基于穩定的車聯網最佳中繼節點選擇

李廣耀，李　飛 ，榮雪芳

(成都信息工程大學信息安全工程學院， 四川　成都　610225)

?

基于穩定的車聯網最佳中繼節點選擇

李廣耀，李飛 ，榮雪芳

(成都信息工程大學信息安全工程學院， 四川成都610225)

[摘要]在車聯網中，用戶節點通過中繼節點與Sink節點建立連接并傳輸信息時，存在端對端吞吐量較小的問題.本文提出了一種基于穩定的車聯網最佳中繼節點選擇方案，在對車輛節點的位置建立模型的基礎上，結合車輛在運行中的穩定性因素，最終通過選取最佳中繼節點來提高節點之間的吞吐量，并對該方案進行了仿真實驗.實驗證明了該方案的有效性，提高了節點間的吞吐量.

[關鍵詞]中繼節點；Sink節點；用戶節點；穩定性；吞吐量

車聯網(Vehicle Ad Hoc Networks)融合了通信、IT、汽車等領域的先進技術，是科技發展的重要產物，也是目前學術界和商界的重要研究對象.VANETs中的節點具有強大的計算和存儲能力，這些節點通過與路邊設置的Sink節點的連接實現車輛與Internet的連接.車輛通過Sink節點將自身的數據傳輸到最近的網關上，并由網關將數據傳輸到Internet網絡中[1-3]，最終實現車輛與車輛之間的通信.研究表明，當車輛將自身的數據發送給Sink節點后，在Sink節點的覆蓋范圍內，整個車載自組網中只能得到一個較低的端到端的服務性能.為解決這個問題，基于無線傳輸的多跳中繼技術被應用到上述的環境當中，對最佳中繼節點的選擇至關重要.

在對車聯網中繼節點選擇的研究方面，眾多學者提出了在不同場景下的研究成果[4,5].Lin對IEEE 802.11 網絡的研究提出了一種通過有效介質訪問控制協議來解決中繼吞吐量的效益問題，趙海等在前人的基礎上提出了基于確認機制的中繼節點選擇.但這些方案中端到端的吞吐量普遍較低且不穩定.

在綜合考慮鏈路穩定性、端到端吞吐量和通信距離這3個因素之間的關系后，本文提出一種基于穩定性的最佳中繼節點選擇OINS(optimal immobile node selection)方案.本方案首先將車輛節點、中繼節點和Sink節點構建成車聯網的集合模型，并根據端到端的吞吐量進行評估，然后再根據穩定性的算法最終確定出最佳的中繼節點的選擇，最后通過仿真實驗證明本方案比不使用中繼節點或者隨機選擇中繼節點的方案大大提高了車聯網中端到端的吞吐量.

1OINS方案步驟

1.1模型的建立

首先定義T為兩節點間的吞吐量，以節點A、B為例，若A、B兩節點傳遞Nb字符數據所用時間為t秒，那么兩節點間的TA-B值為N/t(單位b/s).圖1、圖2、圖3分別對應車聯網的3種情況，其中A為車輛用戶節點，B為中繼節點，H為Sink節點在所在公路上的投影，選取H為參考點.車輛A節點如果要接入Internet必須通過中繼節點B才能與Sink節點建立連接.從圖1、圖2、圖3可以看出，中繼節點在Sink覆蓋范圍內有3種情況：

1)圖1中繼節點B在H節點的左側；

2)圖2中繼節點B剛好在H節點的位置上；

3)圖3中繼節點B在H節點的右側.

圖1　情況一(節點B在節點H左側)

圖2　情況二(節點B和節點H重合)

圖3　情況三(節點B在節點H右側)

以圖1為例進行詳細說明.假設L1，L2，…，LN對應的吞吐量為T1，T2，…，TN,且L1>L2>…>LN,T1

1.2期望吞吐量

為了減少數據誤差，本文選用期望吞吐量ET(expect throughput)，即中繼節點B在Sink節點覆蓋范圍內的平均吞吐量.計算圖1中B節點吞吐量，設pi為吞吐量為Ti時的概率，則有：

(1)

關于pi的計算具體如下：

1)設L為Sink節點到中繼節點之間的距離，根據圖1并結合概率知識可得：

(2)

2)根據參考文獻[6]的研究結果，上述公式(2)可以具體表達為：

當i≠N時，有

(3)

當i=N時，有

(4)

其中ai,ai+1,aN-1,aN為吞吐量的變更點.

1.3OINS算法描述

圖1和圖3是關于H點對稱的兩種情況，故本文在計算Sink節點對中繼節點的吞吐量時只需要對圖1和圖2的模型進行分析，并確定最佳中繼節點的位置.

設d1,d2分別是兩個中繼節點B1,B2到Sink節點的距離,x1,x2分別為中繼節點B1,B2到參考節點H的距離，如圖4所示.求解中繼節點距離參考節點H的距離x*為最佳中繼節點的位置.

