一種用于車載自組網(wǎng)的增強(qiáng)的穩(wěn)定路由協(xié)議的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車載自組網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種用于車載自組網(wǎng)的增強(qiáng)的穩(wěn)定路 由協(xié)議巧SRP, Enhanced St油ility Routing Protocol for VA肥T)。
【背景技術(shù)】
[0002] 車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（VANET, Vehi州Iar Ad Hoc Networks)是自組織網(wǎng)絡(luò)的一個新 的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。VANET的基本思想是：一定范圍內(nèi)的車輛可W交換車速、位置、傳感器 感知的數(shù)據(jù)等信息，自動建立一個移動Ad化C網(wǎng)絡(luò)。
[0003] 一般來說，VANET支持兩類通信模式：車-車（Vehicle-To-Vehicle，V2V)通信W 及車-基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle-T〇-Infrast;ruc1:ure, V2I)通信，從而可W實(shí)現(xiàn)車輛間、車與路邊 基礎(chǔ)設(shè)施之間的多跳無線通信，運(yùn)些通信方式為VANET實(shí)現(xiàn)多種新的服務(wù)和應(yīng)用提供了可 能。VANET的應(yīng)用主要分為兩大類：第一類是旨在提高道路交通的安全水平，即安全應(yīng)用。 在運(yùn)種情況下，VANET可W被看作是當(dāng)前智能交通系統(tǒng)的拓展，用W提高交通安全覆蓋面和 性能。第二類應(yīng)用是被預(yù)測在不久的未來將得到快速發(fā)展的商業(yè)應(yīng)用，運(yùn)一類型的應(yīng)用能 夠提供商業(yè)化的服務(wù)，比如道路上車輛的網(wǎng)絡(luò)接入和音樂下載等娛樂服務(wù)。
[0004] 此外，目前大部分車輛都配備全球定位系統(tǒng)（Global Position System, GP巧，可 W提供較為精確的位置定位服務(wù)，但是車載自組織網(wǎng)絡(luò)仍然存在很多挑戰(zhàn)，如在多徑拓?fù)?中存在交通流不平衡、網(wǎng)絡(luò)利用率低、理論技術(shù)在實(shí)際場景中實(shí)現(xiàn)困難等，而且加上VANET 網(wǎng)絡(luò)受道路中交通燈、障礙物、周圍建筑物等因素的影響，網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)非常不穩(wěn)定。當(dāng)車 輛節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立通信鏈路要求時，如果在一定時間內(nèi)無法獲取到達(dá)目標(biāo)車輛節(jié)點(diǎn)的有效通 信路由，就會使整個網(wǎng)絡(luò)處于非連通狀態(tài)。同時VANET中的車輛節(jié)點(diǎn)一般都處于高速行駛 狀態(tài)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劇烈變化，時刻可能出現(xiàn)正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌吠蝗恢袛啵瑢?dǎo)致路 由協(xié)議的性能嚴(yán)重受損。AODV 協(xié)議（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing)是 Ad 化C網(wǎng)絡(luò)中按需生成路由方式的典型協(xié)議，具有路由控制開銷小、網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。 運(yùn)在一定程度上符合VANET節(jié)點(diǎn)移動性高、拓?fù)渥兓斓奶匦?，但要將其?yīng)用于VANET中W 達(dá)到通信的要求，仍需對其進(jìn)行改進(jìn)。 陽005] VSRP (St油Ie Routing Protocol for VA肥T)協(xié)議是一種在AODV協(xié)議基礎(chǔ)上改進(jìn) 的適用于車載Ad化C網(wǎng)絡(luò)的可靠路由協(xié)議。在路由發(fā)現(xiàn)階段，通過擴(kuò)展RREQ報文格式，引 入優(yōu)先節(jié)點(diǎn)判斷機(jī)制；在路由維護(hù)階段，如果主路由失效，源節(jié)點(diǎn)可W不必發(fā)起路由請求， 而是直接利用備份路由進(jìn)行路由修復(fù)。運(yùn)在一定程度上限制了 RREQ報文的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)目，防止 了網(wǎng)絡(luò)中RREQ報文的泛洪廣播，提高了路由修復(fù)的效率，改善了網(wǎng)絡(luò)性能。但VSRP協(xié)議在 路由選擇階段仍按照AODV協(xié)議的選擇方式，當(dāng)有多條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時，收到請求的 節(jié)點(diǎn)將選擇序列號最大的那一條路由，而按照運(yùn)種方式選擇的路由并不一定是最優(yōu)的。而 且路由備份機(jī)制中的節(jié)點(diǎn)必須不斷監(jiān)聽位于主路由上相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RREP報文，因此需 要較多的控制報文來進(jìn)行路由偵聽，增加了路由開銷。
