城市环境车用自组织网络多路径路由

谭文虎，余泽太，周宝定

（1.华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉430079；2.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉430079）

0 引 言

在无线通信网络中，由于干扰、路径丢失和信道衰落等影响，网络性能随着路径通信节点跳数的增加而逐渐降低。国内外研究学者利用各种通信技术，致力于提高车用自组织网络的通信性能。在这些通信技术中，多路径路由策略被认为是最具有潜力的解决方法，可以用来提高车用自组织网络通信性能，降低数据包的端到端延迟和包投递率，在一定程度上满足车用自组织网络提供多媒体业务所需服务质量的要求。

本文主要研究基于多路径的城市场景车用自组织网络的数据有效通信，其中包括多路径通信的干扰模型设计，优化的多路径路由协议设计思想，并通过仿真实验验证所提出路由协议优越性。所设计的协议降低了由于多条路径通信引起的数据冗余甚至网络风暴。路径收敛搜索特性保证数据总是面向目的节点传输，提高了数据包成功投递率，降低数据包投递的端到端延迟。

1 多路径路由研究现状

由于无线网络通信路径相互干扰或相关路径耦合的影响，网络通信性能受到限制。采用多路径通信时，当通信路径出现相互干扰、传输数据出现信道竞争时，将会导致大量数据包碰撞，反而会降低通信的吞吐量，从而引起更大的端到端延迟。如果合适选择通信路径，尽量避免通信路径节点间的干扰和信道竞争情况，使得信道资源在不同区域得到最大限度的利用，网络的通信性能就会得到较大程度的提高。

在经典研究中，多路径路由经常被用来提高网络通信的数据传递可靠性或获得负载平衡。相关研究采用多路由通信和多描述编码以提高网络的性能［1］，通过把多媒体流信息分割成几个子信息流，经过不同的路径把子信息流从源节点发送到目的节点，然后在目的节点重新组合。由于多径路由具有提高通信质量的特征，相关论文提出基于不相关和相互影响的多径路由机制［2］，在这些研究往往没考虑到链路接入层和路径耦合的影响。基于定向天线的多路径通信［3，4］在相关研究被提出，但当信息流较多时多路径链接可能失效。文献 ［5］提出应用于无线自组织网络优化的分裂多路径路由，但是文章关于路由策略的设计并没考虑到路径干扰。作为AODV 的延伸应用，AODV－Multipath（AODVM）［6］能够建立多节点不相交的路径。多路径AOMDV［7］协议可以计算无循环和不相关链路，该协议是通过把DSR 路径积累特征融入AODV 的延伸应用。Anggoro和Kitasuka通过把AODV 与AOMDV－PR 进行性能分析比较发现，优化的AOMDV 在延迟、包成功传输率以及网络负担上明显优于AODV。Mostafavi等［8］采用最优交通流分配策略，通过智能化算法实现多路径路由和自适应交通流共享策略，最小化各条通信路径的最大延迟。Zhang XiangBo等［9］基于DSR，采用道路感知和道路平衡策略，提出无线移动网络多路径DSR 路由通信协议，通过检测当前和未来活跃路由的拥塞状态以提高网络的稳健性，减少报文丢失率和频繁的路由中断。Raghunathan和Kumar［10］提出集合Wardrop均衡理论的分布式负载自适应多路径路由协议，当协议性能达到均衡时，源节点和目的节点之间所有建立的路径具有相对最低的延迟。B.Deb等［11］提出车用自组织网络的网关中继多路径通信协议，当数据包由于出错或握手遗失引起丢失时，该协议能够与中继网关和车辆间尽可能快速实现数据包重传。为了降低网络的不可靠性，Tsirigos和Hass在不相关多路径上引入分集编码和分发包。Orda和Sprintson［12］研究基于4G 的多路径通信模式，通过实验验证了网络服务质量的提高。Feteiha等［13］研究获取多路径条件下的最大化频带和空间。文献 ［14］提出基于道路的服务质量感知多路径路由RMRV，通过利用路径生存周期评估包延迟，提高无线自组织网络的服务质量。Won－Il Lee等［15］利用车辆间跳数和相对速度选择最优的多条路由，通过仿真发现该路由机制相对传单路径路由性能有很大程度的提高。文献 ［16］研究应用于车用自组织网络的位置感知多路径视屏流路由机制，该协议基于位置感知寻找多路径传输视屏数据，以保证视屏服务质量，提高网络的通信性能。

