高速公路場景下基于跨層協作的車載自組織網絡路由協議

張歡

【摘要】 本論文介紹了一種高速公路場景下基于跨層協作的車載自組織網絡路由協議（CCR），著重介紹了針對消息不同的優先級的跨層協作與分發機制，該路由協議利用了車輛的地理位置和速度信息，并保證了1）車聯網中不同類型消息具有不同的QoS要求；2）跨層協作的自適應路由機制。最后，本論文應用NS3網絡模擬軟件和ViSSIM交通流仿真軟件，對CCR協議進行仿真。結果表明，CCR路由協議較其他路由協議性能有較好的性能表現。

【關鍵詞】 高速公路 跨層協作 自適應

車載自組織網絡（Vehicular Ad hoc Network，VANET）是移動自組織網絡（Mobile Ad hoc Networks，MANET）的一個新興研究分支，基本思想是在一定通信范圍內的車輛可以相互交換各自的速率、位置等信息，并自動建立一個移動的網絡。在VANET中，利用大規模計算和無線網絡通信，可以實現車輛與車輛之間（Vehicle to Vehicle， V2V），車輛與路邊基礎設施之間（Vehicle to Infrastructure，V2I）的多跳無線通信，并為車輛提供了各種安全應用（如碰撞預警、協助交通管理等）以及非安全應用（如路況指示，娛樂等）。

一、研究背景

在車聯網中，路由協議的優劣和自適應程度，直接影響了網絡中的整體性能。由于VANET對于路由協議的研究并沒有給出一個標準或是研究方向，路由的設計還是一個很開放的課題。它們在發現路由、建立路由以及通信的初期階段往往有不錯的性能表現，但隨著節點的移動，網絡拓撲的快速變化導致路由鏈路的斷裂，性能往往會急劇下降。隨著車載全球定位系統（Global Position System，GPS）的廣泛運用，借助GPS獲取的地理位置信息而設計的位置路由（Geographic Routing，GR）逐漸發展起來。由于重大交通事故發生的場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重要。一個好的路由協議的使用，保證數據傳輸的成功率和時延要求，并控制整個網絡的負載開銷，才能保證應用能夠穩定可靠的實現。但是傳統的車聯網分層結構對路由協議的設計，僅僅依靠單一層次，很難在各種變化的網絡環境下達到安全消息極其嚴格的傳遞要求，有必要采用跨層設計，上層協議必須與下層進行有效的狀態信息交互以配合分配好網絡資源，滿足實時性和可靠性的要求。本文在此基礎上本文提出了一種跨層的結構設計，用以滿足車聯網信息傳輸中實時性和可靠性的要求。

二、CCR算法設計

根據車聯網中不同的通信需求所需的Qos不同，車聯網中的消息可以劃分為2個等級（1和2）：等級越高，表示對Qos的需求越高，消息的優先程度也就越高。

首先，在車聯網中，不同的消息種類對通信提出了不同的需求，對于高優先級消息（優先級為2的消息），如車輛碰撞預警、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，因此，實時性對于這類消息至關重要，需要進行快速、可靠的分發。但對于低優先級的消息（優先級為1的消息），如位置導航、地圖下載、車載娛樂互動等消息，這類消息對實時性的要求并沒有像高優先級消息那樣苛刻，因此，只需盡力傳輸即可?；诳鐚訁f作的路由協議（CCR），通過傳輸層與網絡層的協作，根據不同的優先級，選擇不同的路由策略，從而保證了消息能夠得到適當的處理。

CCR轉發機制

（1）需要發送消息的源車輛節點的應用層產生一個message，并在每個packet中的頭部的Destination_Priority字段標記數據包的優先級。按照CCR的優先級分類，可以標記為1或2，等級越高，消息的優先級越高。

（2）鄰居車輛節點接收到message后，將該message傳輸到網絡傳輸層，傳輸層的分類器通過查詢頭部的Destination_Priority字段，判斷該消息所處的優先級，根據不同的優先級采取不同的轉發策略

