基于加權(quán)的具有相同移動(dòng)特性的車載自組網(wǎng)分簇算法

李 雪, 南建國

(1.空軍工程大學(xué)研究生院，西安，710038；2.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安，710038)

隨著機(jī)動(dòng)車、無線通信的不斷發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)也得到了迅猛發(fā)展。車載自組織網(wǎng)絡(luò)[1]作為車輛網(wǎng)的一個(gè)分支，應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中的安全預(yù)警、協(xié)助駕駛中。在軍事應(yīng)用方面，它可以很好地提升作戰(zhàn)車隊(duì)在通信、指揮控制和安全管理等方面的性能，提高作戰(zhàn)效率。

車載自組織網(wǎng)絡(luò)[2](Vehicular Ad-Hoc Network, VANET)是一種無中心、自組織、結(jié)構(gòu)開放的車輛間通信網(wǎng)絡(luò)。車載自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由分為平面路由和分級(jí)路由[3-5]，分簇算法就是車載自組網(wǎng)實(shí)施分級(jí)路由采取的重要方法。目前，很多學(xué)者對(duì)分簇算法進(jìn)行了改進(jìn)。如文獻(xiàn)[6]將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為不同等級(jí)，但簇頭的選舉只考慮了能量一個(gè)因素，未考慮簇頭節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)成員的移動(dòng)性和距離因素。文獻(xiàn)[7]選擇鄰居節(jié)點(diǎn)多、與簇內(nèi)大部分成員運(yùn)動(dòng)方向相同且移動(dòng)速度慢的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，簇頭節(jié)點(diǎn)比較穩(wěn)定，若簇內(nèi)大多數(shù)成員移動(dòng)速度較快會(huì)導(dǎo)致簇成員的離開非常頻繁。文獻(xiàn)[8]選舉簇頭時(shí)采用“相對(duì)典型節(jié)點(diǎn)度”來衡量節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，但沒有考慮節(jié)點(diǎn)之間的距離因素。文獻(xiàn)[9～10]在考慮簇頭節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的距離因素時(shí)采用平均距離，這樣不能剔除部分極端節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[11～12]選舉簇頭時(shí)沒有考慮簇頭節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)成員的距離因素，可能造成簇頭節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)。文獻(xiàn)[13]使用多普勒頻移計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)移動(dòng)速度，但在選擇簇首時(shí)只考慮了節(jié)點(diǎn)的鏈路維持時(shí)間。

針對(duì)上述問題，本研究考慮作戰(zhàn)車輛的移動(dòng)特性問題，將具有速度相似度和距離相似度的作戰(zhàn)車輛劃分為一個(gè)簇，提高了簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止因作戰(zhàn)車輛因速度、方向、距離等問題頻繁的離開或加入簇而帶來的廣播開銷，降低作戰(zhàn)效率。通過對(duì)節(jié)點(diǎn)的速度因子、距離因子和平均鏈路維持時(shí)間進(jìn)行加權(quán)，選舉出權(quán)值最大的作戰(zhàn)車輛作為首要簇頭，權(quán)值第2大的作戰(zhàn)車輛作為次要簇頭。首要簇頭處于活躍狀態(tài)時(shí)，次要簇頭處于休眠狀態(tài)，屬于簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)；當(dāng)首要簇頭失效時(shí)，次要簇頭處于活躍狀態(tài)，充當(dāng)首要簇頭，避免了因競(jìng)爭(zhēng)簇頭帶來的時(shí)延差從而提高通信質(zhì)量。

1 分簇

在傳統(tǒng)的車載自組織網(wǎng)絡(luò)分簇算法中，一般用節(jié)點(diǎn)的速度差和平均速度來體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性，但只考慮這2個(gè)因素對(duì)移動(dòng)特性的影響不夠合理。本文通過對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度和方向進(jìn)行計(jì)算，采用速度差的標(biāo)準(zhǔn)差來體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性。根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度相似度和距離相似度對(duì)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，選擇具有相同移動(dòng)特性且距離相近的節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)分簇。若在一個(gè)分簇中簇成員過少，則網(wǎng)絡(luò)中的簇頭就會(huì)增加，孤立節(jié)點(diǎn)也會(huì)增多；若在一個(gè)分簇中簇成員過多，則簇頭節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)會(huì)加大，且與相鄰簇頭進(jìn)行信息傳遞時(shí)會(huì)增大跳數(shù)。因此，需要平衡每個(gè)分簇中簇成員的大小。本文規(guī)定每個(gè)分簇中的簇成員的最大閾值為nmax。

