陳志國(guó) 滕桂法 周曉磊

摘 要： 針對(duì)車載網(wǎng)（VANETs）城市場(chǎng)景的路由問(wèn)題，提出基于4G網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）和VANETs混合結(jié)構(gòu)的地理路由LTE?GR。LTE?GR路由充分利用LTE高峰速率和低時(shí)延特性，輔助VANETs間的數(shù)據(jù)傳輸?；緀NodeB收集路段信息，計(jì)算路段穩(wěn)定值，并與門限值進(jìn)行比較，若小于門限值，則利用eNodeB轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包;否則，就引用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)地理路由傳輸數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果表明，相比于同類路由，提出的LTE?GR路由能有效地提高數(shù)據(jù)包傳輸率、端到端傳輸時(shí)延性能。

關(guān)鍵詞： 車載網(wǎng); 地理路由; 長(zhǎng)期演進(jìn); 路段穩(wěn)定值; 連通率; 傳輸率; 傳輸時(shí)延

中圖分類號(hào)： TN915?34; TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）09?0121?06

Abstract： An LTE and VANETs based geographic routing （LTE?GR） is proposed to solve the routing problem of VANETs urban scene， which makes full use of the characteristics of LTE high peak rate and low delay to assist the data transmission among VANETs. The eNodeB can collect the information of road segment， and compute the stability value of road segment to compare it with threshold. When the stability value is lower than the threshold， the data packet is forwarded with eNodeB. Otherwise， the data packet is transmitted with greedy forwarding geographic routing. The simulation results show that， in comparison with similar routings， the LTE?GR can improve the data packet transmission rate and end?to?end transmission delay.

Keywords： VANET; geographic routing; long?term evolution; road segment stability; connectivity; transmission rate; transmission delay

0 引 言

作為最有前景的智能交通技術(shù)，車載網(wǎng)（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)[1?2]。為了提高駕駛員和乘客出行的舒適度，將其應(yīng)用于車輛，特別是有關(guān)安全和舒適應(yīng)用在車載通信中廣泛使用，如乘客安全應(yīng)用、多媒體應(yīng)用以及Internet瀏覽。典型的VANETs的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

VANETs通過(guò)車間通信 （Vehicle to Vehicle，V2V）及車與基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle to infrastructure，V2I）通信提高交通安全，為各類應(yīng)用提供了平臺(tái)。

相比移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Networks， MANETs），VANETs表現(xiàn)出獨(dú)特的特性，如車輛高速移動(dòng)、車輛通信距離短。此外，由于VANETs中的安全應(yīng)用關(guān)乎到人們的財(cái)產(chǎn)、人身安全，相比于MANETs，VANETs對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)男阅芤蟾鼮榭量?。例如，VANETs安全應(yīng)用中的緊急車輛信號(hào)需限定于1 s。為了提高數(shù)據(jù)包傳輸性能，VANETs常采用多跳廣播機(jī)制，但是廣播機(jī)制產(chǎn)生廣播風(fēng)暴問(wèn)題[3]。

具體而言，在VANETs中當(dāng)車輛分布密度過(guò)大，多個(gè)車輛同時(shí)傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，就容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)包擁塞，即廣播風(fēng)暴問(wèn)題，其會(huì)增加數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延，甚至丟失數(shù)據(jù)包。為此，常利用概率泛洪[3]和簇算法[4?5]解決廣播風(fēng)暴問(wèn)題。

當(dāng)車輛分布密度過(guò)小，則車輛與車輛間無(wú)法連通，就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)割裂現(xiàn)象。在這種情況下，常采用存儲(chǔ)?攜帶?轉(zhuǎn)發(fā)算法分發(fā)數(shù)據(jù)包。然而，存儲(chǔ)?轉(zhuǎn)發(fā)算法也增加了數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延。文獻(xiàn)[6]中的研究表明，若傳輸時(shí)延從幾秒增至幾分鐘時(shí)，數(shù)據(jù)包傳輸成功率將下降60%。

近期，研究人員開(kāi)始把目光投注于蜂窩技術(shù)。通過(guò)蜂窩技術(shù)代替基于IEEE 802.11p的VANETs網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[7]已開(kāi)始研究如何將第三代移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)（Universal Mobile Communication System，UMTS）應(yīng)用于車輛通信。相比于第三代蜂窩系統(tǒng)，第四代蜂窩系統(tǒng)長(zhǎng)期演進(jìn)（Long?Term Evolution，LTE）提升了容量和數(shù)據(jù)傳輸速率。LTE的下行峰值速率增至300 Mb/s，上行峰值速率增至75 Mb/s。此外，傳輸時(shí)延限定在5 ms內(nèi)。然而，盡管LTE系統(tǒng)提供了高速率、低時(shí)延通信服務(wù)，但是若車載通信全部采用LTE系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。由于LTE系統(tǒng)中的eNodeB基站造價(jià)、安裝以及運(yùn)營(yíng)成本高，全部采用LTE系統(tǒng)是不經(jīng)濟(jì)的。實(shí)際上，在正常的場(chǎng)景中，VANETs通信系統(tǒng)能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的正常傳輸。只是在惡劣場(chǎng)景下難以維持車間通信。

