基于車輛社會性的高可靠車聯網機會路由協議

姚汪鼎，王 萍

（東華大學，上海 201620）

0 引言

隨著無線通信技術和便攜式無線通信智能設備的普及和發展，智能交通系統ITS（intelligent transportation system）作為旨在提供高可靠低時延的便捷城市交通服務受到人們的廣泛重視。作為未來智能交通技術重要組成部分的車聯網技術成為當前研究的重要場景之一。3GPP（3rd generation partnership project）5G 標準提出了低時延高可靠通信場景，可支持基于5G 蜂窩網絡的車聯網V2X（vehicle-to-everything）業務，諸如V2V（vehicle-to-vehicle）、V2I（vehicle-toinfrastructure）、V2P（vehicle-to-pedestrian）。車聯網的鏈路質量受到車輛頻繁移動和網絡拓撲結構改變的影響，鏈接質量不穩定。車載機會網絡（vehicular opportunistic networks，VONs）是一種既不需要固定基礎通信設施，也不需要完整的端到端路由路徑，以“存儲-攜帶-轉發”［通信模式完成車輛間通信的新型自組織網絡。VONs 能夠很好地克服車聯網中車輛高速移動、行駛軌跡變化、車輛密度變化等復雜環境變化帶來的挑戰。

在復雜多變的VONs環境中實現高可靠低時延服務質量的關鍵是選擇最合適的中繼節點將消息傳輸至目的節點。為了更有效地進行數據傳輸及共享，在VONs的通信中越來越多地考慮節點的社會屬性，例如社會關系、節點的興趣及自私性等。在城市生活環境中，大部分車輛都有一定的社會性，即車輛移動具有一定的規律。本文綜合考慮城市生活中車輛表現出的社會性特點，提出一種基于車輛社會性的機會路由協議VSOR（opportunistic routing based on vehicle sociality），該協議根據GPS 系統獲得的車輛歷史簽到信息將車輛運動區域劃分為私有興趣區域和公共興趣區域。綜合考慮車輛與目的節點相遇區域和相遇概率設計了綜合轉發效用函數，攜帶消息的車輛節點依據鄰居節點的綜合轉發效用值來選擇中繼節點，以提高VONs的消息傳輸可靠性。

論文的其余部分組織如下：第一節中介紹了相關工作。第二節描述了VSOR協議的設計細節和具體流程，包括VONs 網絡模型和假設、VSOR 協議消息傳輸策略以及VSOR 協議的實現流程。第三節將VSOR協議與其他機會路由協議進行比較，并對仿真結果進行分析。最后，第四節對全文進行總結以及下一步研究的方向。

1 相關工作

VONs 使用場景往往存在通信鏈路頻繁斷開、車輛分布較為稀疏、車輛駕駛行為不可預測等挑戰。面對VONs中的各種挑戰，研究者們提出了許多機會路由協議。

Epidemic協議通過模仿病毒的傳播方式，攜帶消息的節點會與所有相遇的節點交換緩存區消息，直到消息被傳播到網絡中幾乎所有節點的緩存中，在這個過程中目的節點也會成功接收該消息，從而達到源節點產生的消息傳輸到目的節點的目的。TDOR協議當消息源節點產生消息并與網絡中第一個節點相遇時，會進行軌跡預測計算。消息的傳輸遵循預測的軌跡，每個中繼車輛節點依照貪婪算法來選取移動方向與預測的軌跡最接近的車輛節點作為中繼節點。ARAG路由是一種基于激勵機制的路由協議。在消息傳輸過程中，根據發送節點的資源消耗情況來確定轉發節點接收消息的概率。同時，當源節點生成消息時，根據其資源消耗情況設置副本閾值，網絡中相同消息的總數不超過該閾值。BSW-SN協議通過綜合分析節點的社會屬性、移動模式和對消息的轉發效能,進而優化中繼節點的選擇，并將節點的活躍程度與二元法噴霧等待路由協議（binary spray and wait，BSW）相結合，實現中繼節點對消息副本分發數量的自適應功能。SuperNode路由依據節點能量將網絡中節點劃分為普通節點和超節點，普通節點只能在固定區域移動，跨區域消息傳輸需要利用在小區邊緣的超節點，以此來限制洪泛并減少開銷，但時延相對增加。FQLRP路由利用基于模糊的Q 學習方法實現了有效的路由。該協議使用一種以節點的能量作為參數的獎勵機制來預測消息的最佳下一跳轉發節點。在整個路由過程中，都考慮了每個節點的剩余能量和一組節點的平均能量，這有助于決定消息最合適的轉發節點。