1.1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度相似度

節(jié)點(diǎn)i為節(jié)點(diǎn)j的一跳通信范圍內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)的速度相似度可以用速度差的標(biāo)準(zhǔn)差來反映。標(biāo)準(zhǔn)差[14]是節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)速度平均值離散程度的一種衡量，標(biāo)準(zhǔn)差的值越大，表示大部分節(jié)點(diǎn)的速度和平均速度的差異越大，標(biāo)準(zhǔn)差的值越小，表示大部分節(jié)點(diǎn)的速度越接近速度的平均值。

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向作為x軸，以x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°作為y軸。則節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j在x軸和y軸的速度差由下面的公式表示：

ΔVjx=Vjx-Vix=Vjcosβj-Vicosθi

(1)

ΔVjy=Vjy-Viy=Vjsinβj-Visinθi

(2)

式中：βj為節(jié)點(diǎn)j與x軸的夾角；θi為節(jié)點(diǎn)i與x軸的夾角。

設(shè)節(jié)點(diǎn)j一跳通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)i有N個(gè)，則節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)i在x軸和y軸上的平均速度差表示為：

(3)

(4)

節(jié)點(diǎn)j速度的相似度由節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)i在x軸和y軸的速度差的標(biāo)準(zhǔn)差表示為：

(5)

(6)

由勾股定理可以求出節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)i的速度差的標(biāo)準(zhǔn)差為：

(7)

若標(biāo)準(zhǔn)差δjv的值小于速度閾值q，則節(jié)點(diǎn)j與其鄰居節(jié)點(diǎn)具有運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的相似性。

1.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離相似度

節(jié)點(diǎn)i為節(jié)點(diǎn)j的一跳通信范圍內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)的距離相似度用距離差的標(biāo)準(zhǔn)差來反映。

(8)

式中：dji表示節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)i通過GPS獲取的距離值。

(9)

若標(biāo)準(zhǔn)差的值δjd小于距離閾值p，則表明節(jié)點(diǎn)j與其鄰居節(jié)點(diǎn)的距離相近，即具有距離的相似性。

如果速度標(biāo)準(zhǔn)差大于速度閾值q，則需要舍棄與節(jié)點(diǎn)j速度差最大的鄰居節(jié)點(diǎn)i,若還大于q，依次類推進(jìn)行舍棄直到滿足條件。同理，如果距離標(biāo)準(zhǔn)差大于距離閾值p,則需要舍棄與節(jié)點(diǎn)j距離差最大的鄰居節(jié)點(diǎn)i，若依然大于p，依次類推進(jìn)行舍棄直到距離標(biāo)準(zhǔn)差小于p。只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)的速度標(biāo)準(zhǔn)差和距離標(biāo)準(zhǔn)差同時(shí)滿足小于速度閾值和距離閾值時(shí)，則節(jié)點(diǎn)j與其鄰居節(jié)點(diǎn)i才成為相似節(jié)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)i是相似節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)s是相似節(jié)點(diǎn)，那么節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)s也是相似節(jié)點(diǎn)，即相似節(jié)點(diǎn)具有傳遞性。所有的相似節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)分簇，且每個(gè)簇的簇成員小于等于nmax。若簇成員大于nmax，則需要剔除與節(jié)點(diǎn)j速度差和距離差之和最大的鄰居節(jié)點(diǎn)，直到滿足簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)小于等于nmax。

2 選舉簇頭

在傳統(tǒng)的分簇算法中，一般選擇簇頭只是片面地考慮一個(gè)因素，且只是選舉一個(gè)相對(duì)最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，一旦選舉的簇頭因移動(dòng)速度過快或其他因素離開該簇時(shí)，需要進(jìn)行簇頭的重新選舉，這樣會(huì)因?yàn)檠娱L(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延而降低效率。文中對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度相似度、距離相似度、平均鏈路維持率進(jìn)行加權(quán)，選舉雙簇頭。

