一種基于VANET的數字城市網絡

景偉娜

(河南城建學院計算機科學與工程系，河南 平頂山 467001)

0 引言

數字城市是以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，運用遙感、全球定位系統、地理信息系統、遙測、仿真和虛擬技術等對城市進行多分辨力、多尺度、多時空和多種類的三維描述［1］。數字城市作為城市地理信息系統的發展，可以在城市規劃與設計、城市交通管理與服務、城市信息管理與服務等方面發揮巨大的作用。在數字城市中，數據處理與存儲體系和無線網絡體系是兩個關鍵的體系，其中數據存儲技術和數據倉庫技術是數字城市體系的基礎［2］。

作為數字城市的技術支撐，無線通信網絡技術是至關重要的。目前，車載自組織網絡［3］(Vehicular Ad hoc Network，VANET)的發展，為數字城市中無線網絡的建設提供了新的技術方案。VANET是由城市里行駛中的車輛組成的移動 Ad hoc 網絡［4］(Mobile Ad hoc Network，MANET)，可用于城區交通管理、車輛間信息共享，以及車輛Internet接入等。VANET是一類特殊的MANET，與傳統MANET的區別在于其高動態的網絡拓撲結構。應用于數字城市中，VANET可以發揮高效、靈活、建網迅速、無需網絡基礎設施等優勢，能夠快速收集道路和交通信息，為數據倉庫提供信息來源。

本文提出了一種基于VANET的數字城市網絡體系結構，并通過建立概率模型，分析了VANET網絡的連通性，進一步仿真評估了貪婪地理路由(Greedy Perimeter Stateless Routing，GPSR)協議在該網絡中的性能。本文的結論可用于指導數字城市的建設和發展，具有一定的實際應用價值。

1 數字城市網絡體系結構及連通性分析

基于VANET的數字城市網絡體系結構如圖1所示。該網絡分為兩級，城市道路上的車輛及其所屬基站(Base Station，BS)通過VANET連接，構成網絡的第一級;各基站通過無線網絡控制器(Radio Network Controller，RNC)與數據倉庫(Data Warehouse，DW)連接，構成網絡的第二級，其中DW還可以接入Internet。在該網絡體系結構中，由道路上行進的車輛構成的VANET是該網絡的基礎。因此，本文研究的重點是VANET。

連通性分析是該網絡首要的基礎性問題。只有達到了較高的連通性狀態，該網絡才具有較強的存活性。如圖2所示，假設道路長度為L，存在N個車輛，令V1，V2，…，VN表示道路上的各車輛。各車輛的位置在整條道路上服從隨機分布，令Xi(i=1，2，…，N －1)表示Vi與 Vi+1之間的距離。因此，當N和L足夠大時，某段道路上的車輛數近似服從泊松分布，則任意兩個相鄰車輛之間的距離Xi服從指數分布，其累積分布函數(Cumulative Distribution Function，CDF)為

圖1 基于VANET的數字城市網絡體系結構

圖2 VANET連通性分析場景

要保證全網連通，必須滿足 Xi≤R(i=1，2，…，N－1)，其中R為車輛的通信半徑。令Pc表示全網連通的概率，則 Pc為滿足 X1≤R，X2≤R，…，XN－1≤R 的概率Prob

式(3)表明了網絡連通概率與車輛密度、通信距離之間的關系。當通信距離為250 m時，對其進行數值計算，得圖3。由圖3可知，網絡連通概率隨節點密度的增大而增大。當車輛密度達到0.07個/m時，VANET的連通概率可達100%。目前在國內大中城市，車輛密度均可達到這一數值，說明VANET具有較強的存活性。

2 VANET路由協議研究

在MANET中，傳統的基于拓撲鏈路狀態的路由協議大多通過路由探測分組全網性泛洪廣播來獲得網絡節點之間的連接關系和鏈路狀態，從而建立端到端的路由并存儲路由表。但是，端到端的路由會因路由中的一個或幾個節點的移動、失效而中斷，需要不斷地進行路由重建和維護。因此，傳統的路由協議在VANET等網絡拓撲變化快的網絡中性能下降很大。

圖3 網絡連通概率與車輛密度之間的關系

近年來，研究人員提出了基于地理位置信息的路由協議［5］。這類協議利用節點的地理位置信息進行有效的路由發現和路由維護，其中GPSR協議［6］在整個數據傳輸中不需要泛洪探測分組，不需要建立和維護端到端的基于拓撲鏈路狀態的路由，不需要存儲路由信息表，只要求每個節點準確地存儲周圍鄰居節點的位置信息即可。GPSR能夠提供很好的數據傳輸保證，同時能夠節省能量的消耗，降低節點的內存需求，具有良好的網絡可擴展性和穩健性。

