高速公路場(chǎng)景下基于跨層協(xié)作的車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

張歡

【摘要】 本論文介紹了一種高速公路場(chǎng)景下基于跨層協(xié)作的車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（CCR），著重介紹了針對(duì)消息不同的優(yōu)先級(jí)的跨層協(xié)作與分發(fā)機(jī)制，該路由協(xié)議利用了車輛的地理位置和速度信息，并保證了1）車聯(lián)網(wǎng)中不同類型消息具有不同的QoS要求；2）跨層協(xié)作的自適應(yīng)路由機(jī)制。最后，本論文應(yīng)用NS3網(wǎng)絡(luò)模擬軟件和ViSSIM交通流仿真軟件，對(duì)CCR協(xié)議進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，CCR路由協(xié)議較其他路由協(xié)議性能有較好的性能表現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】 高速公路 跨層協(xié)作 自適應(yīng)

車載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad hoc Network，VANET）是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad hoc Networks，MANET）的一個(gè)新興研究分支，基本思想是在一定通信范圍內(nèi)的車輛可以相互交換各自的速率、位置等信息，并自動(dòng)建立一個(gè)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。在VANET中，利用大規(guī)模計(jì)算和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，可以實(shí)現(xiàn)車輛與車輛之間（Vehicle to Vehicle， V2V），車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間（Vehicle to Infrastructure，V2I）的多跳無(wú)線通信，并為車輛提供了各種安全應(yīng)用（如碰撞預(yù)警、協(xié)助交通管理等）以及非安全應(yīng)用（如路況指示，娛樂(lè)等）。

一、研究背景

在車聯(lián)網(wǎng)中，路由協(xié)議的優(yōu)劣和自適應(yīng)程度，直接影響了網(wǎng)絡(luò)中的整體性能。由于VANET對(duì)于路由協(xié)議的研究并沒(méi)有給出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或是研究方向，路由的設(shè)計(jì)還是一個(gè)很開(kāi)放的課題。它們?cè)诎l(fā)現(xiàn)路由、建立路由以及通信的初期階段往往有不錯(cuò)的性能表現(xiàn)，但隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓瘜?dǎo)致路由鏈路的斷裂，性能往往會(huì)急劇下降。隨著車載全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）的廣泛運(yùn)用，借助GPS獲取的地理位置信息而設(shè)計(jì)的位置路由（Geographic Routing，GR）逐漸發(fā)展起來(lái)。由于重大交通事故發(fā)生的場(chǎng)合主要是在高速路上，所以如何保證高速公路上安全消息的可靠傳遞顯得至關(guān)重要。一個(gè)好的路由協(xié)議的使用，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β屎蜁r(shí)延要求，并控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載開(kāi)銷，才能保證應(yīng)用能夠穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)。但是傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)對(duì)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)，僅僅依靠單一層次，很難在各種變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下達(dá)到安全消息極其嚴(yán)格的傳遞要求，有必要采用跨層設(shè)計(jì)，上層協(xié)議必須與下層進(jìn)行有效的狀態(tài)信息交互以配合分配好網(wǎng)絡(luò)資源，滿足實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。本文在此基礎(chǔ)上本文提出了一種跨層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用以滿足車聯(lián)網(wǎng)信息傳輸中實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

二、CCR算法設(shè)計(jì)

根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)中不同的通信需求所需的Qos不同，車聯(lián)網(wǎng)中的消息可以劃分為2個(gè)等級(jí)（1和2）：等級(jí)越高，表示對(duì)Qos的需求越高，消息的優(yōu)先程度也就越高。