為此，可將LTE系統(tǒng)與VANETs相結(jié)合構(gòu)成混合結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]研究了蜂窩通信在VANETs的使用。而文獻(xiàn)[9]也證實(shí)了通過(guò)蜂窩通信可提供數(shù)據(jù)傳輸性能。

此外，由于車輛的快速移動(dòng)，MANETs中的路由協(xié)議不再適用于VANETs，而無(wú)需全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌牡乩砦恢寐酚蓞f(xié)議受到廣泛關(guān)注。由于地理位置不需要建立路由表，只是利用鄰居車輛位置轉(zhuǎn)發(fā)路由，能夠較好地克服車輛的高速移動(dòng)。

為此，本文基于LTE與VANETs的混合結(jié)構(gòu)，并結(jié)合地理位置路由協(xié)議[10]，提出LTE?GR路由算法。LTE?GR路由利用LTE輔助數(shù)據(jù)包的傳輸。LTE收集路段信息，若路段穩(wěn)定值高于門限值，說(shuō)明車間通信連通情況良好，就可利用地理位置路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包;反之，若路段穩(wěn)定值低于門限值，說(shuō)明車間通信連通情況差，存在未連通情況。在這種情況下，利用eNodeB轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

1 系統(tǒng)模型及約束條件

1.1 系統(tǒng)模型

考慮典型的城市場(chǎng)景，如圖2所示。建立由道路、十字路口、障礙物組成道路模型，并且由eNodeB輔助VANETs的數(shù)據(jù)傳輸。

所謂V2V就是指：在視距范圍內(nèi)，每個(gè)車輛與其通信范圍內(nèi)車輛間的通信。然而，城市環(huán)境中障礙物常阻礙了V2V通信。在這種情況下，車輛就向最近的eNodeB發(fā)送數(shù)據(jù)，再利用eNodeB轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

V2R/R2V通信是指車輛與旁邊設(shè)施間的通信，旁邊設(shè)施包括Internet接入點(diǎn)、服務(wù)器等。

V2E/E2V通信是指車輛與eNodeB間的通信。由于eNodeB有足夠的通信范圍，它不受障礙物的影響。

1.2 約束條件

提出的LTE?GR算法基于以下約束條件：

1） 假定每個(gè)eNodeB和車輛均安裝了全球定位系統(tǒng)GPS和數(shù)字地圖，通過(guò)數(shù)字地圖能夠獲取周邊的十字路口信息;

2） 利用網(wǎng)格位置服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠獲取目的節(jié)點(diǎn)位置;

3） 所有eNodeB周期地維持、更新每個(gè)路段的鄰居表;

4） 假定eNodeB總是有足夠的能量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)空對(duì)地、地對(duì)空通信;

5） 將四個(gè)路段看成一個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域至少被一個(gè)eNodeB覆蓋;

6） 每個(gè)車輛周期地廣播HELLO消息。LTE?GR算法在原有的HELLO消息上增加了一個(gè)字段，其包含所有路段的連通率和狀態(tài)。

2 LTE?GR算法

2.1 連通率的估計(jì)

在LTE?GR算法中，eNodeB采用集中式方式估計(jì)連通率，致使每個(gè)路段依據(jù)車輛傳輸范圍劃分為多個(gè)固定區(qū)域（Zone）。每個(gè)eNodeB類似于無(wú)人機(jī)一樣盤旋路段上方，監(jiān)聽(tīng)地面上車輛發(fā)送的HELLO消息，如圖4所示。

具體而言，先依據(jù)收集的HELLO消息，eNodeB維持每個(gè)路段的鄰居節(jié)點(diǎn)表。然后，從表中提取兩個(gè)連續(xù)十字路口間固定區(qū)域內(nèi)車輛的地理位置。最后，依據(jù)車輛準(zhǔn)確位置和路段連通信息計(jì)算連通率。例如，如圖4所示的路段1，建立的鄰居節(jié)點(diǎn)表如表1所示。

依據(jù)建立的鄰居表，先計(jì)算每個(gè)路段的平均車輛數(shù)[AVsegment]：

2.2 路段穩(wěn)定值

傳輸數(shù)據(jù)的路段越穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸越流暢。為此，選擇最穩(wěn)定的路段傳輸數(shù)據(jù)。因此，定義每條路段的穩(wěn)定值，假定路段[i]的穩(wěn)定值[Si]為：

2.3 LTE?GR路由的基本思想

LTE?GR路由的根本思想就是將貪婪地理路由[10]和LTE系統(tǒng)相結(jié)合。當(dāng)路段穩(wěn)定值大于門限值，則表明路段連通情況良好，采用貪婪地理路由。否則，就利用LTE網(wǎng)絡(luò)輔助傳輸，即通過(guò)LTE網(wǎng)絡(luò)中的eNodeB轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。

1） 路段穩(wěn)定值小于門限值[Sth，]此時(shí)，源車輛S將數(shù)據(jù)消息傳輸至LTE網(wǎng)絡(luò);

