj)²]+μ[(x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²]

其中，σ_i,j为仿真节点i和j间的拓扑结构稳定度系数，v为仿真节点的速度，x和y为仿真节点在水平方向和竖直方向的相对位置，λ，μ为不同情况下速度和位置对稳定度系数的影响权重；

步骤1.2：将稳定度系数作为新的路由建立策略，进行链路建立，每两个节点间的稳定度系数值相加后的值作为链路的稳定度系数，用来衡量链路的稳定度；

源节点获取自身的速度信息和位置信息后存放在自身的路由表和RREQ数据包中，并设置稳定度系数为0后向外洪泛RREQ数据包，每个接收到请求消息的节点根据自身运动状态计算并跟新节点间的稳定度系数，直到目的节点接收到路由请求数据包；

进入路由请求的确认阶段，当目的节点接收到RREQ数据包后，RREP消息并向源节点发送RREP消息，当接受的节点是源节点时，则根据接收到的RREP消息中携带的稳定度系数来更新路由信息；当接受的节点不是源节点时，则继续转发RREP消息直到源节点接收到该数据包。所述RREQ数据包携带速度大小、运行方向、相对位置大小和节点间稳定度数值。

针对附图2中节点间不同的状态信息，对权重的取值如表1所示。将链路上每两个节点间的稳定度值相加后的值定义为本次建立链路的稳定度系数，用来衡量链路的稳定度。

表1.权重的取值表

在路由请求的建立阶段，源节点获取自身的速度信息和位置信息后存放在自身的路由表和改进后的RREQ数据包中，如附图3所示，并设置二者的稳定度系数为0后向外洪泛该数据包。如附图4所示，每个接收到该请求消息的节点根据自身运动状态计算并跟新节点间的稳定度系数。重复过程直到目的节点接收到该路由请求数据包。

在路由请求的确认阶段，当目的节点接收到该RREQ数据包后，通过判定稳定度系数来更新如附图5所示的RREP消息并向源节点发送该消息。如附图6所示，如果接受的节点是源节点，则根据接收到的RREP数据包中携带的稳定度系数来更新路由信息；如果不是，则继续转发该RREP数据包直到源节点接收到该数据包。

步骤2：获取仿真节点链路建立的时间分布后整理计算不同场景的分布阈值，获取阈值后进行基于二次扩展环路的路由发现过程；

所述步骤2具体为：

步骤2.1：记录每次源节点发送RREQ数据包直到目的节点接收到该数据包消息的时间间隔，确定每次源节点到目的节点间消息传递时间为t，并计算时间t内覆盖的节点数值N_t，通过下式表示节点数N_t：

N_t＝π(vt)²s

其中，s为节点密度，v为节点间信息传递速度；

步骤2.2：以传递时间t作为二次扩展环路的阈值，当目标节点在阈值内和阈值的区域范围外时，确定路由开销，由于两层扩展环路，通过下式表示路由开销W_t：

W_t＝P_tN_t+(1-P_t)(N+N_t)

W_t＝(πv²s)t²+N(1-P_t)

其中，P_t为目标节点在t覆盖的区域内概率，N_t为时间t内覆盖的节点数，N为节点总数；

如图7所示，当阈值t取某一值的时候，取值范围内有最多的目的节点，阈值的增大不会导致目的节点的数量变化；当仿真节点个数为50时，二次扩展环路的阈值取值为500ms。

步骤3：获取每条链路的整体稳定度系数，建立备份路由。

所述步骤3具体为：基于稳定度建立的链路，对路由的备份进行建立，如图8所示当若节点并非首次接收到RREP数据包时，则在判断当前节点是否具有路由后，根据RREP数据包中携带的稳定度系数对路由进行更新，当链路发生断裂后首先判断是否具有备份路由，判断是否具有备份路由后，在进行本地路由修复工作或者重新进行基于二次扩展环路的路由发现过程。

