一种车载自组织网络中基于道路拓扑感知路由方法

摘要

本发明提出了一种适用于车载自组织网络的路由方法，涉及车载无线网络技术领域，本路由方法分为将路由分为两个阶段，首先源节点产生L个副本，第一个执行副本分发策略，根据当前道路拓扑确定副本传输方向和副本分发个数；第二个阶段选择效用值高的节点携带副本，效用值根据当前车辆的速度、运动方向、距离目的节点的距离组成效用函数计算而来；并提出了邻居节点连接时间预测函数，用于减少网络中频繁发送的hello包。本路由方法提高了数据投递率，减小了时延和开销，增强了数据包转发的稳定性、及时性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及车载无线网络技术领域，具体是一种车载自组织网络路由方法。 

背景技术

车载自组织网络（VANET）是移动自组织网络（MANET）中的一种。VANET网络因为它独特的应用环境，存在着许多MANET网络所不具备的特征，如快速移动的车辆节点、车辆移动受道路条件以及驾驶者行为影响等。这些特征使得MANET的通信体系结构很难在VANET网络中有让人满意的表现。在MANET网络中使用的网络协议要么在VANET中效率低下，要么根本就不可利用。因此，VANET网络需要设计一套适合自身特征的通信体系结构。 

车载自组织网络是移动自组织网络的重要应用，但车载自组织网络传输环境恶劣，路由技术一直是其研究的重点和难点。VANET传输环境恶劣，一般的MANET的路由协议在VANET中表现极差。机会路由能够处理网络分裂、时延等无线网络技术难以解决的问题，能满足恶劣条件下的网络通信需要，其主要应用于缺乏通信基础设施、网络环境恶劣以及应对紧急突发事件的场合。将其用于车载网络将会大大提高VANET路由的性能指标。 

SprayandWait是一种经典的多副本机会路由算法，该算法分为两个阶段。Spray阶段，源节点中的部分数据包被扩散到邻居节点；Wait阶段，若Spray阶段没有发现目标节点，包含数据包的节点以DirectDelivery方式将数据包传送到目标节点。Spray-and-focus算法是根据Sprayandwait算法改进，性能更加优于Sprayandwait算法。该算法在Spray阶段与Sprayandwait路由保持一致。在wait阶段，节点不再等待直到目的节点出现将数据包传给目的节点，而是选择效用值更大的节点来携带数据包以便能很快达到目的地，其中效用值一般用节点的移动性来衡量。SprayandWait与Spray-and-focus都是基于无线自组织网络中的路由算法，在Spray阶段没有考虑到车载自组织网络独特的传输环境（传输形状呈带状、传输环境恶劣），如果直接将其用于车载自组织网络中会出现时延大、丢包率高等问题。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，对传统的多副本机会路由进行改进，提出一种车载自组织网络中基于道路拓扑感知的路由方法。 

本发明解决上述技术问题的技术方案是：提出一种车载自组织网络中基于道路拓扑感知的路由方法，用于解决提高端到端通信的可靠性，减少机会路由获取链路状态信息的时延和开销。将路由分为两个阶段，首先源节点产生L个副本，第一个阶段spray阶段，即副本分发策略，根据当前道路拓扑确定副本传输方向和副本分发个数；第二个阶段forward阶段， 根据当前车辆的速度、运动方向、距离目的节点的距离，确定邻居节点连接时间预测函数，用于减少网络中频繁发送的hello包。本路由协议提高了数据投递率，减小了时延和开销，增强了数据包转发的稳定性、及时性和可靠性。具体包括如下步骤： 

车载自组织网络中节点通过周期性的hello报文交互建立邻居列表；如果有缓存中数据包等待发送，判断数据包的副本数，如果副本数大于1，根据当前道路拓扑确定副本传输方向和副本分发个数；如果副本数等于1，根据当前车辆的移动性、距离目的节点的距离组成效用函数计算效用值，选择效用值高的节点携带副本；如果没有数据包发送，计算与邻居连接时间t，如果连接时间t＜t_{hello_interval}，将该邻居信息冲邻居列表中删除。 

根据当前道路拓扑确定副本传输方向和副本分发个数具体包括：源节点产生L个副本，当遇到其他节点，判断其他节点的运动方向；源节点传一半副本数的数据包给运动方向不同的节点，如源节点与其他节点的运动方向相同，如其他节点的速度高于源节点，源节点将数据包全部传送给该其他节点；如源节点的速度高于其他节点，源节点自己携带数据包，等待时机转发；直到节点中的副本数只剩一个。根据当前携带副本节点速度、运动方向、目的距离调用公式：$w=\lambda \frac{-1}{\ln \left(\frac{1}{D-R+1}\right)}+\mu \frac{V_{\mathrm{nb}}-V_{\mathrm{my}}}{\bar{V}}(D>R)$计算效用值，其中，R表示节点传输范围，D表示节点到目的节点的距离，V_nb表示邻居节点的速度，V_my表示节点自己的速度，表示节点周围车辆的平均速度，λ,μ为影响因子的权重调节因子。根据公式计算与邻居节点的连接时间，其中，r_max表示最大通信范围，s表示当前车辆间的距离。v表本源节点的速度，v_n表示邻居节点的速度。 