圖4　求解x*的分析

參考文獻[7]研究包的接收率q和距離d的函數關系，并根據接收率求得最佳中繼節點的位置，則接收率q可以表示為：

(5)

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

(6)

本文假設數據發送的數據幀長為6，確認幀長為1，結合公式(6)可以得到q=q(d)和p=p(d).公式如下：

(7)

(8)

假設節點與節點之間不存在干擾，用戶節點通過中繼節點把數據傳給B2節點，再由B2節點將數據傳給B1節點，最終B1節點把數據傳給Sink節點，實現雙跳傳輸.根據文獻[9]分析結果可以得到，在雙跳傳輸的情況下端到端的吞吐量表達式為：

(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是關于x1和x2的函數，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點.

1.4鏈路穩定性

在車聯網鏈路中，只要有一個節點出現斷裂則整個鏈路就會出現斷裂，信息不能正常傳遞.本文結合圖5對車輛節點A通過中繼節點B達到對Sink節點的通信穩定性進行說明.

圖5　通過中繼節點的模型圖

設Sink節點到中繼節點的距離為d，車輛節點到中繼節點的距離為x，車輛A的保持速度VA不變，中繼節點保持速度VB不變且VB>VA，且A，B為同向行駛.設鏈路斷開所經歷的相對路程為[11-13]：

D=d+x

(10)

鏈路的穩定性值為：

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

(11)

若路徑由N輛車組成，標記為1到N，而穩定性由一條鏈路中穩定性最小的值來決定，則系統穩定性高低由公式(12)進行判斷：

S(d,D)=min{L(i,i+1),i∈[1,N-1]}(12)

2系統仿真

2.1性能改進

本文考慮了一種實際狀況，即當車輛要接入Internet而自身又不在Sink節點覆蓋范圍內時，只有通過中繼節點實現與Sink節點的通信.但在Sink節點范圍內又存在很多中繼節點，必須選擇出一個最佳中繼節點去完成與不在Sink節點覆蓋范圍內節點的通信.本文提出的OINS算法通過求解公式(9)非線性優化問題，取出了Sink節點覆蓋區域內各個車輛節點的最佳節點，以保證該節點能夠使車輛節點通過Sink節點達到端到端的最大吞吐量，并根據其穩定性確定最佳的中繼節點.

本文從以下兩個方面做了重點改進：

1)由于到單一的節點吞吐量不能精確地描述吞吐量，因此本文引入節點吞吐量的期望值，使吞吐量的期望值與節點所在位置以及參考位置的距離產生聯系.

2)由于位置不同，參考距離不同，速度也不同，穩定性也會隨之變化.因此，本文對速度和節點間的距離進行綜合考慮以選出最穩定且吞吐量最高的節點.

2.2性能測試

為了評估OINS算法的性能，使用NS2進行仿真.NS2環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.為了更接近現實，讓中繼節點和原車輛節點速度相差為10 km/h.本文將TST和Tete進行對比，由圖6可以看出，在區域[56.022 2,143.977 8]范圍內使用單跳進行數據傳輸吞吐量比較大，而在其他區域則是最佳節點的吞吐量較大.

圖6　期望吞吐量

在每個位置上取10次求出其穩定值最后取其平均值得出圖7.因為求的是最小鏈路穩定性，因此在相對距離下節點多則相對距離就越小，穩定性越高，但當達到一定距離后這種優勢就不存在了.因此可以看出，在[0,42.753]區域內OINS算法求出的穩定性相對比較高，其他區域單跳的穩定性比較高.從上文可以得出在[0,42.753]區域內使用OINS算法計算的最佳中繼節點，其他區域可以使用單跳中繼節點.

圖7　傳輸信息穩定性

3結語

本文基于VANETs網絡，結合一些特殊環境，同時也參考其他研究者的模型，提出了一種最佳的中繼節點選擇算法.該算法充分考慮到節點通信時的吞吐量，并在此基礎上利用鏈路的穩定性最終確定最佳的中繼節點，為車聯網在選擇中繼節點問題上給出了一個較好的解決方法.

[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. 基于確認機制的車聯網中最佳中繼節點的選擇 [D]. 沈陽：東北大學,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化問題研究[D].沈陽：東北大學，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.改進的協作中繼節點選擇策略[J].哈爾濱工程大學學報，2012，33(2):240-243.

[11]陸克中,劉剛,陶耀東.無線傳感器網絡中繼節點的最小功耗布置算法[J]. 小型微型計算機系統,2011,32(6):1035-1040.

[12]吳謀,張晴.自適應的移動Ad hoc 網絡貪婪地理路由協議[J]. 計算機應用研究,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]TP393

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0140-05

[作者簡介]李廣耀(1990—)，男，河南漯河人，碩士，主要從事物聯網安全技術方面的研究.

[收稿日期]2015-11-04