現有VONs路由協議的研究大多沒有考慮城市環境中車輛具有一定的規律和周期性的特點，這一特點會對車輛間的相遇概率產生影響。針對這一問題，本文提出了基于車輛社會性的機會路由協議VSOR。

2 VSOR協議設計

2.1 VONs網絡模型和假設

VONs 路由過程如圖1 所示。在時刻，消息的源節點S和目標節點D之間沒有一條完整的端到端路徑。于是，S 將消息轉發給鄰居節點A，A 攜帶該消息在時刻傳輸給鄰居節點B，最后節點B 在時刻將消息傳輸給目的節點D。借助車輛運動過程中相遇機會的不確定性實現了“存儲-攜帶-轉發”通信。

圖1 VONs消息傳輸過程

假設，VONs 網絡模型中存在個車輛節點N(i ) = 1,…,。在初始狀態，網絡中的車輛隨機均勻分布在矩形區域內，并具有以下性質：

（1）每個車輛都配備了GPS定位系統，車輛通過GPS 可以獲取自身和其它車輛的歷史簽到信息。

（2）車輛依據隨機路點模型在仿真區域動態移動，運動速度符合正態分布，即

2.2 車輛興趣區域劃分

在VONs場景下，車輛節點往往會有一些特定的駕駛習慣，并且會呈現一些周期性的特點。例如在日常生活中，車輛節點會經常在家、學校或者工作地、商場等一些體現自身規律的區域之間移動，或偶爾去一些人氣高的商圈。基于以上特點，可以根據車輛節點歷史簽到信息來劃分車輛的興趣區域。

按照城市地圖的大小規模，將城市地圖以網格的形式等分成16 個部分，將城市地圖建模為={11,12,…,44}。根據單個和所有車輛的歷史簽到信息將興趣區域分別劃分為私有興趣區域和公共興趣區域。

2.2.1 車輛私有興趣區域。

每個車輛根據其歷史簽到信息來選出自己的興趣區域，每個車輛都擁有獨一無二的私有興趣區域。在車輛自身的歷史簽到信息表中，簽到次數超過閾值次數的區域定義為該車輛的私有興趣區域。對于同一輛車，不同私有興趣區域具有不同的意義。因此，車輛移動至不同的私有興趣點區域應該是不同的。對于車輛私有興趣區域={,,…,pri},車輛移動至pri的概率P可以由式（2）給出：

2.2.2 車輛公共區域

除了每個車輛自身行駛習慣和規律外，在城市生活中，還會有一些用于社交和娛樂的公共場所，例如商場、餐廳、公園等。將所有車輛歷史簽到表中簽到次數出現最多的S個區域定義為公共興趣區域，車輛到達每個公共興趣區域的概率相同，如式（3）所示。

如圖2所示，車輛的私有和公共區域劃分存在分離和重合兩種情況。

圖2 車輛興趣區域劃分

2.3 VSOR消息傳輸策略

區域中的節點和區域中的節點在區域相遇的概率(,)可以表示為

若節點a 和節點b 在某段時間內未相遇，那么它們再次相遇的概率將降低。

其中，(,)為通過式（5）計算的相遇概率，∈[0,1)為衰減因子，為上一次衰減后所經過的時間。

在城市環境下，考慮車輛的興趣區域，定義車輛的興趣參數，判斷鄰居節點和目的節點的相遇區域是否是鄰居節點私有或公共興趣區域，具體定義為：

根據車輛的社會性，車輛去自身興趣區域的概率更大，應盡可能選擇與目的節點相遇區域為自身興趣區域的鄰居節點為中繼節點，因此設計包含車輛興趣區域的效用函數：

在消息傳遞的過程中，采用基于車輛興趣區域的效用函數使得在相同的相遇概率下，相遇區域為車輛興趣區域的車輛的效用值會更大，會更優先作為轉發節點。避免了車輛盲目轉發消息，提高消息投遞成功率，降低時延，減少開銷。

2.4 VSOR協議實現流程

VSOR 協議實現流程如圖3 所示。車輛節點間的消息傳輸是由各節點的效用值決定的。節點在傳輸消息時，首先會與鄰居節點交換ACK表并刪除已成功傳遞的消息。之后會分別獲取各鄰居節點的效用值并由大到小進行排序。接著將消息傳輸給效用值大于自身的節點。這個過程會持續進行，直至消息成功傳輸至目的節點。

