基于簇理论的高速公路通信系统传输机制设计

刘轶 ；涂义根

（1.江西路通科技有限公司，江西南昌 330000；2.江西省公路投资有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

高速公路通信系统以公路为依托而修建，因此也具有了高速公路地理位置方面的物理特性，并在地理位置上已经具备簇的特征和属性。构建基于簇的高速公路通信数据传输机制，并通过簇头选择标准及算法设计确定分簇，设置数据传输机制协议，构建起分层通信方式，可为数据信息传输提供可靠保证，并有效避免传输延时、缩短传输时间，确保通信数据传输的实时性、稳定性与可靠性。

1 工程背景

某省高速公路通信网络结构按照三级模式规划，包括设置在其省会城市的通信中心、设置在各地市的各条公路通信管理处以及设在收费站服务区的各路段通信站。省中心到各分中心属于干线网，分中心到各收费站则为接入网。

根据相关部门对该高速公路数据实时传输保障平台及分布式存储协同机制运行状况的研究发现，该省高速公路通信光纤专网虽然早已建成，并伴随着新路段的修建在不断延伸拓展，但普遍存在以下问题：（1）光纤专网链路质量存在较大差异。该省高速公路不同路段建设时间不同，早期建成的高速公路光纤专网部分已经老化损坏，中断现象频繁发生；（2）该省高速公路光纤专网逻辑中心节点位于其省会城市，同时也是各类业务数据存储中心和整个高速公路通信系统指挥中心所在，但是该省会城市周边光纤专网也因年代久远而经常中断，其干线传输系统并非网状组网，但新建高速公路专网只能通过这些老化的专网与省中心连通，严重影响专网连接；（3）该省高速公路光纤专网覆盖范围和规模与电信专用网络相当，但在运行维护及硬件投入方面却略显不足，光纤多次熔接，信号严重衰减，网络抖动、数据传输延时及丢包等现象频繁发生。综上所述，该省高速公路通信系统单纯依靠光纤专网确保数据传输的可靠、稳定、实时显然是不现实的。

基于此，本研究提出基于簇的高速公路通信传输机制，以解决该省高速公路通信系统数据传输的可靠性和稳定性问题。

2 基于簇理论的通信系统传输机制

2.1 消息及数据结构

考虑到分布式分簇及通信数据传输的需要，必须进行相应数据存储及传递，各节点所存储的数据结构大致包括簇头选择指标、中心连通状态，簇头及簇成员表、簇存储信息等。

（1）簇头选择主要从节点间选择能力最佳的节点，并将其设定为簇头，其中，分布式自适应簇头主要通过延时权重算法确定，其延时权重主要取决于节点和中心以及节点和邻居节点的延时[1]，由式（1）表示：

式中：WD为延时权重；Delayc为节点和省中心通信连接的延时；D为节点和邻居节点延时均值。

若某节点的有效邻居节点数为n，则节点和邻居节点延时均值按式（2）确定：

若任意两个节点延时权重WD相等，则应以其中较大的节点为簇头节点。

（2）中心连通状态是节点与省中心连通状态的记录与体现，包括网络类型、延时、中心节点、IP 地址、连通率等。

（3）簇头是节点所处簇记录的簇头节点id，若节点尚未加入簇，则无取值。记录簇头及簇成员节点信息的簇信息表存储于省中心。

（4）协议消息主要由簇头消息、簇加入效益、簇成员、簇竞选消息等组成。分簇协议消息格式详见表1。

表1 分簇协议消息格式

2.2 分簇及簇维护协议

分簇过程中节点表现为未确定、簇头及簇成员三种状态，节点自身状态改变主要通过消息传递进行，分簇则通过计算簇头指标实现[2]。节点状态转换情况详见图1。

图1 节点状态转换示意图

簇头按照不同算法将分簇及簇成员信息向省中心汇报：

算法1：节点处于未确定状态（UN）。通过向有效相邻节点发送hello-join 请求并等待t1 时间后加入簇，若接收到簇头所反馈的hello-CH 信号则加入簇成功，对应步骤（1），同时向簇头发送hello-CM 信号；相反，若未接收到簇头信号，则进一步发送hello-cont 进入选择新簇环节，该节点簇头选择指标值包含在hello-cont中，相邻节点也同时发送hello-cont请求并等待t2时间；选择其中指标最小的节点为簇头，并由该簇头发送hello-CH 信号，对应着步骤（2），其余接收到hello-CH 信号的节点则构成所在簇成员，对应步骤（3），节点状态也相应调整为CM。

算法2：节点处于簇头状态（CH）。定时将hello-CH 信号发送至簇成员节点，若超时未接收到成员节点反馈的hello-CM 信号，则将该成员节点删除，并将其余簇成员节点信息汇报至省中心；若在规定时间内接收到成员节点反馈的hello-join 信息，则及时回复hello-CH；若收到的是成员节点反馈的hello-CM 信号，则将该成员节点增加至簇成员表。对于未汇报至省中心的簇成员节点信息，对应步骤（6），其节点状态也相应变更为CM。

算法3：节点处于簇成员状态（CM）。若接收到簇头节点hello-CH 信号，并及时回复hello-CM，如超过时间t3而未收到簇头节点hello-CH，则将相应簇头信息删除，即对应步骤（4），节点状态也相应改为UN，簇分离。对于簇头状态（CH）同样处理，若超出系统认定时间而未收到簇头节点信息，则将相应簇头信息删除，对应步骤（5）。

