基于穩(wěn)定的車聯(lián)網(wǎng)最佳中繼節(jié)點(diǎn)選擇

李廣耀，李　飛 ，榮雪芳

(成都信息工程大學(xué)信息安全工程學(xué)院， 四川　成都　610225)

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基于穩(wěn)定的車聯(lián)網(wǎng)最佳中繼節(jié)點(diǎn)選擇

李廣耀，李飛 ，榮雪芳

(成都信息工程大學(xué)信息安全工程學(xué)院， 四川成都610225)

[摘要]在車聯(lián)網(wǎng)中，用戶節(jié)點(diǎn)通過中繼節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)建立連接并傳輸信息時(shí)，存在端對(duì)端吞吐量較小的問題.本文提出了一種基于穩(wěn)定的車聯(lián)網(wǎng)最佳中繼節(jié)點(diǎn)選擇方案，在對(duì)車輛節(jié)點(diǎn)的位置建立模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛在運(yùn)行中的穩(wěn)定性因素，最終通過選取最佳中繼節(jié)點(diǎn)來提高節(jié)點(diǎn)之間的吞吐量，并對(duì)該方案進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)證明了該方案的有效性，提高了節(jié)點(diǎn)間的吞吐量.

[關(guān)鍵詞]中繼節(jié)點(diǎn)；Sink節(jié)點(diǎn)；用戶節(jié)點(diǎn)；穩(wěn)定性；吞吐量

車聯(lián)網(wǎng)(Vehicle Ad Hoc Networks)融合了通信、IT、汽車等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，是科技發(fā)展的重要產(chǎn)物，也是目前學(xué)術(shù)界和商界的重要研究對(duì)象.VANETs中的節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，這些節(jié)點(diǎn)通過與路邊設(shè)置的Sink節(jié)點(diǎn)的連接實(shí)現(xiàn)車輛與Internet的連接.車輛通過Sink節(jié)點(diǎn)將自身的數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罱木W(wǎng)關(guān)上，并由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡(luò)中[1-3]，最終實(shí)現(xiàn)車輛與車輛之間的通信.研究表明，當(dāng)車輛將自身的數(shù)據(jù)發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)后，在Sink節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，整個(gè)車載自組網(wǎng)中只能得到一個(gè)較低的端到端的服務(wù)性能.為解決這個(gè)問題，基于無線傳輸?shù)亩嗵欣^技術(shù)被應(yīng)用到上述的環(huán)境當(dāng)中，對(duì)最佳中繼節(jié)點(diǎn)的選擇至關(guān)重要.

在對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中繼節(jié)點(diǎn)選擇的研究方面，眾多學(xué)者提出了在不同場(chǎng)景下的研究成果[4,5].Lin對(duì)IEEE 802.11 網(wǎng)絡(luò)的研究提出了一種通過有效介質(zhì)訪問控制協(xié)議來解決中繼吞吐量的效益問題，趙海等在前人的基礎(chǔ)上提出了基于確認(rèn)機(jī)制的中繼節(jié)點(diǎn)選擇.但這些方案中端到端的吞吐量普遍較低且不穩(wěn)定.

在綜合考慮鏈路穩(wěn)定性、端到端吞吐量和通信距離這3個(gè)因素之間的關(guān)系后，本文提出一種基于穩(wěn)定性的最佳中繼節(jié)點(diǎn)選擇OINS(optimal immobile node selection)方案.本方案首先將車輛節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成車聯(lián)網(wǎng)的集合模型，并根據(jù)端到端的吞吐量進(jìn)行評(píng)估，然后再根據(jù)穩(wěn)定性的算法最終確定出最佳的中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)證明本方案比不使用中繼節(jié)點(diǎn)或者隨機(jī)選擇中繼節(jié)點(diǎn)的方案大大提高了車聯(lián)網(wǎng)中端到端的吞吐量.