首先，在車聯(lián)網(wǎng)中，不同的消息種類對(duì)通信提出了不同的需求，對(duì)于高優(yōu)先級(jí)消息（優(yōu)先級(jí)為2的消息），如車輛碰撞預(yù)警、防追尾等，這類消息往往與交通安全甚至人生安全息息相關(guān)，因此，實(shí)時(shí)性對(duì)于這類消息至關(guān)重要，需要進(jìn)行快速、可靠的分發(fā)。但對(duì)于低優(yōu)先級(jí)的消息（優(yōu)先級(jí)為1的消息），如位置導(dǎo)航、地圖下載、車載娛樂(lè)互動(dòng)等消息，這類消息對(duì)實(shí)時(shí)性的要求并沒(méi)有像高優(yōu)先級(jí)消息那樣苛刻，因此，只需盡力傳輸即可?；诳鐚訁f(xié)作的路由協(xié)議（CCR），通過(guò)傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)作，根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)，選擇不同的路由策略，從而保證了消息能夠得到適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

CCR轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

（1）需要發(fā)送消息的源車輛節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層產(chǎn)生一個(gè)message，并在每個(gè)packet中的頭部的Destination_Priority字段標(biāo)記數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)。按照CCR的優(yōu)先級(jí)分類，可以標(biāo)記為1或2，等級(jí)越高，消息的優(yōu)先級(jí)越高。

（2）鄰居車輛節(jié)點(diǎn)接收到message后，將該message傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)傳輸層，傳輸層的分類器通過(guò)查詢頭部的Destination_Priority字段，判斷該消息所處的優(yōu)先級(jí)，根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)采取不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略

（3）若Destination_Priority為2，則該packet放入高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，若隊(duì)列沒(méi)有滿，則進(jìn)行洪泛廣播，若隊(duì)列滿，則溢出，由于高優(yōu)先級(jí)消息對(duì)實(shí)時(shí)性有很苛刻的要求，所以，隊(duì)列滿后，最后到達(dá)的數(shù)據(jù)包被直接丟棄；若Destination_Priority為1，則放入低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列進(jìn)行排隊(duì)，如果該隊(duì)列滿，則進(jìn)行暫存，最后到達(dá)的數(shù)據(jù)包將會(huì)被放入一個(gè)緩存池里，待低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的有空隙時(shí)，緩存池里的消息按照先進(jìn)先出的原則依次進(jìn)入低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，排隊(duì)等待發(fā)送。

（4）當(dāng)高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列和低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中都有packet時(shí)，則高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的packet將會(huì)被優(yōu)先發(fā)送出去，以確保高優(yōu)先級(jí)的安全消息被及時(shí)處理，保證行車安全。

（5）若高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中無(wú)packet，則低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中按照先進(jìn)先出的原則發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包，由于在高速公路場(chǎng)景下，優(yōu)先級(jí)為2的數(shù)據(jù)包發(fā)送的概率相比與優(yōu)先級(jí)為1的數(shù)據(jù)包相對(duì)較低，如此，采用CCR既可以保證高優(yōu)先級(jí)的消息可以及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，又兼顧了低優(yōu)先級(jí)的消息穩(wěn)定持續(xù)的進(jìn)行路由。

在本文設(shè)計(jì)的CCR（cross-layer cooperation routing）協(xié)議中，一個(gè)基本假設(shè)是車聯(lián)網(wǎng)中的車輛都配有車載射頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，能夠通過(guò)裝載在車輛上的GPS獲得自身的位置、速率等相關(guān)信息。并且規(guī)定了每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)歷史移動(dòng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)也必須通過(guò)周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播beacon消息來(lái)刷新自己的速度信息和位置坐標(biāo)信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的beacon消息后，根據(jù)時(shí)間戳在歷史移動(dòng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中更新鄰居節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)信息。

節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性廣播的beacon消息交換當(dāng)前所處狀態(tài)信息，beacon消息所包含的信息如下：<類型，節(jié)點(diǎn)ID，生存時(shí)間，位置信息，速度信息，狀態(tài)>，類型指明該消息數(shù)據(jù)包類型為beacon信息，每一個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)都有其唯一的節(jié)點(diǎn)ID，生存時(shí)間是數(shù)據(jù)包存在的時(shí)間值，位置信息包含車輛節(jié)點(diǎn)的位置（x， y， z），是指其GPS坐標(biāo)值，速度信息是節(jié)點(diǎn)的速度大小v及運(yùn)動(dòng)方向?，狀態(tài)表明該節(jié)點(diǎn)是否處于繁忙狀態(tài)，若有數(shù)據(jù)包需要轉(zhuǎn)發(fā)，則繁忙，否則空閑。