2.1 速度輔助因子

選舉簇頭的節(jié)點(diǎn)不僅要考慮它與周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的速度是否相似，還應(yīng)考慮該節(jié)點(diǎn)的加速度，選擇加速度相對(duì)較小即速度變化緩慢的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。很多分簇算法在選舉簇頭時(shí)沒有考慮節(jié)點(diǎn)的加速度，導(dǎo)致簇頭移動(dòng)速度變化很快而離開該簇，加大路由開銷。在軍事作戰(zhàn)時(shí)，簇頭的選舉舉足輕重，因此在本文中將速度與加速度結(jié)合作為選舉簇頭的一個(gè)權(quán)值。節(jié)點(diǎn)j加速度由下式表示：

(10)

式中：Vjt1、Vjt2分別表示節(jié)點(diǎn)j在t1、t2時(shí)刻通過GPS獲取的速度值。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)i的速度差體現(xiàn)的是速度的相似性，標(biāo)準(zhǔn)差是為了剔除極端值，加速度是為了考慮節(jié)點(diǎn)在下一時(shí)刻的移動(dòng)大小，經(jīng)過歸一化處理，速度輔助因子表示為:

(11)

2.2 距離輔助因子

在軍事作戰(zhàn)時(shí)還需要考慮節(jié)點(diǎn)j與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，這樣選舉的簇頭可以縮短時(shí)延，提高效率。經(jīng)過歸一化處理，距離輔助因子表示為：

H2=e-(δjd+dj-end)

(12)

式中：dj-end表示節(jié)點(diǎn)j與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離。

2.3 平均鏈路維持率

ΔVx=Vicosα+Vj

(13)

ΔVy=Vi|sinα|

(14)

圖1 某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)i的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

ΔVx=|Vicos|α-π|-Vj|

(15)

ΔVy=Visin|α-π|

(16)

勾股定理求得節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)i的相對(duì)速度為：

(17)

假設(shè)Tji表示的是節(jié)點(diǎn)j與節(jié)點(diǎn)i的鏈路維持時(shí)間，則在鏈路維持時(shí)間內(nèi)兩節(jié)點(diǎn)在x軸和y軸方向上的相對(duì)移動(dòng)距離表示為：

Δdx=ΔVxTji

(18)

Δdy=ΔVyTji

(19)

由勾股定理，可以求得2個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)移動(dòng)距離為：

(20)

由圖1可知，節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)i維持在通信范圍內(nèi)距離差滿足：

(21)

式中：r為節(jié)點(diǎn)j的通信半徑。

因此，可求得節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)i的最大鏈路維持時(shí)間，見式(22)：

(22)

根據(jù)上述方法可以求出節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路維持時(shí)間和最大鏈路維持時(shí)間，并取其平均值：

(23)

(24)

經(jīng)過歸一化處理，平均鏈路的維持率表示為：

(25)

2.4 聯(lián)合度量指標(biāo)

由上述過程得到了節(jié)點(diǎn)j與鄰居節(jié)點(diǎn)i的速度輔助因子、距離輔助因子和平均鏈路維持率，對(duì)這3種因素進(jìn)行加權(quán)求和。根據(jù)節(jié)點(diǎn)權(quán)重分簇算法(Weighted Clustering Aorithm,WCA)[15]綜合考慮這3個(gè)因素得到的復(fù)合權(quán)值如下：

Mi=ω1H1+ω2H2+ω3H3

(26)

式中：ω1、ω2、ω3的取值范圍在0和1之間，并且滿足ω1+ω2+ω3=1，具體大小根據(jù)實(shí)際情況取值。

依次計(jì)算簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的Mi，取Mi值最大的作為首要簇頭，取Mi值第2大的作為次要簇頭。選取次要簇頭的目的是當(dāng)首要簇頭失效時(shí)，次要簇頭立即充當(dāng)首要簇頭，避免了因競(jìng)爭(zhēng)簇頭帶來的時(shí)延差，且頻繁的簇頭輪換會(huì)產(chǎn)生額外的廣播開銷。