1OINS方案步驟

1.1模型的建立

首先定義T為兩節(jié)點(diǎn)間的吞吐量，以節(jié)點(diǎn)A、B為例，若A、B兩節(jié)點(diǎn)傳遞Nb字符數(shù)據(jù)所用時(shí)間為t秒，那么兩節(jié)點(diǎn)間的TA-B值為N/t(單位b/s).圖1、圖2、圖3分別對(duì)應(yīng)車聯(lián)網(wǎng)的3種情況，其中A為車輛用戶節(jié)點(diǎn)，B為中繼節(jié)點(diǎn)，H為Sink節(jié)點(diǎn)在所在公路上的投影，選取H為參考點(diǎn).車輛A節(jié)點(diǎn)如果要接入Internet必須通過中繼節(jié)點(diǎn)B才能與Sink節(jié)點(diǎn)建立連接.從圖1、圖2、圖3可以看出，中繼節(jié)點(diǎn)在Sink覆蓋范圍內(nèi)有3種情況：

1)圖1中繼節(jié)點(diǎn)B在H節(jié)點(diǎn)的左側(cè)；

2)圖2中繼節(jié)點(diǎn)B剛好在H節(jié)點(diǎn)的位置上；

3)圖3中繼節(jié)點(diǎn)B在H節(jié)點(diǎn)的右側(cè).

圖1　情況一(節(jié)點(diǎn)B在節(jié)點(diǎn)H左側(cè))

圖2　情況二(節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)H重合)

圖3　情況三(節(jié)點(diǎn)B在節(jié)點(diǎn)H右側(cè))

以圖1為例進(jìn)行詳細(xì)說明.假設(shè)L1，L2，…，LN對(duì)應(yīng)的吞吐量為T1，T2，…，TN,且L1>L2>…>LN,T1

1.2期望吞吐量

為了減少數(shù)據(jù)誤差，本文選用期望吞吐量ET(expect throughput)，即中繼節(jié)點(diǎn)B在Sink節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的平均吞吐量.計(jì)算圖1中B節(jié)點(diǎn)吞吐量，設(shè)pi為吞吐量為Ti時(shí)的概率，則有：

(1)

關(guān)于pi的計(jì)算具體如下：

1)設(shè)L為Sink節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)圖1并結(jié)合概率知識(shí)可得：

(2)

2)根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果，上述公式(2)可以具體表達(dá)為：

當(dāng)i≠N時(shí)，有

(3)

當(dāng)i=N時(shí)，有

(4)

其中ai,ai+1,aN-1,aN為吞吐量的變更點(diǎn).

1.3OINS算法描述

圖1和圖3是關(guān)于H點(diǎn)對(duì)稱的兩種情況，故本文在計(jì)算Sink節(jié)點(diǎn)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的吞吐量時(shí)只需要對(duì)圖1和圖2的模型進(jìn)行分析，并確定最佳中繼節(jié)點(diǎn)的位置.

設(shè)d1,d2分別是兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)B1,B2到Sink節(jié)點(diǎn)的距離,x1,x2分別為中繼節(jié)點(diǎn)B1,B2到參考節(jié)點(diǎn)H的距離，如圖4所示.求解中繼節(jié)點(diǎn)距離參考節(jié)點(diǎn)H的距離x*為最佳中繼節(jié)點(diǎn)的位置.

圖4　求解x*的分析

參考文獻(xiàn)[7]研究包的接收率q和距離d的函數(shù)關(guān)系，并根據(jù)接收率求得最佳中繼節(jié)點(diǎn)的位置，則接收率q可以表示為：

(5)

其中：r表示接收節(jié)點(diǎn)的信噪比(SNR)，f表示幀長.使用文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果，根據(jù)整體陰影模型可以得到包接收率為：

(6)

本文假設(shè)數(shù)據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長為6，確認(rèn)幀長為1，結(jié)合公式(6)可以得到q=q(d)和p=p(d).公式如下：

(7)

(8)

假設(shè)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間不存在干擾，用戶節(jié)點(diǎn)通過中繼節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳給B2節(jié)點(diǎn)，再由B2節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳給B1節(jié)點(diǎn)，最終B1節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳給Sink節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)雙跳傳輸.根據(jù)文獻(xiàn)[9]分析結(jié)果可以得到，在雙跳傳輸?shù)那闆r下端到端的吞吐量表達(dá)式為：

(9)

可以看出，TST= T(x1)，TTA= T(x2-x1).從TST和TTA可以看出，Tete= T(x1,x2)即Tete是關(guān)于x1和x2的函數(shù)，則求解出T(x1,x2)的最大值[10]就是本文所提出的OINS算法所求得的最佳中繼節(jié)點(diǎn).

