基于4G辅助的车载网地理路由算法

陈志国 滕桂法 周晓磊

摘 要： 针对车载网（VANETs）城市场景的路由问题，提出基于4G网络的长期演进（LTE）和VANETs混合结构的地理路由LTE?GR。LTE?GR路由充分利用LTE高峰速率和低时延特性，辅助VANETs间的数据传输。基站eNodeB收集路段信息，计算路段稳定值，并与门限值进行比较，若小于门限值，则利用eNodeB转发数据包;否则，就引用贪婪转发地理路由传输数据包。仿真结果表明，相比于同类路由，提出的LTE?GR路由能有效地提高数据包传输率、端到端传输时延性能。

关键词： 车载网; 地理路由; 长期演进; 路段稳定值; 连通率; 传输率; 传输时延

中图分类号： TN915?34; TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

作为最有前景的智能交通技术，车载网（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）成为无线网络研究的热点[1?2]。为了提高驾驶员和乘客出行的舒适度，将其应用于车辆，特别是有关安全和舒适应用在车载通信中广泛使用，如乘客安全应用、多媒体应用以及Internet浏览。典型的VANETs的结构如图1所示。

VANETs通过车间通信 （Vehicle to Vehicle，V2V）及车与基础设施（Vehicle to infrastructure，V2I）通信提高交通安全，为各类应用提供了平台。

相比移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Networks， MANETs），VANETs表现出独特的特性，如车辆高速移动、车辆通信距离短。此外，由于VANETs中的安全应用关乎到人们的财产、人身安全，相比于MANETs，VANETs对数据包传输的性能要求更为苛刻。例如，VANETs安全应用中的紧急车辆信号需限定于1 s。为了提高数据包传输性能，VANETs常采用多跳广播机制，但是广播机制产生广播风暴问题[3]。

具体而言，在VANETs中当车辆分布密度过大，多个车辆同时传递数据时，就容易导致数据包拥塞，即广播风暴问题，其会增加数据包传输时延，甚至丢失数据包。为此，常利用概率泛洪[3]和簇算法[4?5]解决广播风暴问题。

当车辆分布密度过小，则车辆与车辆间无法连通，就会出现网络割裂现象。在这种情况下，常采用存储?携带?转发算法分发数据包。然而，存储?转发算法也增加了数据包的传输时延。文献[6]中的研究表明，若传输时延从几秒增至几分钟时，数据包传输成功率将下降60%。

近期，研究人员开始把目光投注于蜂窝技术。通过蜂窝技术代替基于IEEE 802.11p的VANETs网络。文献[7]已开始研究如何将第三代移动蜂窝系统（Universal Mobile Communication System，UMTS）应用于车辆通信。相比于第三代蜂窝系统，第四代蜂窝系统长期演进（Long?Term Evolution，LTE）提升了容量和数据传输速率。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，传输时延限定在5 ms内。然而，尽管LTE系统提供了高速率、低时延通信服务，但是若车载通信全部采用LTE系统是不现实的。由于LTE系统中的eNodeB基站造价、安装以及运营成本高，全部采用LTE系统是不经济的。实际上，在正常的场景中，VANETs通信系统能够保持数据的正常传输。只是在恶劣场景下难以维持车间通信。

为此，可将LTE系统与VANETs相结合构成混合结构。文献[8]研究了蜂窝通信在VANETs的使用。而文献[9]也证实了通过蜂窝通信可提供数据传输性能。

此外，由于车辆的快速移动，MANETs中的路由协议不再适用于VANETs，而无需全局网络拓扑信息的地理位置路由协议受到广泛关注。由于地理位置不需要建立路由表，只是利用邻居车辆位置转发路由，能够较好地克服车辆的高速移动。

为此，本文基于LTE与VANETs的混合结构，并结合地理位置路由协议[10]，提出LTE?GR路由算法。LTE?GR路由利用LTE辅助数据包的传输。LTE收集路段信息，若路段稳定值高于门限值，说明车间通信连通情况良好，就可利用地理位置路由转发数据包;反之，若路段稳定值低于门限值，说明车间通信连通情况差，存在未连通情况。在这种情况下，利用eNodeB转发数据包，进而提高数据包传输成功率。

1 系统模型及约束条件

1.1 系统模型

考虑典型的城市场景，如图2所示。建立由道路、十字路口、障碍物组成道路模型，并且由eNodeB辅助VANETs的数据传输。

所谓V2V就是指：在视距范围内，每个车辆与其通信范围内车辆间的通信。然而，城市环境中障碍物常阻碍了V2V通信。在这种情况下，车辆就向最近的eNodeB发送数据，再利用eNodeB转发数据包。

