車聯(lián)網(wǎng)中一種面向路側(cè)單元的自組網(wǎng)路由協(xié)議

林曉輝

(1．廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510650;2．華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州510641)

車載自組網(wǎng)(Vehicular Ad hoc Networks，VANETs)是車聯(lián)網(wǎng)(未來智能交通發(fā)展方向)的重要組成部分，它通過車車通信、車路通信，高效地實現(xiàn)事故預(yù)警、輔助駕駛、道路交通信息查詢以及 Internet接入服務(wù)等多種應(yīng)用［1-3］．車聯(lián)網(wǎng)是智能交通的未來發(fā)展方向．借助于路側(cè)單元并結(jié)合車輛上的車載單元所提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸路線，可解決車聯(lián)網(wǎng)中車載自組網(wǎng)連通性問題，而路側(cè)單元的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是其關(guān)鍵技術(shù)．路由協(xié)議作為VANETs研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多VANETs路由方案，如基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議(AODV［4］、OLSR、DSR、TORA、DSDV 等)、基于位置信息的路由協(xié)議(GPSR、GPCR)、基于地圖信息的路由協(xié)議(GSR、SAR)、基于交通信息的路由協(xié)議(A-STAR)、基于行駛路線信息的路由協(xié)議(VADD［5］、Geopps)和混合路由(GeoDTN+NAV)等．盡管如此，現(xiàn)有的路由協(xié)議仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中，網(wǎng)絡(luò)頻繁分割問題，導(dǎo)致VANETs連通的不穩(wěn)定，極大限制了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)發(fā)布的速度與準(zhǔn)確性，成為VANETs投入實際應(yīng)用中的最大的挑戰(zhàn)［3］．借助路側(cè)單元RSU(Road Site U-nit)并結(jié)合車輛上的車載單元OBU(On board Unit)所提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸路線，可以解決VANETs連通性問題［3］，而RSU的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是基于RSU車載自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)．He等［6］提出一種分化可靠路由方案，有利于降低阻塞概率和保持較低的控制，同時提供區(qū)分服務(wù)的開銷;Kim等［7］設(shè)計了一種基于街道的SARC路由協(xié)議，提供了有效的路徑發(fā)現(xiàn)和隱私保護路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段;Kitani等［8］提出基于消息擺渡技術(shù)，借助公交上路由設(shè)備，采集、保留和傳播普通車輛間的交通信息;葛明珠等［9］提出基于靜態(tài)節(jié)點輔助的路由方法，將數(shù)據(jù)包存儲在交叉路口的靜態(tài)節(jié)點中，直到最優(yōu)路徑是有效的，提高數(shù)據(jù)包的傳輸效率．盡管上述算法數(shù)據(jù)傳輸可靠，但其均存在一定的局限性，很難準(zhǔn)確地建立空間模型，而且沒有綜合考慮車輛網(wǎng)絡(luò)社會行為的規(guī)律性特征．鑒于此，本文提出一種面向RSU的自組網(wǎng)路由協(xié)議．

1 面向RSU的自組網(wǎng)路由協(xié)議

1．1 基本思路

RSU用作固定可靠的路由節(jié)點，獨立地部署于道路兩側(cè)，用于大面積傳感與通信(圖1)．采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，路網(wǎng)分為若干交通控制子區(qū)，各子區(qū)設(shè)有交通控制中心，網(wǎng)絡(luò)采用無線或有線方式與控制總中心相連，各子區(qū)內(nèi)以交通控制子中心(Traffic Control Center，TCC)作為根節(jié)點，RSU作為路由子節(jié)點，新增的RSU加入網(wǎng)絡(luò)時，根據(jù)信號強度，選擇已入網(wǎng)的RSU節(jié)點作為父節(jié)點，通過本文自組網(wǎng)路由協(xié)議，構(gòu)建RSU自組網(wǎng)絡(luò)．車輛通信設(shè)備以廣播模式向周邊RSU節(jié)點請求應(yīng)答，控制中心根據(jù)應(yīng)答的RSU位置，確定車輛位置，借助RSU節(jié)點，實現(xiàn)相互車路通信和車車通信．

圖1 路側(cè)單元RSU部署分布Figure 1 The RSU deployment distribution

1．2 RSU節(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)地址碼

網(wǎng)絡(luò)由一個TCC和若干個RSU節(jié)點組成，TCC個數(shù)必須為1，并作為網(wǎng)絡(luò)樹的根節(jié)點(圖2)．新RSU節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)都會為其分配一個64位的網(wǎng)絡(luò)地址．TCC的網(wǎng)絡(luò)地址均為全0，且固定不變，其他節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址根據(jù)本節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奈恢煤徒Y(jié)構(gòu)不同而不同．