歷史移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含以下內(nèi)容，其中ID是鄰居節(jié)點(diǎn)號(hào)，（X，Y）是鄰居節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置坐標(biāo)，Velocity是鄰居節(jié)點(diǎn)的速度信息，last update Time是該鄰居節(jié)點(diǎn)信息的最新更新時(shí)間，CT（connection time）是經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出的節(jié)點(diǎn)與該鄰居節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)鏈路的最大連接時(shí)間。

在CCR中，假設(shè)車輛的通信范圍為R，則在固定通信范圍R內(nèi)的一對(duì)節(jié)點(diǎn)被認(rèn)定為處于可連通狀態(tài)。但由于這兩個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)具有不同的行駛速率以及不同的行駛方向，隨著兩個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置也處于相對(duì)變化中，在未來(lái)的某一時(shí)刻，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離將超過(guò)車輛節(jié)點(diǎn)覆蓋的通信范圍R，由此，這一對(duì)節(jié)點(diǎn)變?yōu)椴贿B通狀態(tài)。這一段從可連通狀態(tài)到不可連通狀態(tài)的時(shí)間預(yù)測(cè)，即雙方連通性的預(yù)測(cè)。

車輛節(jié)點(diǎn)a和車輛節(jié)點(diǎn)b相距距離為r。兩點(diǎn)有各自不同的位置信息和速度信息。節(jié)點(diǎn)a位于（xa，ya，ta）處，移動(dòng)速度為；節(jié)點(diǎn)b位于（xb，yb，tb），移動(dòng)速度為。這里ta和tb分別表示節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b位置更新時(shí)刻。R為兩節(jié)點(diǎn)的通信距離。當(dāng)r小于R時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)處于連通狀態(tài)。t為當(dāng)前時(shí)刻。在短時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度變化較小，為計(jì)算方便，我們假定車輛節(jié)點(diǎn)勻速行駛，即保持勻速行駛。則兩節(jié)點(diǎn)間距離r是關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)r（t）。由于ta和tb并不相同，兩節(jié)點(diǎn)的位置信息更新時(shí)刻不同步，所以需要經(jīng)過(guò)同步修正后使用。經(jīng)同步修正后，兩節(jié)點(diǎn)均在ta時(shí)刻進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

（1）低優(yōu)先級(jí)消息分發(fā)機(jī)制

如圖2所示，在雙向四車道的場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)S有5個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，分別為N1，N2，N3，N4，N5。在傳輸層對(duì)消息進(jìn)行分類后，若判定為低優(yōu)先級(jí)消息（優(yōu)先級(jí)為1的消息），則進(jìn)行如圖所示的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，啟動(dòng)貪婪算法選擇的結(jié)果會(huì)試圖選擇靠近通信邊緣的節(jié)點(diǎn)作下一跳。這樣帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，處于通信邊緣的節(jié)點(diǎn)是不穩(wěn)定狀態(tài)。如圖中節(jié)點(diǎn)N5所示情況一樣，它即將在短時(shí)間內(nèi)移出之前中繼節(jié)點(diǎn)的通信范圍。而該中級(jí)節(jié)點(diǎn)無(wú)法及時(shí)知道這種情況，仍然會(huì)選擇這個(gè)“存在”的節(jié)點(diǎn)N5傳輸，這樣，在傳輸過(guò)程中，就會(huì)出現(xiàn)持續(xù)丟包情況。

低優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)算法要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)了一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)歷史移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，連通時(shí)間由式（6）計(jì)算得出，如圖中中繼節(jié)點(diǎn)給出示例?？紤]到傳統(tǒng)MANET路由信標(biāo)周期在1S左右，即在1S內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置變化，是難以獲知的。所以設(shè)置CT值可信閾值下線為1S。CT值不足1S的鄰居節(jié)點(diǎn)將視為不可靠節(jié)點(diǎn)，意味著會(huì)在短時(shí)間內(nèi)有很高的可能性移出通信范圍。