具体实施例二：

对以真实场景为基础建立的移动模型进行路由协议的仿真，是当前对VANETs路由协议研究的一个重要领域。通过将真实地图引入仿真平台NS-3并SUMO根据实际场景建立移动模型，参与仿真的节点可以在较为真实的模拟真实城市场景下进行信息交换的模拟过程，从而增加每次路由协议仿真结果的可信度。通过在NS-3平台上验证分析NTCAODV路由算法的性能。同时仿真运行AODV、DSDV和不同参数的NTCAODV路由协议并进行分析。本次仿真实验中，参与仿真的车辆个数分别为50、100、150和200，车辆速度分别为5、10、15和20m/s。仿真时间取300s。每次场景下仿真运行10次后取平均，RREQ等数据包进行路由的发现和建立过程从而完成信息的传递本文主要从数据传递成功率和平均端到端时延两个方面对算法进行比较分析。数据传递成功率是指所有在整个仿真通信时间内接收数据信息的节点所接收到的完整数据包数量与发送的数据包数量总和之比。平均端到端时延是指，在整个仿真过程中数据包消息的发送间隔与节点接收数据包数量的总和之比。分别修改节点密度和节点运行速度两个方面对仿真结果进行分析。当节点运行速度为20m/s时，随着一定范围内车辆节点密度的不断变大导致数据传递成功率逐渐下降。出现这种情况的原因在于节点个数的增加导致参与链路组成的节点个数不断增多，断裂的概率随之增大，从而导致传递成功率下降。改进后的NTCAODV路由协议由于采用更加稳定的链路连接策略，建立的链路会更加稳定。当同向速度权重不断变大时，即从0.5到0.9，数据传递成功率出现下降情况。出现这种情况的原因在于，同向速度比重增大意味着位置权重减小，两个同向而行的节点即使距离较远，计算得到的链路也会更加稳定，从而导致链路存在不稳定隐患，降低数据传递的成功率。但是整体表现依旧比改进前的AODV路由协议和DSDV路由协议更好。时，平均端到端时延随着仿真节点密度的增大而逐渐变长。出现这种情况的原因在于，节点密度的不断增多导致参与链路建立的节点个数变多，因此发送的时延也随之延长。改进后的NTCAODV路由协议在节点密度较小时平均端到端时延较长，而车辆密度增大的情况下时延大小出现下降。当节点密度较小时，扩展环路的存在导致路由发现过程延长。而随着节点密度的增大，可以选择的节点数增多，平均端到端时延也会随之降低。随着同向情况下速度比重的增大，即取值从0.5到0.9，链路会优先选取同向运行的节点进行链路建立。因此，节点密度较小时同向节点个数较少导致平均端到端时延大小的增长。而节点密度的增加导致同向运行的车辆数量增大，链路断裂的概率降低，从而导致平均端到端时延的降低。当节点个数为200时，数据传递成功率随着速度的增加表现出下降的趋势。出现这种状况的原因在于，速度的增大导致链路稳定性降低，更容易发生断裂从而降低数据传递的成功率。而NTCAODV路由协议具有更加稳定的链路连接，仿真过程中具有更加优异的表现。改进后的NTCAODV路由协议随着而随着速度大小所占的权重值增大，即从0.5到0.9，数据传递成功率有所下降。出现这种情况的原因在于同向运动的节点即便相隔较远，计算结果仍被认为稳定，从而导致链路的稳定性存在隐患。平均端到端时延随速度的不断增大而增长。节点位置的频繁变化导致新的链路不断建立，从而延长了平均端到端时延。改进后的NTCAODV路由协议具有较低的时延。随着同向运行节点速度大小所占的权重值增大，即从0.5到0.9，以此为基础建立的路由链路连接中的节点同向所占的比率会有所增大，建立好的路由不容易发生断裂从而降低时延的增大。车辆速度与平均端到端时延的关系借助NS-3仿真平台对真实的大学地图进行模型制作并仿真。将仿真后得到的数据传递成功率和平均端到端时延作为指标对仿真结果进行分析。仿真结果说明对比其他各类型路由协议，改进后的NTCAODV路由协议对于节点密度不同的城市环境具有较好的适应性，数据传递成功率不会因为车辆密度的增大出现断崖式的下降。以后的工作可以针对车辆密度较低时城市场景的平均端到端时延这一问题进行改进。