RSU節(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由2個參數(shù)決定:網(wǎng)絡(luò)層數(shù)number(n)和各層占用網(wǎng)絡(luò)地址的比特數(shù)BitsPer-Lever(bpl_1，bpl_2，…，bpl_n)，而且 8＜=n＜=64，bpl_1+bpl_2+… +bpl_n=64．n值根據(jù)路網(wǎng)情況的需要而定，當(dāng)n=64時，每層的比特數(shù)為1，其檢測距離最長，可應(yīng)用于城市主干道或高速路上的車載數(shù)據(jù)傳輸．

圖2 交通控制子區(qū)網(wǎng)絡(luò)樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 2 The network topological structure of traffic control sub area

設(shè)bn為前n層比特數(shù)的總和，即bn=bpl_1+bpl_2+bpl_n，則:

1)TCC網(wǎng)絡(luò)地址為64位二進制，均為0，且固定不變．

2)可設(shè)定TCC的第1個子節(jié)點和第2個子節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址如圖3所示，以此類推，可確定最后1個子節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址．

圖3 TCC子節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址Figure 3 The network address of the child nodes of TCC

3)若節(jié)點處于第n層，則其網(wǎng)絡(luò)地址如圖4A所示，其子節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址如圖4B所示，其中XX…XXXXX為一個00…01到11…111的數(shù)，該值取決于該節(jié)點是其父節(jié)點的第幾個子節(jié)點．

圖4 處于第n層的節(jié)點及其子節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址Figure 4 The network address of node and child node on the n layer

1．3 RSU 網(wǎng)絡(luò)維護

1．3．1 RSU節(jié)點地址分配 TCC地址分配:TCC自動分配全0的網(wǎng)絡(luò)地址．RSU節(jié)點地址分配:當(dāng)RSU節(jié)點上電時，首先檢查本節(jié)點是否保存有原網(wǎng)絡(luò)地址信息，若沒有保存，則進入RSU節(jié)點地址分配流程，否則進入RSU節(jié)點地址快速分配流程．

(1)RSU節(jié)點地址分配流程如圖5所示，具體步驟如下:

①New RSU節(jié)點上電后，讀取Flash中的網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)，若Flash中沒有網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)，則廣播消息Network_Init，向附近的RSU節(jié)點/TCC通知本節(jié)點進行網(wǎng)絡(luò)初始化．由于New RSU節(jié)點未分配到地址，消息中的廣播原地址碼為全F，同時啟動定時器T1和T2(T1＞T2)．

②RSU節(jié)點/TCC收到New RSU節(jié)點的Network_Init消息后，隨機延遲一段時間，然后廣播發(fā)送Network_Init_Ack消息通知New RSU節(jié)點，消息中的原地址為本節(jié)點的地址碼，消息中帶有 gtAddrStruct消息、本節(jié)點的地址碼、節(jié)點的層數(shù)以及可分配的節(jié)點數(shù)．如RSU節(jié)點可加入的節(jié)點數(shù)為0，則RSU節(jié)點進入子節(jié)點檢測狀態(tài)流程．New RSU節(jié)點收到Network_Init_Ack消息后，檢測該消息的信號強度RssiVal，并保存收集到的Network_Init_Ack消息，等待定時器T2超時．若定時器T2超時，且New RSU節(jié)點未收到任何 Network_Init_Ack消息，則New RSU節(jié)點需要啟用定時器T3．等待定時器T3超時后，切換到其他頻點發(fā)送Network_Init消息．

③同Step②．

④New RSU節(jié)點根據(jù)保存的各個Network_Init_Ack消息的信號強度RssiVal、原地址節(jié)點的層數(shù)以及可分配的節(jié)點數(shù)，選擇最優(yōu)的TCC/RSU節(jié)點作為父節(jié)點．然后發(fā)送Addr_Alloc_req消息給該節(jié)點，

圖5 RSU節(jié)點地址分配流程Figure 5 The assignment process of routing node addresses of RSU

目的地址為父節(jié)點地址碼，消息中帶有本節(jié)點的MAC地址以及New RSU節(jié)點收到的響應(yīng)次數(shù)．RSU節(jié)點/TCC收到Addr_Alloc_req消息后，檢測本節(jié)點是否有可分配的子節(jié)點．若有，則跳到Step⑥;若沒有，則跳到Step⑤．選擇算法:

1)若同時出現(xiàn)RssiVal＞臨界值和RssiVal＜臨界值的情況，則優(yōu)選RssiVal＜=臨界值的RSU．

2)若只出現(xiàn)RssiVal＞臨界值的情況，則以10為最小因子優(yōu)選RssiVal較小的RSU．

3)對于RssiVal＜=臨界值的，根據(jù)父節(jié)點的層數(shù)和該父節(jié)點可以繼續(xù)加入的子節(jié)點個數(shù)進行優(yōu)選．

⑤若Addr_Alloc_req消息中帶的節(jié)點個數(shù)為1，則RSU節(jié)點/TCC可檢查出父節(jié)點最多的子節(jié)點，并將其刪除，同時發(fā)送Addr_alloc_Fail消息給New RSU節(jié)點;否則只需要發(fā)送Addr_alloc_Fail消息給NewRSU節(jié)點．Addr_alloc_Fail消息的類型為廣播消息，消息中還有Addr_alloc_req消息帶給New_RSU節(jié)點的MAC地址．New RSU節(jié)點收到 Addr_alloc_Fail后進入Step④．

⑥RSU節(jié)點/TCC收到Addr_Alloc_req消息后，檢查New RSU節(jié)點是否已經(jīng)在本RSU節(jié)點中存在．若存在，則跳到Step⑧;否則向TCC發(fā)送Addr_bind_req消息，請求將分配給New RSU節(jié)點的地址碼和MAC地址進行綁定．

⑦TCC收到Addr_Bind_Req后，對New RSU節(jié)點的MAC地址和地址碼進行綁定，并回復(fù)Addr_Bind_Resp消息．TCC檢查New RSU節(jié)點是否可以被綁定．若可以，則綁定成功;否則綁定失敗．

⑧RSU節(jié)點/TCC收到Addr_Bind_Resp后，發(fā)送Addr_Alloc_Complete消息給New RSU節(jié)點，消息中帶有RSU節(jié)點重新分配地址的次數(shù)以及地址分配是否成功的標(biāo)志，New RSU節(jié)點取消定時器T1，分配地址完成．若地址分配失敗，則New RSU節(jié)點需要啟用定時器T3，等待定時器T3超時后，再切換到其他頻點發(fā)送 Network_Init消息．定時器超時處理:

1)當(dāng)定時器T1超時，啟用定時器T3．

2)當(dāng)定時器T2超時，進入Step④．

3)當(dāng)定時器T3超時，New RSU節(jié)點切換到其他頻點，并跳到Step①．T3時間隨著失敗次數(shù)增加而增加．

(2)RSU節(jié)點地址快速分配流程如圖6所示，具體步驟如下:

①New RSU節(jié)點讀取Flash中的配置信息，發(fā)送Addr_Alloc_Quickly_Req消息給原來的父節(jié)點，消息的原地址為全F，目的地址為準(zhǔn)備加入的父節(jié)點的地址碼，消息中帶有本節(jié)點編號、New RSU節(jié)點的原地址碼和MAC地址．RSU節(jié)點收到Addr_Alloc_Quickly_Req后，檢測是否可以接受New RSU節(jié)點的請求．若不接受，則跳到Step②，否則判斷本New RSU節(jié)點的地址在本節(jié)點是否存在．若存在，則跳到Step⑤，否則跳到Step③．

②RSU節(jié)點發(fā)送Addr_Alloc_Quickly_Fail消息給New RSU節(jié)點，若通知地址加入失敗，則需要進入RSU節(jié)點地址分配流程．

③RSU節(jié)點向TCC發(fā)送Addr_Bind_Req消息，請求New RSU節(jié)點的MAC地址和地址碼進行綁定．

④TCC收到Addr_Bind_Req消息后，向其回復(fù)Addr_Bind_Resp消息．

⑤RSU節(jié)點收到Addr_Bind_Resp消息后，向New RSU節(jié)點發(fā)送Addr_Alloc_Complete消息，消息中帶有RSU節(jié)點重新分配地址的次數(shù)，接著通知New RSU節(jié)點分配地址完成．New RSU節(jié)點收到Addr_Alloc_Complete消息后，檢測收到該消息的信號強度，若信號強度值大于預(yù)設(shè)閾值，則重新執(zhí)行地址分配流程;否則表明快速地址分配成功．