（3）若Destination_Priority為2，則該packet放入高優先級隊列，若隊列沒有滿，則進行洪泛廣播，若隊列滿，則溢出，由于高優先級消息對實時性有很苛刻的要求，所以，隊列滿后，最后到達的數據包被直接丟棄；若Destination_Priority為1，則放入低優先級隊列進行排隊，如果該隊列滿，則進行暫存，最后到達的數據包將會被放入一個緩存池里，待低優先級隊列的有空隙時，緩存池里的消息按照先進先出的原則依次進入低優先級隊列，排隊等待發送。

（4）當高優先級隊列和低優先級隊列中都有packet時，則高優先級隊列中的packet將會被優先發送出去，以確保高優先級的安全消息被及時處理，保證行車安全。

（5）若高優先級隊列中無packet，則低優先級隊列中按照先進先出的原則發送隊列中的數據包，由于在高速公路場景下，優先級為2的數據包發送的概率相比與優先級為1的數據包相對較低，如此，采用CCR既可以保證高優先級的消息可以及時轉發，又兼顧了低優先級的消息穩定持續的進行路由。

在本文設計的CCR（cross-layer cooperation routing）協議中，一個基本假設是車聯網中的車輛都配有車載射頻發射機和接收機，能夠通過裝載在車輛上的GPS獲得自身的位置、速率等相關信息。并且規定了每個車輛節點都需要維護一個鄰居節點歷史移動信息數據庫，同時也必須通過周期性地向鄰居節點廣播beacon消息來刷新自己的速度信息和位置坐標信息。當節點收到鄰居節點廣播的beacon消息后，根據時間戳在歷史移動信息數據庫中更新鄰居節點的移動信息。

節點通過周期性廣播的beacon消息交換當前所處狀態信息，beacon消息所包含的信息如下：<類型，節點ID，生存時間，位置信息，速度信息，狀態>，類型指明該消息數據包類型為beacon信息，每一個車輛節點都有其唯一的節點ID，生存時間是數據包存在的時間值，位置信息包含車輛節點的位置（x， y， z），是指其GPS坐標值，速度信息是節點的速度大小v及運動方向?，狀態表明該節點是否處于繁忙狀態，若有數據包需要轉發，則繁忙，否則空閑。

歷史移動數據庫主要包含以下內容，其中ID是鄰居節點號，（X，Y）是鄰居節點坐標位置坐標，Velocity是鄰居節點的速度信息，last update Time是該鄰居節點信息的最新更新時間，CT（connection time）是經過計算后得出的節點與該鄰居節點的預測鏈路的最大連接時間。

在CCR中，假設車輛的通信范圍為R，則在固定通信范圍R內的一對節點被認定為處于可連通狀態。但由于這兩個車輛節點具有不同的行駛速率以及不同的行駛方向，隨著兩個車輛節點的移動，兩個節點的位置也處于相對變化中，在未來的某一時刻，兩個節點間的距離將超過車輛節點覆蓋的通信范圍R，由此，這一對節點變為不連通狀態。這一段從可連通狀態到不可連通狀態的時間預測，即雙方連通性的預測。

車輛節點a和車輛節點b相距距離為r。兩點有各自不同的位置信息和速度信息。節點a位于（xa，ya，ta）處，移動速度為；節點b位于（xb，yb，tb），移動速度為。這里ta和tb分別表示節點a和節點b位置更新時刻。R為兩節點的通信距離。當r小于R時，兩節點處于連通狀態。t為當前時刻。在短時間內，節點的移動速度變化較小，為計算方便，我們假定車輛節點勻速行駛，即保持勻速行駛。則兩節點間距離r是關于時間t的函數r（t）。由于ta和tb并不相同，兩節點的位置信息更新時刻不同步，所以需要經過同步修正后使用。經同步修正后，兩節點均在ta時刻進行后續計算。