以上所述仅是一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法的优选实施方式，一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：获取仿真节点的速度信息和位置信息，确定仿真节点间的稳定度系数，并将稳定度系数作为新的路由建立策略，进行链路建立；

所述步骤1具体为：

步骤1.1：根据获取仿真节点的速度信息和位置信息，确定仿真节点间的稳定度系数，通过下式表示仿真节点的稳定度系数：

σ_i,j＝λ[(v_xi-v_xj)²+(v_yi-v_yj)²]+μ[(x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²]

其中，σ_i,j为仿真节点i和j间的拓扑结构稳定度系数，v为仿真节点的速度，x和y为仿真节点在水平方向和竖直方向的相对位置，λ，μ为不同情况下速度和位置对稳定度系数的影响权重；

步骤1.2：将稳定度系数作为新的路由建立策略，进行链路建立，每两个节点间的稳定度系数值相加后的值作为链路的稳定度系数，用来衡量链路的稳定度；

源节点获取自身的速度信息和位置信息后存放在路由表和RREQ数据包中，并设置稳定度系数为0后向外洪泛RREQ数据包，每个接收到请求消息的节点根据自身运动状态计算并更新节点间的稳定度系数，直到目的节点接收到路由请求数据包；

进入路由请求的确认阶段，当目的节点接收到RREQ数据包后，目的节点向源节点发送RREP消息，当接受的节点是源节点时，则根据接收到的RREP消息中携带的稳定度系数来更新路由信息；当接受的节点不是源节点时，则继续转发RREP消息直到源节点接收到该数据包；

步骤2：获取仿真节点链路建立的时间分布后整理计算不同场景的分布阈值，获取阈值后进行基于二次扩展环路的路由发现过程；

步骤3：获取每条链路的整体稳定度系数，建立备份路由。

2.根据权利要求1所述的一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法，其特征是：所述RREQ数据包携带速度大小、运行方向、相对位置大小和节点间稳定度数值。

3.根据权利要求1所述的一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法，其特征是：所述步骤2具体为：

步骤2.1：记录每次源节点发送RREQ数据包直到目的节点接收到该数据包消息的时间间隔，确定每次源节点到目的节点间消息传递时间为t，并计算时间t内覆盖的节点数值N_t，通过下式表示节点数N_t：

N_t＝π(vt)²s

其中，s为节点密度，v为节点间信息传递速度；

步骤2.2：以传递时间t作为二次扩展环路的阈值，当目标节点在阈值内和阈值的区域范围外时，确定路由开销，由于两层扩展环路，通过下式表示路由开销W_t：

W_t＝P_tN_t+(1-P_t)(N+N_t)

W_t＝(πv²s)t²+N(1-P_t)

其中，P_t为目标节点在t覆盖的区域内概率，N_t为时间t内覆盖的节点数，N为节点总数；

当阈值t取某一值的时候，取值范围内有最多的目的节点，阈值的增大不会导致目的节点的数量变化；当仿真节点个数为50时，二次扩展环路的阈值取值为500ms。

4.根据权利要求1所述的一种基于AODV的高适应性车载路由通信方法，其特征是：所述步骤3具体为：基于稳定度建立的链路，对路由的备份进行建立，当若节点并非首次接收到RREP数据包时，则在判断当前节点是否具有路由后，根据RREP数据包中携带的稳定度系数对路由进行更新，当链路发生断裂后首先判断是否具有备份路由，判断是否具有备份路由后，在进行本地路由修复工作或者重新进行基于二次扩展环路的路由发现过程。

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