1.4鏈路穩(wěn)定性

在車聯(lián)網(wǎng)鏈路中，只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)斷裂則整個(gè)鏈路就會(huì)出現(xiàn)斷裂，信息不能正常傳遞.本文結(jié)合圖5對(duì)車輛節(jié)點(diǎn)A通過中繼節(jié)點(diǎn)B達(dá)到對(duì)Sink節(jié)點(diǎn)的通信穩(wěn)定性進(jìn)行說明.

圖5　通過中繼節(jié)點(diǎn)的模型圖

設(shè)Sink節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的距離為d，車輛節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的距離為x，車輛A的保持速度VA不變，中繼節(jié)點(diǎn)保持速度VB不變且VB>VA，且A，B為同向行駛.設(shè)鏈路斷開所經(jīng)歷的相對(duì)路程為[11-13]：

D=d+x

(10)

鏈路的穩(wěn)定性值為：

L(A,B)=D/(VB-VA)=(d+x)/(VB-VA)

(11)

若路徑由N輛車組成，標(biāo)記為1到N，而穩(wěn)定性由一條鏈路中穩(wěn)定性最小的值來決定，則系統(tǒng)穩(wěn)定性高低由公式(12)進(jìn)行判斷：

S(d,D)=min{L(i,i+1),i∈[1,N-1]}(12)

2系統(tǒng)仿真

2.1性能改進(jìn)

本文考慮了一種實(shí)際狀況，即當(dāng)車輛要接入Internet而自身又不在Sink節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，只有通過中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與Sink節(jié)點(diǎn)的通信.但在Sink節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)又存在很多中繼節(jié)點(diǎn)，必須選擇出一個(gè)最佳中繼節(jié)點(diǎn)去完成與不在Sink節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信.本文提出的OINS算法通過求解公式(9)非線性優(yōu)化問題，取出了Sink節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)各個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)的最佳節(jié)點(diǎn)，以保證該節(jié)點(diǎn)能夠使車輛節(jié)點(diǎn)通過Sink節(jié)點(diǎn)達(dá)到端到端的最大吞吐量，并根據(jù)其穩(wěn)定性確定最佳的中繼節(jié)點(diǎn).

本文從以下兩個(gè)方面做了重點(diǎn)改進(jìn)：

1)由于到單一的節(jié)點(diǎn)吞吐量不能精確地描述吞吐量，因此本文引入節(jié)點(diǎn)吞吐量的期望值，使吞吐量的期望值與節(jié)點(diǎn)所在位置以及參考位置的距離產(chǎn)生聯(lián)系.

2)由于位置不同，參考距離不同，速度也不同，穩(wěn)定性也會(huì)隨之變化.因此，本文對(duì)速度和節(jié)點(diǎn)間的距離進(jìn)行綜合考慮以選出最穩(wěn)定且吞吐量最高的節(jié)點(diǎn).

2.2性能測(cè)試

為了評(píng)估OINS算法的性能，使用NS2進(jìn)行仿真.NS2環(huán)境下建立單向雙車道的高速模型，在長度為5 km的公路上平均分布100輛車.為了更接近現(xiàn)實(shí)，讓中繼節(jié)點(diǎn)和原車輛節(jié)點(diǎn)速度相差為10 km/h.本文將TST和Tete進(jìn)行對(duì)比，由圖6可以看出，在區(qū)域[56.022 2,143.977 8]范圍內(nèi)使用單跳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸吞吐量比較大，而在其他區(qū)域則是最佳節(jié)點(diǎn)的吞吐量較大.

圖6　期望吞吐量

在每個(gè)位置上取10次求出其穩(wěn)定值最后取其平均值得出圖7.因?yàn)榍蟮氖亲钚℃溌贩€(wěn)定性，因此在相對(duì)距離下節(jié)點(diǎn)多則相對(duì)距離就越小，穩(wěn)定性越高，但當(dāng)達(dá)到一定距離后這種優(yōu)勢(shì)就不存在了.因此可以看出，在[0,42.753]區(qū)域內(nèi)OINS算法求出的穩(wěn)定性相對(duì)比較高，其他區(qū)域單跳的穩(wěn)定性比較高.從上文可以得出在[0,42.753]區(qū)域內(nèi)使用OINS算法計(jì)算的最佳中繼節(jié)點(diǎn)，其他區(qū)域可以使用單跳中繼節(jié)點(diǎn).