本发明提出了一种适用于车载自组织网络的路由方法，本路由方法分为将路由分为两个阶段，首先源节点产生L个副本，第一个阶段spray阶段，即副本分发策略，根据当前道路拓扑确定副本传输方向和副本分发个数；第二个阶段forward阶段，选择效用值高的节点携带副本，效用值根据当前车辆的速度、运动方向、距离目的节点的距离组成效用函数计算而来；并提出了邻居节点连接时间预测函数，用于减少网络中频繁发送的hello包。本路由方法提高了数据投递率，减小了时延和开销，增强了数据包转发的稳定性、及时性和可靠性 

附图说明

图1为本发明处理流程图； 

图2为hello包间隔内邻居节点切出通信范围； 

图3为路由在spray阶段消息发送流程图； 

图4为路由在forward阶段方向效用计算说明图。 

具体实施方式

车载自组织网络是移动自组织网络的重要应用，但车载自组织网络传输环境恶劣，路由技术一直是其研究的重点和难点。机会路由能够处理网络分裂、时延等无线网络技术难以解决的问题，能满足恶劣条件下的网络通信需要，其主要应用于缺乏通信基础设施、网络环境恶劣以及应对紧急突发事件的场合。将其用于车载网络将会大大提VANET路由的性能指标。 

将路由分为两个阶段，首先源节点产生L个副本，第一个阶段spray阶段，即副本分发策略，根据当前道路拓扑确定副本传输方向和副本分发个数；第二个阶段forward阶段，根据当前车辆的速度、运动方向、距离目的节点的距离组成效用函数计算效用值，选择效用值高的节点携带副本，确定邻居节点连接时间预测函数，用于减少网络中频繁发送的hello包。本路由协议提高了数据投递率，减小了时延和开销，增强了数据包转发的稳定性、及时性和可靠性。具体包括如下步骤： 

（1）车载自组织网络中节点通过周期性的hello报文交互建立邻居列表。收到邻居广播的hello包，更新邻居列表信息。 

（2）查看数据包缓存。如果有数据包等待发送，判断数据包的副本数，如果副本数大于1，根据当前道路拓扑确定副本传输方向和副本分发个数；如果副本数等于1，根据当前车辆的速度、运动方向、距离目的节点的距离组成效用函数计算效用值，选择效用值高的节点携带副本。 

（3）如果没有数据包发送，计算与邻居连接时间t。分为四种情况：邻居节点在本节点的前方且v_n＞v与邻居节点在本节点的后方且v_n＜v，这两种情况可以用公式计算剩余连接时间；邻居节点在本节点的前方且v_n＜v与邻居节点在本节点的后方且v_n＞v，则根据公式计算剩余连接时间。如果连接时间t＜t_{hello_interval}（t_{hello_interval}表示hello包的发送间隔），表示在邻居会在下次取得联系时已经切出了本节点的范围，将该邻居信息从邻居列表中删除。 

采用的Spray阶段算法可采用如下步骤： 

（1）车载自组织网络节点调用邻居列表，如果目的节点在邻居内直接传递一份给目的节点，删除所有副本；如果自己的邻居位置与目的节点距离小于传输范围R，传递一份给邻居节点，删除所有副本。 

（2）邻居是否有与自己运动方向不同的节点。如果邻居没有与自己运动方向不同的节点方向 有判断邻居移动性将全部副本传递给有最高移动性的节点；如果邻居有两种方向的车辆与传递一半的副本给不同方向移动性高的节点；如果邻居有三种以上不同方向的车辆判定其优先级，运动方向与目的节点夹角小于90°的邻居优先获得一半的副本数，如果不止一个小于90°的方向，具有较高移动性的优先获得一半的副本，优先级考虑完以后如果还剩有大于1的副本，转发给大于90°的节点，仍然按移动优先级转发优先级。 

（3）反复重复以上过程，直到携带副本数只有一个时进入forward阶段。 

forward阶段算法可具体采用如下步骤： 

（1）调用自己的邻居列表，如果邻居有在目的节点传输范围内的节点，优先传递给它，结束包发送的所有进程。 

（2）如果邻居没有在目的节点传输范围内的节点，判定运动方向。如果所有邻居节点（包括自己）的运动方向与目的节点的位置方向夹角大于90°，选择移动性高的车辆进行转发。 

（3）如果邻居有与目的节点位置方向夹角大于90°的节点。启用效用值算法 $w=\lambda \frac{-1}{\ln \left(\frac{1}{D-R+1}\right)}+\mu \frac{V_{\mathrm{nb}}-V_{\mathrm{my}}}{\bar{V}}(D>R).$选择效用值高的节点携带副本。 

（4）重复以上过程直到数据包的到达目的节点，或者数据包的TTL(timetolive)为零。 

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本文的实施方式进行详细说明。 

如图1为本发明处理流程图。 

步骤一：节点在开机或重启后，通过GPS系统获取自身的位置信息，在整个路由方法流程中周期性地向邻居广播HELLO包告知自己的位置，并通过接收邻居节点的HELLO包更新邻居信息。通过邻居节点信息，根据自己的位置和邻居节点的关系，判定自己的节点类型。HELLO包有固定的格式，包括如下字段： 