[0006] 對于一個新協(xié)議的現(xiàn)場試驗(yàn)通常需要大量的車輛和人員，代價昂貴且過程復(fù) 雜，因此利用相關(guān)仿真工具對VANET路由協(xié)議進(jìn)行研究就成為了一種有效的技術(shù)手段。 NS2 (Network Simulator, version 2)是一種針對網(wǎng)絡(luò)研究的源代碼公開的、免費(fèi)的軟件模 擬平臺。它本質(zhì)上是一種離散事件仿真器，支持有線和無線網(wǎng)絡(luò)中的TCP、路由和多播協(xié)議 的仿真。NS2采用C++和OTcl雙重語言結(jié)構(gòu)，其中C++主要用于建模網(wǎng)絡(luò)仿真行為，而Tcl/ OTcl腳本主要用于控制和模擬有線和無線網(wǎng)絡(luò)。VANET的路由協(xié)議的性能評估還需要借助 于VANET仿真模型。建立一個符合現(xiàn)實(shí)情況的VANET仿真模型，對VANET及其路由協(xié)議的研 究具有重要意義。VanetMobiSim2.0 (Vehi州Iar Ad Hoc 化tworks Mobility Simulator, versions. 0)是基于CanuMobiSim架構(gòu)的車載自組織網(wǎng)移動仿真器，它結(jié)合開源地理數(shù)據(jù) 庫化enStreetMap能夠獲取世界各地的真實(shí)街道拓?fù)鋱D，車輛節(jié)點(diǎn)則可行駛在真實(shí)的道路 上。此外，通過添加多種仿真模塊，用戶可W自定義車輛數(shù)、車輛節(jié)點(diǎn)移動模型、每輛車的車 身長、加速度、最大速度等參數(shù)。為提高仿真環(huán)境與城市交通場景的吻合度，本專利引入一 種在真實(shí)城市道路拓?fù)湎聨Q道和超車功能的節(jié)點(diǎn)移動模型一一IDM_LC模型。
[0007] 因此，結(jié)合VANET的特點(diǎn)，如何設(shè)計一種不僅適用于VANET而且能提高網(wǎng)絡(luò)性能的 路由協(xié)議成為一項(xiàng)十分具有理論和現(xiàn)實(shí)意義的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提升路由協(xié)議的可靠與穩(wěn)定性、提高車載通信 系統(tǒng)的質(zhì)量，提供一種用于車載自組網(wǎng)的增強(qiáng)的穩(wěn)定路由協(xié)議，源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā) 送數(shù)據(jù)分組時，如果不存在可用路由，則發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，源節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)執(zhí)行VSRP 協(xié)議中的優(yōu)先節(jié)點(diǎn)機(jī)制，篩選出一部分性能較好的優(yōu)先節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的 多條路由。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取W下技術(shù)方案。
[0010] 一種用于車載自組網(wǎng)的增強(qiáng)的穩(wěn)定路由協(xié)議，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)找到目的節(jié)點(diǎn)且獲得多條 到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路由后，目的節(jié)點(diǎn)會調(diào)用GPS模塊獲取自身位置和速度信息填入RREP 新增數(shù)據(jù)中，并沿著反向路徑向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送；每一個收到RREP消息的節(jié)點(diǎn)計算鏈路有效時 間LET (Link Expiration Time)，對新計算的LET與已存儲的LET進(jìn)行比較，在RREP中更新 為較小的LET,同時添加當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的位置和速度信息繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)；當(dāng)RREP消息到 達(dá)源節(jié)點(diǎn)時，源節(jié)點(diǎn)能獲得該路由的路由有效時間RET(Routing Expiration Time);由此 源節(jié)點(diǎn)獲得多條路由的RET,選擇RET最大的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其他路由緩存在源節(jié)點(diǎn)中 作為備份路由向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組。
[0011] 進(jìn)一步地，源節(jié)點(diǎn)在找到目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)首先填寫VSRP協(xié)議中的RREP報文各 數(shù)據(jù)域，然后調(diào)用GI^模塊獲取自身的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、運(yùn)動方向的水平分速度、運(yùn)動方向 的豎直分速度信息，填入新增數(shù)據(jù)域中，目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造完RREP消息后，將此消息沿著反向 路徑發(fā)送至源節(jié)點(diǎn)。
[0012] 進(jìn)一步地，反向路徑上的每一個節(jié)點(diǎn)在收到上一節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RREP報文時，能夠獲 取其位置和速度信息，同時調(diào)用GI^模塊獲取自身的位置和速度信息，由此計算兩節(jié)點(diǎn)之 間鏈路的LET, LET = I R-d I / I Vi-Vj I，R為節(jié)點(diǎn)的通信半徑，d為兩節(jié)點(diǎn)間的絕對距離，V為 節(jié)點(diǎn)的速度。
[0013] 進(jìn)一步地，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)將計算的LET值與已存儲在RREP報文Lifetime字段中的值 進(jìn)行對比，若計算的LET值較小，則更新Lifetime字段，否則不更新；當(dāng)前節(jié)點(diǎn)添加自身的 位置和速度信息到RREP報文中，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)。