在以上处理中，凡是改变节点状态，均需要重置簇头和簇成员表，若节点变更为UN 状态，则应清空簇头和簇成员表，若节点变更为CH 状态，则应重新将簇头设置为该节点，若节点变更为CM 状态，则应清空簇成员表。省中心将依据簇头所发送的簇成员信息重新构建簇成员表。

包括簇合并和分裂的簇维护主要通过消息传递及改变节点状态实现。在进行簇维护时，簇头按照t1的时间周期发送hello-CH；在簇分裂时，处于CM 状态的节点若在t3时间内未接收到任何hello-CH，则随即进入簇头竞争，并同时发送hello-cont进入选择新簇环节，对应步骤（3）；处于CM或CH状态的节点若在t3时间内未接收到任何hello-CH 和hello-CM，则可认为相邻节点不存在，随即退回UN状态，对应步骤（4）和（5）。在进行簇合并处理时，处于CH 状态的节点若接收到相邻节点发出的hello-CH，并在间歇t4 时间后还能接收到hello-CH，则应重新成簇，并重新将指标值较小者选定为簇头，指标值较大者则变更为簇成员，对应步骤（6）。

2.3 数据传输协议

基于以上对分簇的分析，可借助簇头实现中继数据传输及确认，使各节点均接收到至少一份省中心数据拷贝。数据包及ACK1、ACK2、ACK3 三类确认消息共同构成协议消息，且簇头与簇头、簇头与簇成员及省中心之间的确认也主要通过这三类确认消息。

基于簇的数据传输协议主要包括以下算法：

算法1：省中心数据信息发送。针对簇信息表内的全部簇建立数据包，并将目的节点id 和id list 分别设为簇头和簇成员节点id list，并分别发出数据包，等待t3时间；若接收到簇头j 所发出的ACK3 消息，并存在接收不正确的节点，则整个传输单元应重新传递。

算法2：簇头数据信息传输。若接收到省中心反馈的数据包，则应回复ACK1，并构建节点id list 中全部节点i 的数据包，分别将目的节点id 和id list 设为节点i和空，发送数据包，并等待t5 时间。若接收到的簇成员节点i 发出的ACK1，则同时触发t5 定时器，并结合未接收到的簇成员节点数据包构造ACK3。

算法3：簇成员数据传输。接收到簇头数据包后回复ACK2，并应通过三次确认机制确保各节点接收到省中心数据拷贝。

3 仿真试验

3.1 仿真环境设置

考虑到无线传感网络内能量传输能力对于簇头节点射频信号强度依赖程度较高，并且簇头节点更换较为频繁，如遇簇头节点射频信号传输过程暂停，则会影响整个网络正常运行。因此以网络拥塞时间、网络稳定时间等为主要判断指标进行簇头轮询机制性能的判断。当网络处于正常工作状态时，CH 和CM 节点的角色会根据DARM 机制或TSTM 机制切换和变动，为此，仿真试验主要通过分区数量、分区内节点个数、节点初始能量等变量控制以验证所提出的高速公路通信系统传输机制运行的有效性。

该省基于簇理论的高速公路通信系统传输机制仿真试验在源代码公开、免费的软件模拟平台Network Simulator version 2（NS2）中进行，省中心用n0 表示，收费节点分别用n1、n2、……表示，不同节点之间由光纤和VPN 互联，构建网络拓扑图，光纤链路带宽100Mbps、延时8ms、丢包率1%；VPN 链路带宽10Mbps、延时20ms、丢包率5%。省中心向其余节点均通过TCP的FTP类型应用发送相通数量的1 000byte数据包，在单位路径信息约500k字节的情况下，一个路径信息所发送的数据包个数为500个。分别采用直接传输和分簇传输两种方式。其中，直接传输主要借助VPN网络，而分簇传输则通过光纤。分簇传输中设定三个簇，各簇均设置为10个节点，并以簇中编号最小的节点为簇头节点。

3.2 仿真结果分析

随着无线传感网中路径信息流发送量逐次增大，VPN 和光纤两种传输方式下数据发送量对数据延时发送的影响以及发送量对路径信息平均完成时间的影响分别见图2和图3。这是因为无线传感网络中CH节点数量随着路径信息流发送量的增大而增加，网络能量传输风险程度得以降低，网络运行质量随之提高。因存在TCP发送窗口方面的要求，在网络中节点增加且并发流数量确定的基础上，路径信息平均完成时间无明显变化，数据传输延时及路径信息完成时间也无较大差异[3]。这是因为网络中CH 节点数量主要由分区数量决定，而一个分区内通常仅包括一个CH 节点，因此网络节点数对路径信息平均完成时间并无明显影响。

图2 发送量对数据延时发送的影响

图3 发送量对路径信息平均完成时间的影响

4 结语

综上所述，基于簇理论的高速公路通信系统传输机制设计通过分簇以及数据传输机制协议设计，并构建分层通信方式，能在当前高速公路运行数据量规模下有效解决通信系统运行的可靠性及稳定性问题，仿真结果以及实践经验均表明，与常规的单纯依靠光纤专网进行高速公路通信数据传输的设计相比，基于簇理论的传输机制能有效解决高速公路通信数据传输延时、丢包等问题，节省数据传输时间，实现通信数据传输的实时性、可靠性及稳定性。