圖7　傳輸信息穩(wěn)定性

3結(jié)語

本文基于VANETs網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合一些特殊環(huán)境，同時(shí)也參考其他研究者的模型，提出了一種最佳的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法.該算法充分考慮到節(jié)點(diǎn)通信時(shí)的吞吐量，并在此基礎(chǔ)上利用鏈路的穩(wěn)定性最終確定最佳的中繼節(jié)點(diǎn)，為車聯(lián)網(wǎng)在選擇中繼節(jié)點(diǎn)問題上給出了一個(gè)較好的解決方法.

[1]ZHAO J, ARNOLD T, ZHANG Y, et al. Extending driver-thru data access by vehicle-to-vehicle relay [C].Proceedings of the Fifth International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks，2008,72(21):66-75.

[2]FAZIO P, DE RANGE F, SOTTILE C.A new interference aware on demand routing protocol forvehicular network [J].Performance Evaluation of Computer & Telecommunication Systems,2011,3(4):98-103.

[3]ZHOU L, ZHANG Y, SONG K. Distributed mediaservices in P2P-based vehicular networks [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011,60(2):692-703.

[4]LIN B, HO P, XIE L, et al. Optimal relay station placement in IEEE 802.16j networks [C].The ACM international Wireless Communications and Mobile Computing Conference, 2007,99(26):24-30.

[5]趙海，彭海霞，朱劍，等. 基于確認(rèn)機(jī)制的車聯(lián)網(wǎng)中最佳中繼節(jié)點(diǎn)的選擇 [D]. 沈陽：東北大學(xué),2013.

[6]YU G, SU W, ANG Y H, et al. Optimal relay selection in IEEE802.16j multihop relay vehicular networks [J].IEEE Transactions on Vehicular Technolog,2010,59(5):2198-2206.

[7]ZUNIGA M, KRISHNAMACHARI B. Analyzing the transitional region in low power wireless links [C].The First Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor and Ad Hoc Communications and Networks. Santa Clara，2004,70(4): 517-526.

[8]張希元. WSN中基于跨層策略的生存周期優(yōu)化問題研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2008.

[9]KIM Y, LIU H. Infrastructure relay transmission with cooperative MIMO [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2007,56(4):2180-2188.

[10]陳純鍇，謝紅.改進(jìn)的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(2):240-243.

[11]陸克中,劉剛,陶耀東.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)的最小功耗布置算法[J]. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2011,32(6):1035-1040.

[12]吳謀,張晴.自適應(yīng)的移動(dòng)Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)貪婪地理路由協(xié)議[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2010,27(8):3124-3126.

[13]BHARDWAH M, GRANETT T, CHANDRAKASAN A P. Upper bounds on the lifetime of sensor networks[J]. Proc IEEEICC,2001,99(26):785-790.

(責(zé)任編輯穆剛)

Choosing the optimal relay node based on the stability

LI Guangyao，LI Fei, RONG Xuefang

(School of Information Security Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan 610225, China)

Abstract：In the vehicle ad hoc networks, user nodes transmit information to each other by establishing a connection between relay nodes and sink nodes, but the end-to-end throughput in the connection is always lower. To solve this problem, the method of choosing the optimal relay node based on the stability is proposed. Modeling the position of vehicles,then combining the factor of stability and selecting the best relay node, the throughput would be improved as soon as the nodes are selected by calculating.Finally, the simulation experiment is carried out, and the result shows that themethod is correct and effective, and this method improves the throughput between the nodes.

Key words：relay nodes; Sink nodes; user nodes; stability; throughput

[中圖分類號(hào)]TP393

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-8004(2016)02-0140-05

[作者簡(jiǎn)介]李廣耀(1990—)，男，河南漯河人，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)方面的研究.

[收稿日期]2015-11-04