[0014] 進(jìn)一步地，源節(jié)點(diǎn)收到RREP消息后，則能獲取該條路由的RET，RET滿足RET = Min {LETi，LETz,... LETJ，1《k《K，K表示反向路徑上的鏈路數(shù)；由此方式源節(jié)點(diǎn)獲得其 他多條路由的RET，從中選擇一條最大RET的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0015] 進(jìn)一步地，正常情況下，如果主路由沒有斷鏈，數(shù)據(jù)分組只在主路由上傳輸，當(dāng)主 路由上的某個節(jié)點(diǎn)發(fā)生斷鏈時，中斷處上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送RERR報文告知源節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)鏈路斷裂， 源節(jié)點(diǎn)啟動多徑路由備份機(jī)制，該機(jī)制為：源節(jié)點(diǎn)收到RERR報文后查看路由表事先緩存的 多條已按RET大小排序的備份路由，同時定向發(fā)送一個帶有標(biāo)志位的數(shù)據(jù)包依次檢測備份 路由的有效性，而不是立即重新發(fā)起新的路由發(fā)現(xiàn)過程；當(dāng)源節(jié)點(diǎn)在設(shè)定時間內(nèi)收到從目 的節(jié)點(diǎn)發(fā)送回的應(yīng)答數(shù)據(jù)包后即可判斷該條備份路由是有效的，從而源節(jié)點(diǎn)選擇該條備份 路由重新傳輸數(shù)據(jù)。
[0016] 進(jìn)一步地，對路由選擇階段源節(jié)點(diǎn)獲取的多條路由RET進(jìn)行排序，構(gòu)造一個從大 到小的RET集。源節(jié)點(diǎn)選擇具有最大RET的路由為主路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而其他根據(jù)RET 值排列的路由則作為備份路由依次存入源節(jié)點(diǎn)路由表中。當(dāng)主路由中某鏈路發(fā)生斷裂時， 中斷處上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送RERR報文告知源節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)鏈路斷裂，源節(jié)點(diǎn)收到該報文后查看路由 表事先緩存的多條備份路由，同時定向發(fā)送一個帶有標(biāo)志位的數(shù)據(jù)包依次檢測它們的有效 性，而不是立即重新發(fā)起新的路由發(fā)現(xiàn)過程。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)在一定時間內(nèi)收到從目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送 回來的應(yīng)答數(shù)據(jù)包后即可判斷該條備份路由是有效的，從而源節(jié)點(diǎn)選擇該條備份路由重新 傳輸數(shù)據(jù)。為了避免存在多條條W上）備份路由下源節(jié)點(diǎn)不斷查詢、探測而造成的時 延和路由開銷增大，源節(jié)點(diǎn)查找路由表中前=條備份路由。若前=條備份路由均顯示為無 效路由時，源節(jié)點(diǎn)則重新發(fā)起新的路由尋路過程而不再查詢剩余的備份路由。
[0017] 正常情況下，如果主路由沒有斷鏈，數(shù)據(jù)分組只在主路由上傳輸；主路由上的某個 節(jié)點(diǎn)發(fā)生斷鏈時，源節(jié)點(diǎn)則啟動多徑路由備份機(jī)制，重新選擇一條路由繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于采取W上技術(shù)方案，具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0019] (1)在路由選擇階段，通過擴(kuò)展RREP消息格式，引入最長路由有效時間機(jī)制，選擇 一條更加穩(wěn)定可靠的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少路由斷裂次數(shù)，降低路由發(fā)現(xiàn)時間，提高分組 投遞率；
[0020] (2)在路由維護(hù)階段，如果主路由失效，源節(jié)點(diǎn)直接利用已獲得多條備份路由進(jìn)行 路由修復(fù)，一方面，減少了數(shù)據(jù)分組被丟棄的可能性，提高了數(shù)據(jù)分組的投遞率；另一方面， 降低了源節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)的路由控制開銷；
[0021] (3)采用仿真工具NS2對ESRP協(xié)議進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，ESRP協(xié)議在 城市場景移動模型下的數(shù)據(jù)分組投遞率、平均端到端時延、歸一化路由開銷等性能指標(biāo)都 優(yōu)于VSRP、AODV協(xié)議，能夠提高車載通信系統(tǒng)的質(zhì)量。
【附圖說明】
[0022] 圖1是修改后的RREP報文格式；
[0023] 圖2是ESRP協(xié)議利用RREP報文計算鏈路LET示意圖；
[0024] 圖3是ESRP協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制流程圖； 陽O巧]圖4是基于RET的路由競爭策略流程圖；
[0026] 圖5是ESRP協(xié)議的多徑路由備份機(jī)制示意圖；
[0027] 圖6是ESRP協(xié)議的多徑路由備份機(jī)制流程圖；
[0028] 圖7是不同車輛節(jié)點(diǎn)下的分組投遞率比較曲線；
[0029] 圖8是不同車輛節(jié)點(diǎn)下的歸一化路由開銷比較曲線；
[0030] 圖9是不同車輛節(jié)點(diǎn)下的平均端到端時延比較曲線。
[0031] 圖10是不同數(shù)據(jù)分組