然而，以上所有提到的研究工作致力于路由的设计，而忽略干扰条件的影响，这些干扰因素在多径路由扮演十分重要的角色。相关的干扰因素主要包括MAC 协议、物理层通信技术、流内竞争、流外竞争等。目前VANETs研究中还没有设计出相关的路由算法能够在源节点与目的节点之间找出两个最小干扰的路径。Xiaoxia Huang等［17］通过仿真验证，当经过慎重的路径选择，节点不相关多路径路由在包投递率和端到端延迟等性能上要优于单路径路由通信。

2 多路径通信干扰模型

网络的连通性直接影响网络的通信性能，良好的网络连通性保证网络具有较高的数据包投递率和较低的端到端延迟。令r表示车辆节点的有效通信半径，λi表示任意道路段道i的节点空间密度，随机变量xi表示在通信范围r 出现的节点数目，则服从泊松分布的xi概率质量函数表示为

当xi＝0 则表示当前节点通信范围r 内不存在邻居节点

则当前节点在通信范围r内至少存在一个邻居节点的概率即

li表示道路段i的长度，于是道路段i路径连通性Pi表示为

如图1所示，源节点通过两条路径分别向目的节点发送数据包。令P1、P2分别表示两条路由的连通概率，其中第一条通信路由是由m 条连续的道路段组成，并且每条道路段的连通概率为P11、P12、...、P1m，则该路由的连通性即

m 条连续道路段组成另一条通信路由，各道路段的连通概率分别为P21、P22、...、P2n，则该路由的连通概率为

当通信时路由之间相互无干扰，则数据包通过多路径路由传输成功的概率为

图1 多路径通信的路由相互干扰

由于P1≤1，P2≤1，因此P1P2≤min｛P1，P2｝。由此可以得到PC≥max｛P1，P2｝。即在路由无干扰或无路径耦合时，多路径路由网络通信性能优于单路径路由通信。由于路径耦合引起通信路由可靠性受到影响，即

其中α1＝α11·α12…α1m，α2＝α21·α22…α2m，并且0＜α1，α2≤1，表示路径的影响因子；其中α11、α12…、α1m、α21、α22、…α2n为每条道路段的影响因子。则多路径通信可靠性即

3 多路径路由协议

本节提出优化的多路径路由 （improved multipath routing，IMPR）用于提高网络的端到端延迟和数据投递率。多路径通信性能会受到通信流量、信道容量等条件的限制，很容易引起网络的数据包数量呈指数增加。IMPR 转发数据包遵循的两个基本原则如下：

（1）数据包在道路段内不采用多路径路由，只有当数据到达交叉路口附近，协议根据路径选择准则进行多路径路由选择；

（2）基于道路段连通性最优、距离最优的准则选择多条最优通信路径，数据包沿着选择的最优路径有效转发。

道路段内数据的单路径通信能够较有效避免链路间的相互干扰，数据碰撞和冗余度会大幅度降低，从而提高数据成功传输的概率，降低网络产生数据风暴的危险。无线通信信号在交叉路口拐角处由于信号功率的急剧衰减，很容易引起链路的突然断裂。因此城市车载自组网数据包在交叉路口能否有效成功传输，很大程度上决定了无线通信网络的通信性能。

为了降低由于多路径通信引起的网络通信负担，每个数据包自动记录自身所经历的交叉路口。若交叉路口附近的节点所接收的数据包曾在该路口被转发，或该节点曾接收过该数据包，该节点只需简单忽略它。