（2）高優(yōu)先級(jí)消息分發(fā)機(jī)制

在高速公路場(chǎng)景下，車輛能夠以較高的期望速率行駛，車流密度相對(duì)較小，傳輸層對(duì)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分類后，為了能夠獲得較低的時(shí)延，以及較高的可靠性，將高優(yōu)先級(jí)消息（優(yōu)先級(jí)為2）的數(shù)據(jù)包直接采取洪泛的方式進(jìn)行廣播。由于在高速公路場(chǎng)景下，車輛密度相對(duì)較低，采用洪泛廣播的方式反而降低了發(fā)生廣播風(fēng)暴的可能性，提高了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)募皶r(shí)性與可靠性。

三、性能仿真及分析

3.1 VISSIM以及NS3仿真工具

VISSIM 是一種微觀的、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，不僅可以完善地模擬各種真實(shí)的交通場(chǎng)景，還可以生成可視化的交通運(yùn)行狀況，并且以文件的形式輸出各種交通評(píng)價(jià)參數(shù)，是評(píng)價(jià)交通工程設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃方案的有效工具。

NS3是一個(gè)離散事件模擬器，是一款開(kāi)源軟件，由C++編寫，C++語(yǔ)言作為前臺(tái)，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真，并且能正確地處理節(jié)點(diǎn)上的多重接口，使用IP地址，與因特網(wǎng)協(xié)議和設(shè)計(jì)更一致，和更加詳細(xì)的802.11模塊等。

3.2 仿真結(jié)果

在仿真實(shí)驗(yàn)中，仿真結(jié)果展示了車輛在高速公路環(huán)境下路由的性能表現(xiàn)，由于我國(guó)交通法規(guī)的限制，高速公路上車速的限制在60km/h到120km/h之間，本文也據(jù)此進(jìn)行了速率的設(shè)定，為了對(duì)提出的路由協(xié)議CCR進(jìn)行性能分析，本文利用VISSIM生成交通流模型，并通過(guò)NS3仿真軟件對(duì)路由協(xié)議的性能進(jìn)行了分析。

三個(gè)路由協(xié)議在高速公路場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)，通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，CCR路由協(xié)議相比于AODV與GPSR有較高的傳輸成功率以及較低的端到端延時(shí)。這是由于在高速公路場(chǎng)景下，CCR采用了基于跨層協(xié)作的路由協(xié)議，使得高優(yōu)先級(jí)與低優(yōu)先級(jí)消息都能得到合理的處理，對(duì)于低優(yōu)先級(jí)消息，對(duì)CT進(jìn)行了估計(jì)，剔除了不可信點(diǎn)，減少了鏈路斷裂的概率，對(duì)于高優(yōu)先級(jí)消息，由于高速公路場(chǎng)景的特殊性，采取洪泛的廣播，提高了數(shù)據(jù)包成功傳輸率，所以，CCR的數(shù)據(jù)包成功傳輸率遠(yuǎn)高于其它兩種路由協(xié)議，平均的端到端延遲也小于GPSR、AODV協(xié)議，而且隨著數(shù)據(jù)發(fā)包率的增加這種優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。通過(guò)仿真結(jié)果表明，CCR較傳統(tǒng)基于拓?fù)浜突诘乩硇畔⒌穆酚捎懈玫膫鬏敵晒β?，而且表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，CCR算法重點(diǎn)在于通過(guò)傳輸層與路由層的跨層協(xié)作機(jī)制，針對(duì)不同的優(yōu)先級(jí)采取了不同的路由策略。仿真結(jié)果表明，在高速公路場(chǎng)景下，針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)不同業(yè)務(wù)的Qos需求，CCR最大程度地利用了有限的網(wǎng)絡(luò)資源，減少了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，有效地滿足了車聯(lián)網(wǎng)各種業(yè)務(wù)的需求。