2） LTE網(wǎng)絡(luò)中的eNodeB基站接收后，從中提取目的地址信息，并判斷目的車輛是否在自己的覆蓋范圍內(nèi)，若是，則該車輛直接傳輸;否則將利用LTE網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)消息轉(zhuǎn)發(fā)至鄰居的eNodeB基站;

3） 鄰居的eNodeB基站接收數(shù)據(jù)消息后，重復(fù)步驟2）。

3 性能分析

3.1 仿真環(huán)境

為了更好地分析LTE?GR算法的性能，利用NS2建立仿真平臺(tái)。考慮3 000 m×3 000 m城市道路區(qū)域，且有9個(gè)十字路口，如圖6所示。同時(shí)，利用VanetMobiSim移動(dòng)產(chǎn)生器[12]產(chǎn)生車輛移動(dòng)文件。初始車輛隨機(jī)分布于區(qū)域內(nèi)，且車輛速度以0～50 km/h的速度在雙向車道上移動(dòng)，具體的仿真參數(shù)如表3所示。仿真時(shí)間為350 s，每次實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)50次，取平均值作為最終的仿真數(shù)據(jù)。

在分析LTE?GR算法性能時(shí)，選擇IRTIV [13]，VDLA[14]進(jìn)行比較，并從數(shù)據(jù)包傳遞率、端到端傳輸時(shí)延以及平均跳數(shù)三方面分析它們的路由性能。數(shù)據(jù)包傳遞率等于目的節(jié)點(diǎn)所接收的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)之比;端到端傳輸時(shí)延等于數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)傳輸至目的節(jié)點(diǎn)所需的平均時(shí)間;而平均跳數(shù)是指成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的平均跳數(shù)。平均跳數(shù)越小，路由性能越好。

3.2 數(shù)值分析

3.2.1 數(shù)據(jù)包傳遞率

三個(gè)路由的數(shù)據(jù)包傳遞率隨車輛數(shù)的變化情況如圖7所示。從圖7可知，數(shù)據(jù)包傳遞率隨車輛數(shù)的增加而升高，原因在于車輛數(shù)的增加，提高了車間通信的連通概率，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。此外，相比于VDLA和IRTIV，LTE?GR路由算法具有較高的數(shù)據(jù)包傳遞率。原因在于LTE?GR算法利用LTE系統(tǒng)計(jì)算路段的穩(wěn)定值，并利用LTE系統(tǒng)輔助數(shù)據(jù)包的傳輸，提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。而IRTIV和VDLA算法盡管也計(jì)算路段的穩(wěn)定值，但是在未連通情況下，很難準(zhǔn)確地計(jì)算路段穩(wěn)定值，降低了正確選擇路由的概率。

3.2.2 端到端傳輸時(shí)延

圖8顯示了VDLA，IRTIV和LTE?GR路由的端到端傳輸時(shí)延。從圖8可知，LTE?GR的端到端傳輸時(shí)延最低，并且時(shí)延并不隨車輛數(shù)變化而波動(dòng)，一直保持穩(wěn)定值。原因在于LTE?GR路由充分利用LTE系統(tǒng)的高速率、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸特性，通過(guò)eNodeB轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)包傳輸成功率。而VDLA和IRTIV僅利用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略傳輸數(shù)據(jù)，一旦遭遇網(wǎng)絡(luò)斷裂，就需存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，這必然增加傳輸時(shí)延，并且隨車輛數(shù)變化處于波動(dòng)狀態(tài)。 相比于VDLA和IRTIV，LTE?GR的端到端傳輸時(shí)延性能得到有效提高，例如IRTIV的平均時(shí)延約0.5 s，而VDLA的平均時(shí)延約0.75 s，而LTE?GR的平均時(shí)延只有0.01 s。

3.2.3 平均跳數(shù)

三個(gè)路由協(xié)議的平均跳數(shù)如圖9所示。從圖9可知，在車輛數(shù)越多的情況下（密度區(qū)域），LTE?GR的平均跳數(shù)少于VDLA和IRTIV。原因在于LTE?GR路由在高密度區(qū)域內(nèi)能夠快速地找到連通路由，并降低路徑跳數(shù)。然而，在低密度區(qū)域，LTE?GR路由通過(guò)交互數(shù)據(jù)包建立連通路徑，增加了跳數(shù)。而VDLA的平均跳數(shù)較低，低于LTE?GR路由。

4 結(jié) 語(yǔ)

在城市車輛環(huán)境中，障礙物的存在給尋找最短端到端的連通路徑提出了挑戰(zhàn)。為此，提出基于LTE和VANETs混合結(jié)構(gòu)的地理路由LTE?GR。LTE?GR利用LTE的高峰值和低時(shí)延的傳輸特性，提高VANETs的數(shù)據(jù)包傳輸特性?；緀NodeB先收集路段信息，然后計(jì)算路段穩(wěn)定值，再依據(jù)路段穩(wěn)定值判斷道路的連通情況。如果存在連通路徑，就利用貪婪地理路由傳輸數(shù)據(jù)包，否則就利用eNodeB轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的LTE?GR路由能夠有效地提高數(shù)據(jù)包傳遞成功率，降低傳輸時(shí)延。

注：本文通訊作者為滕桂法。

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