如图2所示，位于交叉路口I1附近的源节点vs向位于交叉路口I10附近的目的节点vd发送数据包。其中（I1，I2）为vs到与I1相连所有道路段的连通性最优道路段，（I1，I3）为距离最优 （物理上距离目的节点最近），于是数据包分别沿着通信路径（I1，I2）和（I1，I3）两条路径转发。（I2，I4）在连通性和距离上皆为最优，因此在交叉路口I2附近数据包只需沿着路径（I2，I4）继续转发。数据包在转发过程中记录所经历的路径和交叉路口，当队列头接收到的数据包曾经从当前交叉路口被转发过，该队列头则直接丢弃该数据包。

图2 基于连通性和距离最优的多路径路由

4 仿真结果及分析

4.1 仿真环境及参数设置

本文采用NS2［18］网络模拟器仿真对用于车用自组织网络环境的路由协议GSR、GyTAR 与本文提出的多路径路由IMPR 进行性能仿真比较。实验采用车辆Ad Hoc网络移动模拟器VanetMobisim［19］生成仿真场景。设置仿真道路交通网络环境尺寸为2500×2500平方米街道区域，通信场景包括8个交叉路口和22条道路段；道路上行驶的车辆数目分别设置为100、150、200、250和300；车辆行驶速度范围为每小时24～88km；车辆在行驶过程中，由于交通设施控制的干扰而会出现减速、加速和停止等状态；仿真最初每条道路段随机分布节点，每个车辆具有相同的250 m通信半径；采用尺寸为512bytes CBR 数据流，设置15条通信数据流，数据包的速率设置为1～10包／秒。

4.2 结果性能分析

本文分别从无线通信网络的数据包成功投递率、端到端的平均延迟和网络开销3个指标进行仿真，并比较分析实验结果。

从图3可以看出，随着数据包速率的逐渐增加，通信网络随之变得繁忙，通信路径的端到端延迟也随之而增加。结果表明IMPR 协议的数据包端到端延迟明显小于GyTAR和GSR。这主要是由于IMPR 的数据包经过优化的多路径传输，能够及时到达目的节点，降低数据包传输的等待时间，从而提高网络的实时性能。GyTAR 和GSR 由于路径局部最优容易引起全局最差，影响数据包有效传输。

图3 端到端延迟比较

从图4和图5可以看出本文提出的IMPR 投递率要高于GyTAR 和GSR。图4表明随着数据传输率的增加，数据投递率由于网络逐渐繁忙而随之降低，IMPR 的数据包投递率最高。图5表明随着节点数据的增加，网络的投递率也逐渐变大。足够的节点数目保证网络较好的连通性。IMPR 的投递率明显高于GyTAR 和GSR。优化的多路径能够更好的保证数据包的有效传输。

图4 平均投递率比较

图5 投递率随节点数目变化

从图5可以看出，IMPR 的网络开销小于GyTAR 和GSR。GyTAR 和GSR 在遇到局部最优时，路径恢复需要相当数量的数据控制包实现通信路径的重建。由于优化的多路径路由保证数据包的有效传输，可以有效避免网络路径的恢复或重新连接而增加控制包的数目。一方面协议只有在交叉路口进行多路径路由选择和数据包的转发，另一方面基于收敛多路径路由选取准则，进一步避免了控制包和数据包呈指数形式的增加，从而有效降低了网络开销，减少数据包碰撞。网络开销变化如图6所示。

图6 网络开销变化

5 结束语

本文研究城市环境车载网络的多路径数据传输问题，首先通过分析城市环境道路交通网络的特征，提出应用于无线车载网络环境的多路径通信干扰模型。在此基础之上提出优化的多路径路由协议IMPR。IMPR 基于车辆间距离和链路的连通性选择最优路径，转发在交叉路口附近的数据包，实现数据包的多路径有效转发，从而保证路径的收敛性和网络的通信性能。通过仿真验证表明，本文所提出的路由协议能够有效提高数据包投递率，降低端到端延迟和网络开销。

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