圖6 RSU節(jié)點快速分配流程Figure 6 The fast assignment process of routing node addresses of RSU

1．3．2 RSU節(jié)點切換 RSU_Router地址重新分配流程如圖7所示，具體步驟如下:

(1)RSU節(jié)點入網(wǎng)成功后，若半個小時內(nèi)未收到來自其父節(jié)點的消息，則向其父節(jié)點發(fā)送Network_HandShake消息．

(2)其父節(jié)點收到Network_HandShake消息后，回復(fù)Network_HandShake_Ack消息．RSU節(jié)點收到該消息后，不作處理．若RSU節(jié)點未收到Network_HandShake_Ack消息，則RSU節(jié)點重復(fù)發(fā)Network_HandShake消息．若重復(fù)3次消息，RSU節(jié)點均未收到父節(jié)點的Network_HandShake_Ack消息，則進入切換流程．

(3)執(zhí)行RSU地址快速分配流程，若RSU地址快速分配成功，則RSU用原來的網(wǎng)絡(luò)地址，此時不需要切換．若RSU快速上電失敗(可能是與其父節(jié)點通訊失敗，或檢測到父節(jié)點的信號強度過弱)，則跳到Step(4)．

(4)重新執(zhí)行地址分配流程，若此時有信號更強的RSU可以加入，則切換到新的RSU上，作為該RSU的子節(jié)點．

圖7 Router地址重新分配流程Figure 7 The re-assignment process of router address

1．3．3 RSU 節(jié)點刪除

(1)RSU節(jié)點子節(jié)點狀態(tài)檢測流程如圖8所示，具體步驟如下:

①RSU_0發(fā)送Network_Status_Test消息給其子節(jié)點同時啟動定時器T1．

②若在定時器T1超時前，RSU_0收到其子節(jié)點發(fā)出的Network_Status_Test_Ack消息，則RSU_0停止定時器T1．

③同Step①．

圖8 RSU節(jié)點子節(jié)點狀態(tài)檢測流程Figure 8 The state detection process of child nodes of RSU routing node

④當(dāng)RSU_0發(fā)送Network_Status_Test消息給RSU_2時，等定時器T1超時后，若RSU_2未響應(yīng)，則RSU需要重新啟動定時器T1，并再次發(fā)送Network_Status_Test消息給RSU_2．若RSU_2連續(xù)3次未響應(yīng)，則RSU_0將RSU_2在本節(jié)點刪除并跳到Step⑤;否則停止定時器T1，并檢查其他節(jié)點．

⑤RSU_0發(fā)送Cancle_Addr_Req消息給TCC，通知TCC刪除RSU_2及其子孫節(jié)點地址．

⑥TCC對RSU_0回復(fù)Cancle_Addr_Resp消息，節(jié)點刪除完成，RSU_0繼續(xù)檢測其他子節(jié)點(若多次檢查不到RSU_2，說明RSU_2和RSU_0已經(jīng)無法通訊，此時不需要再通知RSU_2)．

(2)RSU節(jié)點刪除子節(jié)點流程如圖9所示，具體步驟如下:

①進行刪除節(jié)點操作時，OMS向TCC發(fā)送Del_Node消息，消息中帶有需要刪除的節(jié)點MAC地址．

②TCC根據(jù)MAC地址找到需要刪除的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，計算出他的父節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址．TCC向需要刪除的節(jié)點的父節(jié)點發(fā)送Del_Child_Node消息，消息中帶有需要刪除的節(jié)點MAC地址．

③Father_RSU節(jié)點發(fā)送NetWork_Invailid消息后，RSU節(jié)點通知刪除該節(jié)點，同時將RSU節(jié)點中的信息在本節(jié)點中刪除．

④RSU節(jié)點收到NetWork_Invailid消息后，檢測本節(jié)點是否有子節(jié)點．若有，則發(fā)送NetWork_Invailid消息廣播通知子節(jié)點，并復(fù)位網(wǎng)絡(luò);若沒有，則只需復(fù)位網(wǎng)絡(luò)．

⑤同Step②．

⑥Father_RSU節(jié)點發(fā)送Cancle_Addr_Req消息，通知TCC刪除RSU節(jié)點及其后代子節(jié)點的地址信息．

⑦TCC對OMS回復(fù)Del_Node_OK消息，通知節(jié)點刪除成功．

圖9 RSU節(jié)點子節(jié)點刪除流程Figure 9 The deleted process of child nodes of RSU routing node