3 分簇算法及維護(hù)

3.1 分簇算法

本文在傳統(tǒng)分簇算法的基礎(chǔ)上，綜合考慮了作戰(zhàn)車輛的速度輔助因子、距離輔助因子和平均鏈路維持時(shí)間，并進(jìn)行加權(quán)，選取權(quán)值最大的節(jié)點(diǎn)作為首要簇頭，權(quán)值第二大的作為次要簇頭。分簇算法的具體步驟如下所示：

步驟1網(wǎng)絡(luò)初始化階段，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)廣播自己的hello(infor)包，infor是節(jié)點(diǎn)的基本信息，包含ID號(hào)、位置信息、方向角、速度等。所有節(jié)點(diǎn)周期性的向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自己的hello信息。節(jié)點(diǎn)得到鄰居節(jié)點(diǎn)的hello包，根據(jù)式(1)～(7)計(jì)算與相鄰節(jié)點(diǎn)的δjv值。若δjv小于閾值q，則該節(jié)點(diǎn)與所有鄰居節(jié)點(diǎn)具有速度相似度；反之剔除與該節(jié)點(diǎn)速度差最大的鄰居節(jié)點(diǎn)，重新計(jì)算直到滿足δjv小于閾值q。

步驟2根據(jù)式(8)～(9)計(jì)算與相鄰移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離相似度，若δjd小于閾值p，則該節(jié)點(diǎn)與所有鄰居節(jié)點(diǎn)具有距離相似度；反之剔除與與該節(jié)點(diǎn)距離差最大的鄰居節(jié)點(diǎn)，并重新計(jì)算δjd的值，直到小于閾值p。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)同時(shí)滿足速度和距離的相似度時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)是關(guān)系節(jié)點(diǎn)，并將鄰居節(jié)點(diǎn)的信息存儲(chǔ)在自己的關(guān)系列表中。所有的關(guān)系節(jié)點(diǎn)就形成了一個(gè)分簇。

步驟3節(jié)點(diǎn)收集鄰居節(jié)點(diǎn)的hello信息，通過連續(xù)2次獲得的速度信息計(jì)算出鄰居節(jié)點(diǎn)的加速度，根據(jù)式(10)～(11)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的速度輔助因子。

步驟4節(jié)點(diǎn)通過接收目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的hello信息，并結(jié)合自身的位置信息計(jì)算出與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離。通過式(12)得到該節(jié)點(diǎn)的距離輔助因子。

步驟5以該節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向作為x軸，并根據(jù)與鄰居節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置和運(yùn)行方向通過式(13)～(25)得到該節(jié)點(diǎn)的平均鏈路維持率。

步驟6通過權(quán)重函數(shù)計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的權(quán)重因子Mi，并與該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的權(quán)重因子進(jìn)行比較，選取權(quán)重因子最大的值作為PCH，權(quán)重因子第二大的值作為SCH。PCH為簇內(nèi)成員分配TDMA時(shí)隙，簇內(nèi)成員只在被分配的時(shí)隙內(nèi)將信息發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，其余時(shí)間則處于休眠狀態(tài)。

步驟7重復(fù)步驟1～6，直到作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都確定了自己是普通節(jié)點(diǎn)或是簇頭節(jié)點(diǎn)為止。

3.2 簇維護(hù)機(jī)制

當(dāng)作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的所有車輛節(jié)點(diǎn)都完成分簇后，由于節(jié)點(diǎn)無規(guī)則且劇烈的運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成移動(dòng)節(jié)點(diǎn)加入新簇或離開原來的簇，甚至?xí)沟檬滓仡^或次要簇頭的更新，增大路由的開銷。因此，采取一種合理有效的簇維護(hù)機(jī)制[16]非常重要。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)有6個(gè)：孤立節(jié)點(diǎn)(Isolater Node，IN)、首要簇頭(Primary Cluster Head，PCH)、次要簇頭(Secondary Cluster Head，SCH)、簇成員(Cluster Member，CM)、偽孤立節(jié)點(diǎn)[17](Pseudo-Isolated Node，PIN)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(Gateway Node，GN)。當(dāng)車載自組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，采用下面4種規(guī)則進(jìn)行重新分簇。