GPSR采用周期性信標交換算法獲取鄰居節點的地理位置信息，并依此構建和維護鄰居節點表。當節點要發送或轉發一個數據分組時，依照鄰居節點表選擇路由。GPSR具有貪婪轉發(Greedy Forwarding)和邊界轉發(Perimeter Forwarding)兩種模式，通常情況下采用貪婪轉發，當出現路由空洞問題時采用邊界轉發。如圖4所示，當節點X需要向節點D發送分組時，X在自己的鄰居節點中，選擇距離D最近的節點Y作為下一跳節點，然后將分組發送給Y。下一跳節點也采用該策略，直到分組到達D。

圖4 GPSR協議的路由選擇

在數字城市網絡中，每個用戶都能利用GPS設備獲知自身的地理位置信息，滿足采用基于地理位置信息路由協議的先決條件。

3 仿真評估

下面將利用NS2網絡仿真平臺對GPSR協議在基于VANET的數字城市網絡中的性能進行仿真測試。首先，針對城市道路上車輛的運動規律，采用節點城區移動模型(City Section Mobility Model，CSMM)。在 CSMM 中，各節點在指定的街區地圖中運動。這里設定所有節點以相同的速度勻速、不間斷地沿道路運動。當節點運動至十字路口時，直行的概率為0.5，左轉和右轉的概率均為0.25。遇到T型路口時，向另兩支道路運動的概率均為0.5。在NS2.32中添加CSMM，并建立如圖5所示的仿真運動場景，在900m×900 m的矩形區域內，橫向和縱向各有4條道路，所有相鄰兩路口之間的間隔均為300 m，路寬忽略不計。

圖5 VANET仿真場景

其次，利用CSMM生成節點運動場景。網絡場景中設置50個節點，當節點的運動速率分別為5 m/s，7.5 m/s，10 m/s，12.5 m/s，15 m/s 時，隨機生成運動場景文件。為了保證結論的合理性，在各運動速率下均生成10個運動場景文件，仿真結束后取10次仿真結果的平均值。具體仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數設置

仿真結束后根據報文投遞率、平均端到端時延和路由開銷等3項性能指標對GPSR和AODV兩種路由協議的性能進行比較分析，并用Matlab7.0畫出性能指標圖，如圖6～8所示。

由圖6～8可得，隨著網絡中節點運動速率的增大，網絡的報文投遞率減小，平均端到端時延和路由開銷都增大。這是因為隨著節點速率的增大，整個網絡拓撲變化程度加劇，從而造成網絡各項性能指標下降。對比GPSR和AODV協議，GPSR的報文投遞率高于AODV，平均端到端時延小于AODV。對于二者的路由開銷，當節點低速運動時，GPSR的路由開銷高于AODV，但隨著節點運動速率的增大，AODV的路由開銷增大，而GPSR的路由開銷比較穩定，這是因為隨著網絡拓撲變化程度的增大，網絡中的鏈路會頻繁斷開，AODV會頻繁發送路由請求信息，而GPSR采用周期性的信標交換算法，不會帶來過大的路由負載。以上結果表明，相比按需路由協議，GPSR更適合于VANET。

4 小結

本文針對未來數字城市的建設和發展需求，提出了一種基于VANET的數字城市網絡，設計了其網絡體系結構，分析了網絡連通性，并在NS2網絡仿真平臺中建立該網絡的網絡模型，仿真分析了GPSR協議在該網絡的性能。結果表明，GPSR的性能優于AODV，能夠更好地應用于VANET。本文的研究成果對數字城市的發展具有一定的參考價值。

［1］張秋文，王乘，張勇傳，等.數字城市整體架構與關鍵技術［J］.華中科技大學學報，2001，29(7):13－15.

［2］萬劍華，劉娜，馬張寶，等.“數字城市”的空間數據庫設計方法研究［J］.測繪科學，2006，31(6):107－108.

［3］常促宇，向勇，史美林.車載自組網的現狀與發展［J］.通信學報，2007，28(11):116－126.

［4］閆少晨，馬正新，石榮.基于位置信息的大區域移動自組網MAC協議［J］.電視技術，2010，34(S2):60－72.

［5］ MAUVE M，WIDMER J，HARTENSTEIN H.A survey on position－based routing in mobile Ad－hoc networks［J］.IEEE Network，2001，15(6):30－39.

［6］ KARP B，KUNG H T.GPSR:greedy perimeter stateless routing for wireless networks［C］//Proc.IEEE MobiCom.［S.l.］:IEEE Press，2000:243－254.