（1）type字段用于区分不同的分组类型； 

（2）ID字段表示节点id号； 

（3）X、Y、分别表示当前节点在地图上的位置信息； 

（4）Dx、dy分别表示当前节点在x方向和y方向上的速度； 

（5）time字段表示Hello报文的更新时间。 

当前的大多数路由一般依靠信息交互（hello消息）了解其邻居状态并选择合适的下一跳节点，如aodv、gpsr等经典路由协议。这些路由在车载网络节点高速运动的情况下需要实时的更新邻居节点的位置，否则会降低传输投递率。本发明采用连接时间估计，如图2 

（1）当节点1收到节点2的hello消息后立即更新节点2的速度、位置、方向信息。 

（2）查看数据包缓存。如果有数据包等待发送，判断数据包的副本数，如果大于1说明在spray阶段，调用spray阶段数据分发的算法；如果等于1调用车forward阶段的效用值算法。图4为路由在forward阶段方向效用计算说明图。 

（3）根据计算公式估计节点2的连接时间。经过时间t后立刻删除节点2，由于此时是hello消息包间隔期，这样就避免了在hello消息包间隔期，如果需要发送数据包，节点1没有来得及更新节点2的位置，造成了数据包的丢失。 

步骤二：考虑车载自组织网络的独特运动环境我们将sprayandfocus路由改进，在spray andwait路由协议的Spray阶段，有两种副本散发的方式：源散发(sourcespraying)和二分法散发（binaryspraying），二分法散发是在独立同分布（IndependentlyandIdentically Distribute，IID）的移动模型中最优的算法。能够以最短的时间，最小的转发次数将数据包散发到网络中。我们的路由协议类似二分法，如图3在一个正方形场景中，一节点传输范围：（1）在spray阶段源节点产生L个副本，当遇到其他节点，首先判断节点的运动方向，运动方向不同的节点传一半的数据包给它；这里道路拓扑是一条直路所以副本分为前后2个方向传输。 

（2）如若运动方向相同，判断其移动性，如若其移动性高于自己，将数据包全部传送给该节点； 

（3）如若自己的移动性高于邻居，且没有运动方向不同的节点，自己携带数据，等待时机转发。 

（4）如果收到重复副本，立刻丢弃它。在spray阶段反复执行上述过程直到节点中的副本数只剩一个，就进入forward阶段。 

在forward阶段当遇到其他节点，如果携带节点自己是向目的节点运动的节点，仅当遇到节点移动性大于携带车辆才转发给它；只有如果遇到节点是向目的节点运动的节点，直接传递给向目的节点运动的节点；如果遇到的节点没有向目的节点运动，判断其效用值W，如果遇到节点的效用值大于携带节点，将数据包转发给遇到的节点，否则自己携带伺机转发。 

本发明在spray阶段我们并不是遇到所有节点都进行喷射，而是选择方向不同于携带副本的节点，而且当遇到运动方向相同移动性优于携带节点将副本全数转发。我们这样的spray方式是跟据车载自组织网络独特的运动环境，因为车辆在一条道路上只有两个运动方向，如果每个车携带车辆都携带副本并会造成副本的浪费。 

步骤三：在稀疏网络中，可能当前携带副本的节点找不到适合转发的下一跳，此时运动方向与目的节点所在的方向一致性较高的节点更高的效用值。如图4，节点A传输范围内有 节点B、节点C，运动方向如箭头指示。的方向与节点A和目的节点D的连线的夹角为α， 的方向与节点A和目的节点D的连线的夹角为β。通过计算我们夹角α更小说明节点B的运动方向与目的节点所在方向一致，所以我们在spray阶段优先考虑把副本数传递一半给节点B，如果还有剩余副本再传递给节点C，在forward阶段我们也考虑优先把副本传递给运动方向与目的节点所在方向一致的节点。 

步骤四：本发明在spray阶段效用值只跟车辆的运动方向和移动性有关，移动性直接用速度大小衡量。在forward阶段我们根据当前携带副本节点运动方向、移动性、与目的距离三个因素共同决定，我们的效用值计算公式：$w=\lambda \frac{-1}{\ln \left(\frac{1}{D-R+1}\right)}+\mu \frac{V_{\mathrm{nb}}-V_{\mathrm{my}}}{\bar{V}}(D>R)$其中R表示节点传输范围，D表示节点到目的节点的距离，V_nb表示邻居节点的速度，V_my表示节点自己的速度，表示节点周围车辆的平均速度，λ,μ为影响因子的权重调节以便单位归一化。该算法的特点是离目的节点越近越看重距离影响因素，离目的节点越远越看重移动性影响因素。这符合车载网络的实际场景，因为离目的节点越远我们宁愿选择移动性好的车辆携带副本，才能更快的携带信息到目的节点并且可以减少路由跳数。移动性影响因子包括比较自己的速度与邻居的速度和当前通信范围的的平均速度，值得注意的是当邻居节点速度小于自己时移动性影响因子为负值，计算自己的移动性因子值为零。