1)刪除簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)接收不到首要簇頭廣播的hello信息，或是首要簇頭接收不到該普通節(jié)點(diǎn)廣播的hello信息時(shí)，說明該節(jié)點(diǎn)已離開該簇。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)由CM變?yōu)镻IN，若該節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間未回到該簇或加入其它簇，則狀態(tài)由PIN變?yōu)镮N。PIN狀態(tài)的設(shè)置是為了避免頻繁的簇維護(hù)加大路由開銷。最后首要簇頭將該節(jié)點(diǎn)從簇成員列表中刪除。

2)新節(jié)點(diǎn)的加入。未加入任何簇的孤立節(jié)點(diǎn)通過向周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的hello信息來獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的hello信息，通過計(jì)算與鄰居節(jié)點(diǎn)的速度相似度和距離相似度，建立自己的關(guān)系節(jié)點(diǎn)列表。并向所有的關(guān)系節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息來獲取關(guān)系節(jié)點(diǎn)所在簇的首要簇頭信息，再向這些首要簇頭發(fā)送信息獲取該節(jié)點(diǎn)與首要簇頭的速度差和距離差之和，選取值最小的首要簇頭且該簇的簇成員個(gè)數(shù)小于nmax，則加入該簇，該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)由IN變?yōu)镃M。最后首要簇頭將該節(jié)點(diǎn)加入到簇成員列表中。

3)簇頭的更換。當(dāng)首要簇頭接收不到簇內(nèi)成員廣播的hello信息或是簇內(nèi)成員接收不到首要簇頭廣播的hello信息時(shí)，首要簇頭失效，狀態(tài)由PCH變?yōu)镃M。則次要簇頭成為首要簇頭，狀態(tài)由SCH變?yōu)镻CH，且簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)通過競(jìng)爭(zhēng)選取次要簇頭。

4)簇的合并。當(dāng)2個(gè)簇的簇頭因?yàn)榫嚯x很近，且在一跳通信范圍內(nèi)時(shí)，其中一個(gè)簇的簇成員能夠聯(lián)系到另一個(gè)簇的首要簇頭，則該簇成員的狀態(tài)由CM變?yōu)镚N。首先判斷2個(gè)簇頭與簇內(nèi)成員是否為關(guān)系節(jié)點(diǎn)。若是關(guān)系節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行簇頭的競(jìng)爭(zhēng)，選擇權(quán)重因子最大的值作為首要簇頭，權(quán)重因子第2大的值作為次要簇頭，競(jìng)爭(zhēng)失敗的簇頭作為新簇頭的簇成員，狀態(tài)由PCH變?yōu)镃M，其余節(jié)點(diǎn)全部為簇成員，且簇成員的個(gè)數(shù)不得大于nmax；若不是關(guān)系節(jié)點(diǎn)，說明這2個(gè)簇的速度相似度差別較大，它們此時(shí)只是在距離上比較相近，很快就會(huì)遠(yuǎn)離，當(dāng)沒有任何一個(gè)簇成員可以同時(shí)聯(lián)系2個(gè)簇的首要簇頭時(shí)，則該簇成員的狀態(tài)由GN變?yōu)镃M。因此這2個(gè)分簇不能合并為1個(gè)簇，否則會(huì)加大路由開銷。

4 仿真與性能分析

采用NS-2軟件對(duì)本文的分簇算法進(jìn)行性能分析，并與經(jīng)典的WCA算法和WBACA算法進(jìn)行比較。仿真區(qū)域設(shè)為長(zhǎng)寬各為300 m的矩形作戰(zhàn)區(qū)域，作戰(zhàn)車輛的運(yùn)行速度為0～20 m/s，最大可接受的通信范圍為25 m，將50～300輛作戰(zhàn)車輛隨機(jī)布置在作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)，仿真時(shí)間為400 s，ω1、ω2、ω3的權(quán)重值分別為0.48、0.32、0.2，仿真結(jié)果見圖2～3。