1．3．4 信號強度檢測 網(wǎng)絡(luò)中各個RSU節(jié)點可以對收到消息進行信號強度的檢測，信號強度用RssiVal表示，依據(jù)RSU路由設(shè)備的DB值公式，可計算RssiVal．信號強度的作用:

(1)快速地址分配時，若父節(jié)點向子節(jié)點發(fā)送Addr_Alloc_Complete消息，子節(jié)點會對該消息進行信號值的檢測．若RssiVal＞預(yù)設(shè)閾值，則子節(jié)點認(rèn)為快速地址分配失?。?/p>

(2)地址分配時，若有多個父節(jié)點向RSU節(jié)點應(yīng)答，則由RSU節(jié)點根據(jù)信號強度去選擇其父節(jié)點．

2 仿真實驗分析

采用NS2作為仿真平臺，仿真區(qū)域為4 000 m×3 000 m，每條道路隨機設(shè)定若干節(jié)點，各節(jié)點速度約7～14 m/s，信號容量:2mb/s．分別采用本文路由協(xié)議、VADD［5］和 AODV［4］等3 種不同路由協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，同時隨機選擇數(shù)據(jù)包產(chǎn)生節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點，最后比較3種不同路由協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時、傳輸率、路由負(fù)載和報文交付率．

結(jié)果表明:在數(shù)據(jù)傳輸延時方面，如圖10所示，AODV的數(shù)據(jù)傳輸延時最低，因為該方法沒有區(qū)分車輛節(jié)點和靜態(tài)節(jié)點，數(shù)據(jù)包在節(jié)點處理時間減少，但這種方法數(shù)據(jù)包丟失較嚴(yán)重．VADD和本文路由協(xié)議隨著節(jié)點數(shù)量增加，延時有所降低，當(dāng)節(jié)點數(shù)＜50個時，VADD傳輸延時明顯高于本文路由協(xié)議;在數(shù)據(jù)傳輸率方面，如圖11所示，本文路由協(xié)議傳輸率比VADD高約11%，數(shù)據(jù)包的傳送率隨之節(jié)點的增加而提升，但對于AODV方法而言，當(dāng)節(jié)點數(shù)目＞=250時，節(jié)點間的干擾和碰撞急劇增加，降低了數(shù)據(jù)包的傳送率，本文算法的傳輸率明顯優(yōu)于AODV方法;在歸一化路由負(fù)載方面，如圖12所示，3種協(xié)議的路由負(fù)載隨著車流密度的增加而增加，本文路由協(xié)議最高，VADD和AODV次之，因為隨著車流密度增多，產(chǎn)生大量的路由更新和控制分組數(shù)據(jù)，路由節(jié)點負(fù)荷會增加，尤其是本文路由協(xié)議，借助RSU進行通訊，RSU會周期性向周邊廣播網(wǎng)絡(luò)地址，增量了控制分組數(shù)據(jù)，因而路由負(fù)載增加明顯;在報文交付率方面，如圖13所示，3種協(xié)議的報文交付率隨著車輛數(shù)量的增加而增加，當(dāng)車輛較少時，行車速度較快，網(wǎng)絡(luò)切換頻繁，報文交付率較低，當(dāng)車輛較多時，行車速度降低，報文交付率較高，總體上，本文路由協(xié)議的報文交付率均優(yōu)于其他2種方法．

圖10 數(shù)據(jù)傳輸平均延時Figure 10 The average delay of data transmission

圖11 數(shù)據(jù)傳輸率Figure 11 The data rates

圖12 歸一化路由負(fù)載變化情況Figure 12 The change of normalized routing load

圖13 不同車流密度下的報文交付率Figure 13 The delivery rate under the differentmessage traffic density

3 結(jié)束語

借助RSU自組網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)車載自組網(wǎng)是最為可靠的，避免網(wǎng)絡(luò)頻繁分割問題，有利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率，很大程度改善了車載自組網(wǎng)的信息發(fā)布與數(shù)據(jù)聚合．但是在實際應(yīng)用前應(yīng)當(dāng)考慮的問題有:(1)RSU的布設(shè)密度優(yōu)化問題;(2)一旦發(fā)生重大災(zāi)難，RSU必然遭到損壞，有無其他輔助的手段，來保證網(wǎng)絡(luò)的正常使用．我們將圍繞這2個問題繼續(xù)開展研究．

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