V2R/R2V通信是指车辆与旁边设施间的通信，旁边设施包括Internet接入点、服务器等。

V2E/E2V通信是指车辆与eNodeB间的通信。由于eNodeB有足够的通信范围，它不受障碍物的影响。

1.2 约束条件

提出的LTE?GR算法基于以下约束条件：

1） 假定每个eNodeB和车辆均安装了全球定位系统GPS和数字地图，通过数字地图能够获取周边的十字路口信息;

2） 利用网格位置服务，网络节点能够获取目的节点位置;

3） 所有eNodeB周期地维持、更新每个路段的邻居表;

4） 假定eNodeB总是有足够的能量，并且能够实现空对地、地对空通信;

5） 将四个路段看成一个区域，每个区域至少被一个eNodeB覆盖;

6） 每个车辆周期地广播HELLO消息。LTE?GR算法在原有的HELLO消息上增加了一个字段，其包含所有路段的连通率和状态。

2 LTE?GR算法

2.1 连通率的估计

在LTE?GR算法中，eNodeB采用集中式方式估计连通率，致使每个路段依据车辆传输范围划分为多个固定区域（Zone）。每个eNodeB类似于无人机一样盘旋路段上方，监听地面上车辆发送的HELLO消息，如图4所示。

具体而言，先依据收集的HELLO消息，eNodeB维持每个路段的邻居节点表。然后，从表中提取两个连续十字路口间固定区域内车辆的地理位置。最后，依据车辆准确位置和路段连通信息计算连通率。例如，如图4所示的路段1，建立的邻居节点表如表1所示。

依据建立的邻居表，先计算每个路段的平均车辆数[AVsegment]：

2.2 路段稳定值

传输数据的路段越稳定，数据传输越流畅。为此，选择最稳定的路段传输数据。因此，定义每条路段的稳定值，假定路段[i]的稳定值[Si]为：

2.3 LTE?GR路由的基本思想

LTE?GR路由的根本思想就是将贪婪地理路由[10]和LTE系統相结合。当路段稳定值大于门限值，则表明路段连通情况良好，采用贪婪地理路由。否则，就利用LTE网络辅助传输，即通过LTE网络中的eNodeB转发数据包，实现过程如图5所示。

1） 路段稳定值小于门限值[Sth，]此时，源车辆S将数据消息传输至LTE网络;

2） LTE网络中的eNodeB基站接收后，从中提取目的地址信息，并判断目的车辆是否在自己的覆盖范围内，若是，则该车辆直接传输;否则将利用LTE网络将数据消息转发至邻居的eNodeB基站;

3） 邻居的eNodeB基站接收数据消息后，重复步骤2）。

3 性能分析

3.1 仿真环境

为了更好地分析LTE?GR算法的性能，利用NS2建立仿真平台。考虑3 000 m×3 000 m城市道路区域，且有9个十字路口，如图6所示。同时，利用VanetMobiSim移动产生器[12]产生车辆移动文件。初始车辆随机分布于区域内，且车辆速度以0～50 km/h的速度在双向车道上移动，具体的仿真参数如表3所示。仿真时间为350 s，每次实验独立重复50次，取平均值作为最终的仿真数据。

在分析LTE?GR算法性能时，选择IRTIV [13]，VDLA[14]进行比较，并从数据包传递率、端到端传输时延以及平均跳数三方面分析它们的路由性能。数据包传递率等于目的节点所接收的数据包数与源节点发送的数据包数之比;端到端传输时延等于数据包从源节点传输至目的节点所需的平均时间;而平均跳数是指成功传输的数据包的平均跳数。平均跳数越小，路由性能越好。

3.2 数值分析

3.2.1 数据包传递率

三个路由的数据包传递率随车辆数的变化情况如图7所示。从图7可知，数据包传递率随车辆数的增加而升高，原因在于车辆数的增加，提高了车间通信的连通概率，进而提高了数据包传递率。此外，相比于VDLA和IRTIV，LTE?GR路由算法具有较高的数据包传递率。原因在于LTE?GR算法利用LTE系统计算路段的稳定值，并利用LTE系统辅助数据包的传输，提高了数据包传递率。而IRTIV和VDLA算法尽管也计算路段的稳定值，但是在未连通情况下，很难准确地计算路段稳定值，降低了正确选择路由的概率。

3.2.2 端到端传输时延

图8显示了VDLA，IRTIV和LTE?GR路由的端到端传输时延。从图8可知，LTE?GR的端到端传输时延最低，并且时延并不随车辆数变化而波动，一直保持稳定值。原因在于LTE?GR路由充分利用LTE系统的高速率、低时延的数据传输特性，通过eNodeB转发数据，提高了数据包传输成功率。而VDLA和IRTIV仅利用贪婪转发策略传输数据，一旦遭遇网络断裂，就需存储转发，这必然增加传输时延，并且随车辆数变化处于波动状态。 相比于VDLA和IRTIV，LTE?GR的端到端传输时延性能得到有效提高，例如IRTIV的平均时延约0.5 s，而VDLA的平均时延约0.75 s，而LTE?GR的平均时延只有0.01 s。