（1）低優先級消息分發機制

如圖2所示，在雙向四車道的場景下，節點S有5個鄰居節點，分別為N1，N2，N3，N4，N5。在傳輸層對消息進行分類后，若判定為低優先級消息（優先級為1的消息），則進行如圖所示的轉發過程，啟動貪婪算法選擇的結果會試圖選擇靠近通信邊緣的節點作下一跳。這樣帶來一個問題，處于通信邊緣的節點是不穩定狀態。如圖中節點N5所示情況一樣，它即將在短時間內移出之前中繼節點的通信范圍。而該中級節點無法及時知道這種情況，仍然會選擇這個“存在”的節點N5傳輸，這樣，在傳輸過程中，就會出現持續丟包情況。

低優先級轉發算法要求每個節點維護了一個鄰居節點歷史移動數據庫，連通時間由式（6）計算得出，如圖中中繼節點給出示例。考慮到傳統MANET路由信標周期在1S左右，即在1S內鄰居節點發送的位置變化，是難以獲知的。所以設置CT值可信閾值下線為1S。CT值不足1S的鄰居節點將視為不可靠節點，意味著會在短時間內有很高的可能性移出通信范圍。

（2）高優先級消息分發機制

在高速公路場景下，車輛能夠以較高的期望速率行駛，車流密度相對較小，傳輸層對數據包的優先級進行分類后，為了能夠獲得較低的時延，以及較高的可靠性，將高優先級消息（優先級為2）的數據包直接采取洪泛的方式進行廣播。由于在高速公路場景下，車輛密度相對較低，采用洪泛廣播的方式反而降低了發生廣播風暴的可能性，提高了數據包傳輸的及時性與可靠性。

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的交通場景，還可以生成可視化的交通運行狀況，并且以文件的形式輸出各種交通評價參數，是評價交通工程設計和城市規劃方案的有效工具。

NS3是一個離散事件模擬器，是一款開源軟件，由C++編寫，C++語言作為前臺，可以對網絡性能進行仿真，并且能正確地處理節點上的多重接口，使用IP地址，與因特網協議和設計更一致，和更加詳細的802.11模塊等。

3.2 仿真結果

在仿真實驗中，仿真結果展示了車輛在高速公路環境下路由的性能表現，由于我國交通法規的限制，高速公路上車速的限制在60km/h到120km/h之間，本文也據此進行了速率的設定，為了對提出的路由協議CCR進行性能分析，本文利用VISSIM生成交通流模型，并通過NS3仿真軟件對路由協議的性能進行了分析。

三個路由協議在高速公路場景下的性能表現，通過仿真結果可以看出，CCR路由協議相比于AODV與GPSR有較高的傳輸成功率以及較低的端到端延時。這是由于在高速公路場景下，CCR采用了基于跨層協作的路由協議，使得高優先級與低優先級消息都能得到合理的處理，對于低優先級消息，對CT進行了估計，剔除了不可信點，減少了鏈路斷裂的概率，對于高優先級消息，由于高速公路場景的特殊性，采取洪泛的廣播，提高了數據包成功傳輸率，所以，CCR的數據包成功傳輸率遠高于其它兩種路由協議，平均的端到端延遲也小于GPSR、AODV協議，而且隨著數據發包率的增加這種優勢愈發明顯。通過仿真結果表明，CCR較傳統基于拓撲和基于地理信息的路由有更好的傳輸成功率，而且表現出更好的穩定性。

四、結語

綜上所述，CCR算法重點在于通過傳輸層與路由層的跨層協作機制，針對不同的優先級采取了不同的路由策略。仿真結果表明，在高速公路場景下，針對車聯網不同業務的Qos需求，CCR最大程度地利用了有限的網絡資源，減少了數據傳輸延時，有效地滿足了車聯網各種業務的需求。