圖3 VSOR協議流程

3 仿真實驗結果與分析

通過仿真實驗評估在移動速度和業務數據包大小變化的動態車輛密度場景下，VSOR 的消息投遞成功率、消息平均傳輸時延網絡開銷等性能。特別地，與Epidemic、PRoPHET 和TDOR 三種典型機會路由協議進行分析比較。Epidemic 采用洪泛機制，PRoPHET 協議使用相遇概率來選擇中繼節點，TDOR協議在選擇中繼節點時采用軌跡預測機制，選擇與預設的消息傳輸軌跡最接近的鄰居節點為中繼節點。

3.1 仿真環境與參數

使用ONE（opportunistic network environment）網絡仿真器構建VSOR協議的通信性能仿真評估環境。仿真網絡拓撲如圖4所示。

圖4 仿真網絡拓撲圖

模擬車輛密度動態變化場景，車輛節點數目范圍60～300個，依據隨機路點模型移動。車輛移動速度服從正態分布，速度范圍為0～10 m/s，符合城市環境中車輛的移動速度。節點隨機發送大小動態變化的消息數據包，傳輸范圍為50 m。每個節點的緩存空間為50 M，數據包被傳輸到目的節點前可以保存在緩存區中，以實現“存儲-攜帶-轉發”的通信模式。系統主要仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數設置

3.2 機會路由性能評價指標

本文主要通過消息投遞成功率、消息平均傳輸時延、網絡開銷這三個指標來評估機會路由性能。

投遞成功率R= M M，其中M為源節點創建的消息總數，M為目的節點接收消息的總數。

網絡開銷R= (M- M) M，其中M是網絡中節點轉發消息的總數。

3.3 節點數量對協議性能的影響

圖5 至圖7 分別給出四種VONs 路由協議的投遞成功率、平均傳輸時延和網絡開銷隨節點密度變化的動態趨勢。

圖5 投遞成功率隨節點數量變化

圖6 平均時延隨節點數量變化

圖7 網絡開銷隨節點數量變化

平均而言，VSOR 的投遞成功率比TDOR 高15.1% ，比PRoPHET 高29.1%，比Epidemic 高52.8%；傳輸時延相較于TDOR 降低30.9%、相較于PRoPHET 降低19.2%，相較于Epidemic 降低13%； 網 絡 開 銷 比TDOR 低27.9%， 比PRoPHET低58.1%，比Epidemic低62.1%。

可見，四種協議的消息投遞成功率都隨著節點數量的增加呈現先增加后減少的趨勢，但VSOR 協議的投遞成功率始終處于最高水平。說明基于車輛興趣區域的消息傳輸策略可以提高消息傳輸效率。四種協議的平均傳輸時延隨著節點數量的增加均呈下降趨勢，這是因為節點越多網絡連通性越好。TDOR由于車輛的行駛軌跡可能突變，尋找與預設軌跡相同的中繼節點會花費較多的時間，因此平均時延最高。Epidemic 和PRoPHET 協議對網絡中消息副本數量限制不足，其開銷隨著節點數量增加明顯增大，而VSOR和TDOR協議一直處于較低水平。

綜上分析，隨著節點數量的增加，VSOR 協議在消息投遞成功率、平均傳輸時延和網絡開銷方面均比Epidemic、PRoPHET、TDOR 協議更優越，適用于車輛節點密度較高的城市場景。

4 結語

本文提出了一種基于車輛社會性的機會路由協議VSOR。新協議根據車輛社會性將車輛常去的區域劃分私有興趣區域和公共興趣區域，并綜合車輛興趣區域和相遇概率設計了轉發效用函數。車輛節點根據鄰居節點的轉發效用函數選擇消息的下一跳節點。仿真結果表明，VSOR 協議在消息投遞成功率、平均傳輸時延和網絡開銷等綜合性能指標方面，相比Epidemic、PRoPHET 和TDOR 協議具有明顯優勢，特別是在車輛密度較大的情況下。VSOR 協議更適合車輛數量較多、行駛軌跡相對固定的城市車聯網環境，具有良好的應用前景。未來還可結合交通路面模擬環境開展各種實際交通環境的進一步探索研究。