3.2.3 平均跳数

三个路由协议的平均跳数如图9所示。从图9可知，在车辆数越多的情况下（密度区域），LTE?GR的平均跳数少于VDLA和IRTIV。原因在于LTE?GR路由在高密度区域内能够快速地找到连通路由，并降低路径跳数。然而，在低密度区域，LTE?GR路由通过交互数据包建立连通路径，增加了跳数。而VDLA的平均跳数较低，低于LTE?GR路由。

4 结 语

在城市车辆环境中，障碍物的存在给寻找最短端到端的连通路径提出了挑战。为此，提出基于LTE和VANETs混合结构的地理路由LTE?GR。LTE?GR利用LTE的高峰值和低时延的传输特性，提高VANETs的数据包传输特性。基站eNodeB先收集路段信息，然后计算路段稳定值，再依据路段稳定值判断道路的连通情况。如果存在连通路径，就利用贪婪地理路由传输数据包，否则就利用eNodeB转发数据包。实验数据表明，提出的LTE?GR路由能够有效地提高数据包传递成功率，降低传输时延。

注：本文通讯作者为滕桂法。

参考文献

[1] RAJ C， UPADHAYAYA U， MAKWANA T， et al. Simulation of VANETS using ns?3 and SUMO [J]. International journal of advanced resource computing science and software enginee?ring， 2014（2）： 563?569.

[2] GORRIERI A， FERRARI G. Irresponsible AODV routing [J]. Vehicular communications， 2015， 2（1）： 47?57.

[3] PIRES R D M， ARNOSTI S Z， PINTO A S R， et al. Experimenting broadcast storm mitigation techniques in FANETs [C]// 2016 the 49th Hawaii International Conference on System Science. Hawaii： IEEE， 2016： 5868?5877.

[4] CoCar. Project cooperative cars [EB/OL]. [2015?03?25]. http：//www.aktivonline.org/english/aktiv?cocar.html.

[5] ARANITI G， CAMPOLO C， CONDOLUCI M， et al. LTE for vehicular networking： a survey [J]. IEEE communication magazine， 2013， 51（5）： 148?157.

[6] PRASAD A， KUNZ A， VELEV G， et al. Energy?efficient D2D discovery for proximity services in 3GPP LTE?advanced networks： ProSe discovery mechanisms [J]. IEEE vehicular technology magazine， 2014， 9（4）： 40?50.

[7] UCAR S， ERGEN S C， OZKASAP O. Multihop?cluster?based IEEE 802.11p and LTE hybrid architecture for VANET safety message dissemination [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2016， 65（4）： 2621?2636.

[8] SIVARAJ R， GOPALAKRISHNA A K， CHANDRA M G， et al. QoS enabled group communication in integrated VANET?LTE heterogeneous wireless networks [C]// Proceedings of the 7th IEEE Wireless & Mobile Computing Conference. [S.l.]： IEEE， 2011： 17?24.

[9] BENSLIMANE A， TALEB T， SIVARAJ R. Dynamic clustering?based adaptive mobile gateway management in integrated VANET： 3G heterogeneous wireless networks [J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2011， 29（3）： 559?570.

[10] 贾航川，吕娜，张衡阳，等.一种两跳自适应信标航空贪婪周边无状态路由（GPSR）协议[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2014，26（6）：832?837.

JIA Hangchuan， L? Na， ZHANG Hengyang， et al. An advanced GPSR routing protocol based on two hops and adaptive beacon mechanism for aeronautical use [J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications （natural science edition）， 2014， 26（6）： 832?837.

[11] 赵慧，刘明，刘念伯，等.城市车载网络中基于停放车辆辅助的数据分发[J].软件学报，2015，26（6）：1499?1515.

ZHAO Hui， LIU Ming， LIU Nianbo， et al. Parked?vehicle assisted data dissemination paradigm for urban vehicular Ad Hoc networks [J]. Journal of software， 2015， 26（6）： 1499?1515.

[12] HARRI J， FILALI F， BONNET C， et al. VANETMobiSim： generating realistic mobility patterns for VANETs [C]// Proceedings of the 3rd International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks. Shanghai， China： IEEE， 2006： 96?97.

[13] OUBBATI O S， LAGRAA N， LAKAS A， et al. IRTIV： intelligent routing protocol using real time traffic information in urban vehicular environment [C]// 2014 the 6th International Conference on New Technologies， Mobility and Security. [S.l.]： IEEE， 2014： 1?4.

[14] ZHAO C， LI C， ZHU L， et al. A vehicle density and load aware routing protocol for VANETS in city scenarios [C]// 2012 International Conference on Wireless Communications & Signal Processing. [S.l.]： IEEE， 2012： 1?6.