圖2 節(jié)點(diǎn)數(shù)量-分簇的平均數(shù)量

圖2為不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下對(duì)應(yīng)的分簇?cái)?shù)量。WCA算法和WBACA算法在節(jié)點(diǎn)數(shù)為50時(shí)分簇的平均數(shù)量增長(zhǎng)較快，本文算法在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為200時(shí)分簇的平均數(shù)量增長(zhǎng)迅速。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到250時(shí)，本文算法的分簇平均數(shù)量與其它2種算法的差距最大。縱向來看，WBACA算法的分簇?cái)?shù)量始終最少，而本文算法的分簇?cái)?shù)量最多，因?yàn)楸疚臑榱似胶饩W(wǎng)絡(luò)減少擁塞，設(shè)置了每個(gè)分簇中簇成員的最高閾值，使得每個(gè)分簇的成員不會(huì)過高從而保證簇間的通信質(zhì)量。

圖3 節(jié)點(diǎn)數(shù)-簇頭節(jié)點(diǎn)更新數(shù)量

圖3顯示的是簇頭節(jié)點(diǎn)更新的數(shù)量。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為50時(shí)，3種算法的簇頭更新數(shù)量相差不大，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到300時(shí)，本文算法的簇頭節(jié)點(diǎn)更新數(shù)量為56，WBACA算法的簇頭節(jié)點(diǎn)更新數(shù)量為89，WCA算法的簇頭節(jié)點(diǎn)更新數(shù)量為108。簇頭節(jié)點(diǎn)更新的數(shù)量越大，會(huì)造成簇結(jié)構(gòu)變化很快，使得信道資源被維護(hù)簇結(jié)構(gòu)所占用，降低信息傳輸?shù)男??？v向來看，本文的分簇算法簇頭節(jié)點(diǎn)更新的數(shù)量始終最少，簇結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。這是因?yàn)楸疚脑谶x舉簇頭時(shí)，綜合考慮了速度因子、距離因子和鏈路的平均維持率，選擇與簇成員具有最大速度相似度、最大距離相似度，且與簇成員維持通信時(shí)間最長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，這樣的簇頭非常穩(wěn)定，不易失效。即使失效了，次要簇頭立即充當(dāng)首要簇頭的角色，避免了重新選舉簇頭造成的時(shí)延，防止路由性能降低。

圖4顯示的是分組投遞率隨著節(jié)點(diǎn)密度的變化。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為50時(shí)，3種算法的分組投遞率都較少且相差不大。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為150時(shí)，3種算法的分組投遞率都達(dá)到最大，WCA算法達(dá)到78%，WBACA算法達(dá)到89%，本文算法達(dá)到90%。分組投遞率越高說明通信質(zhì)量越好，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)車輛分布不均勻，運(yùn)動(dòng)不規(guī)律，丟包率較嚴(yán)重，所以分組投遞率都較低。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，3種算法的分組投遞率都在增加。節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到一定程度，即節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于150時(shí)，分組投遞率隨之降低，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)多了，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，且受到競(jìng)爭(zhēng)、干擾等因素的影響，網(wǎng)絡(luò)擁塞也較嚴(yán)重，造成消息丟失的概率也增加，但本文算法的分組投遞率下降很緩慢，因?yàn)楸疚南拗屏舜爻蓡T的最大值，且簇頭給每個(gè)成員分配了TDMA時(shí)隙，降低了簇間信息的干擾。整體來看，本文提出的分簇算法的分組投遞率總是最高的，說明該算法的性能比另外2種算法優(yōu)越。

圖4 節(jié)點(diǎn)數(shù)-最大速度下的分組投遞率

5 結(jié)語

本文提出的基于加權(quán)的具有相同移動(dòng)特性的車載自組網(wǎng)分簇算法通過將具有相同移動(dòng)特性且距離相近的節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)簇，提高了簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。再通過對(duì)速度因子、距離因子和平均鏈路維持率進(jìn)行加權(quán)選取首要簇頭和次要簇頭，主要簇頭給每個(gè)成員分配了TDMA時(shí)隙，提高了通信的質(zhì)量。但本文對(duì)路由分簇的考慮還不夠全面，比如當(dāng)簇頭數(shù)量和簇覆蓋范圍具體為多少時(shí)路由性能最優(yōu)未考慮，下一步需要進(jìn)行更深層次的研究。