基于邻近节点集的车载自组织网络路由协议的研究

第 1 章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

随着人民消费能力的日益提高，道路上的车辆逐年增多。这虽然方便了人民的生活，但也带来了各种交通问题，如堵车，停车难，交通事故频发等。目前，世界各国的道路行车安全问题都十分严峻。世界卫生组织表示，仅 2015 年全球因为交通事故造成的死亡人数就高达 93 万人。中国作为世界汽车大国，在 2015年就发生了 20 多万起交通事故。研究表明引发交通事故的因素包括人、车辆、道路以及天气等。（1）人的因素[7]。人是道路交通的主体。道路上的人包括机动车驾驶员、非机动车驾驶员以及行人等。驾驶员违章操作或者行人违反交通规则都有可能引发事故。（2）车辆因素[8-9]。车辆是道路交通中的重要元素。机动车在长期使用过程中需要承受各种应力，如外部环境应力、内部功能应力和行驶应力等。这些应力会导致汽车的状态参数发生变化，如果不按时进行车辆状态监测，就很有可能造成道路交通事故。

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1.2 国内外的研究现状

目前国内外的学者对车载自组织网络路由协议的研究主要集中在：减少网络时延[16-20]、降低网络开销[21]、减少时延抖动[22-24]、扩大网络吞吐量[25-26]、降低丢包率[27-32]等。国外对网络层路由协议的研究已经取得了卓越的进步，国内对车载网络路由协议的研究主要集中要各个高校和研究院，虽然起步较晚,但也取得了一定的成果。就链路断裂、网络开销以及吞吐量而言，在 2013 年，文献[33]的作者对不同的信息设置了优先级，然后又对车辆进行了分簇，通过簇首之间的通信来传输信息，从而减少了网络的开销。文献[34]的作者为了减少链路断裂，于 2014 年，利用连续的概率分布函数-正态分布计算了车辆之间的通信链路的可靠性，并基于链路的可靠性不断的调整信息的传输路径，从而形成了一条可靠的信息传输路径。文献[35]的作者在同年采用田口方法改进了车载网络路由协议，在高速公路场景下对改进算法进行仿真，结果表明改进的路由协议不仅优化了网络的吞吐量还减少了丢包率。在文献[36]中，为了设计出高效安全的信息传输路由协议，作者提出了数据包的值的概念，以量化这些数据的偏向性。然后设计了基于数据包的值的数据信息安全传输路由协议 PVcast。仿真结果显示 PVcast 路由协议明显的改善了辆车的吞吐量。

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第 2 章 相关技术

2.1 车载自组织网络的特点及应用

车载自组织网络是移动自组织网络在道路交通上的运用，是智能交通系统与物联网的重要组成单元。所以，车载自组织网络有其独有的特点与应用。车载自组织网络的独特之处为：高速移动性[44]，可预测的移动路径[45]，无限制的电源使用[46]。高速移动性是因为行驶在道路上的车辆时速一般为 20km/h到 120km/h，这就会致使车辆节点频繁地加入或者退出车载自组织网络，使得网络的拓扑结构在短时间内发生较大的改变。所以，，车载自组织网络对路由协议提出了更高的性能要求。可预测的移动路径是指车辆只能沿着道路方向行驶，因此，车辆节点的运动状态具有规律性。所以,在研究过程中,可以根据车辆的行驶规律以及速度限制,设计出接近于真实道路场景的路由协议,以此来提高协议的性能。无限制的电源使用是因为通信模块是安装在车辆上的，所以模块可以由车辆提供电量，所以不像无线传感器网络一样要考虑供电的问题。只用车辆可以行使，通信模块就可以运作。

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2.2 车载自组织网络中的路由协议

车载自组织网络主要包括，基于拓扑结构的路由协议,基于地理位置信息的路由协议以及基于电子地图的路由协议。其中基于拓扑结构的路由协议又包括表驱动路由协议（DSDV）和按需驱动（AODV，DSR）。目前车上都安装有 GPS，通过 GPS 设备可以获得车辆的位置信息，所以基于地理位置信息的路由协议拥有广阔的运用前景,其中以 GPSR、LAR 等协议为典型代表。基于电子地图的路由协议主要运用于路径规划方面，目前各位学者对这块的研究比较少，但是这种路由协议是车载自组织网络的一个重要发展方向。本文是在基于拓扑结构的路由协议的基础上进行改进的，所以下面对该模块的协议进行简单介绍。

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第 3 章 双向单车道场景下基于邻近节点集的路由协议...............11

3.1 相关工作................11

3.2 问题的假设及模型的建立...............12

第 4 章 双向多车道场景下基于邻近节点集的路由协议...............27

4.1 相关工作...............27

4.2 场景的描述与模型的建立...............28

第 5 章 仿真与分析...............41

5.1 仿真工具的介绍.................41

5.2 双向单车道场景下基于邻近节点集的路由协议仿真...............43

第 5 章 仿真与分析

5.1 仿真工具的介绍

NS-2（Network Simulator version 2）[62-63]是一种专供与各类网络技术的模拟平台。它有关于网络数据传输的公开源代码，便于用户按照自己的需求通过编程自行定义。NS-2 可以模拟不同的通信网络，因此成为了学术界广泛使用的无线网络通信的仿真软件。NS-2 采用分裂对象的原理由 C++和 Otcl 两种程序设计语言实现。其中 C++语言实现各种网络组件，Otcl[64]语言用于搭建仿真平台。Otcl是一种无强制类型的解释执行的脚本语言，可以通过添加新的 C 函数来增加 Otcl的命令和功能。NS-2 中封装了很多类模块[63]，其中常用的包括事件调度器，分类器，拓扑结点，拓扑结点连接类以及连接器。事件调度器用来跟踪仿真时间并根据预定时间安排队列中的事件，激活当前时间对应的处理该事件的网络对象。事件在 NS-2中有唯一的 ID 号的数据包，所以事件调度器可以维护一个排序的数据结构，对事件有序地执行，释放，并激活事件处理对象。分类器可以分为地址分类器以及多播分类器。拓扑结点是一个复合对象，它由一个结点入口和若干个分类器构成。拓扑结点连接类用来连接网络结点的，一个基本的连接包括入口，数据包缓冲队列，延迟处理对象，废弃处理对象和时间处理对象。连接器的派生类对象包括缓冲队列，延迟，数据包代理和对象的跟踪器。

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5.2 双向单车道场景下基于邻近节点集的路由协议仿真

仿真思路为：首先在 VanetMobiSim 中通过对 xml 文件进行配置,设置节点的移动模型和道路场景，生成可以适用于 NS-2 进行网络通信仿真的节点移动拓扑文件。然后运行 NS-2 调用已经编译生成的包含节点参数配置的脚本文件,分别针对 DSDV 路由协议，文献[59]中的 HRAR 路由协议以及基于邻近节点集的路由协议进行仿真。最后,提取出有效的数据信息使用 MATLAB 进行描点画图并对图形进行分析。

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结论

随着无线传感器技术以及无线通信技术的发展，车载自组织网络逐渐成为了学者们研究的焦点。利用车载自组织网络解决道路安全问题大势所趋。本文主要是针对道路上信息的传输问题进行研究。首先对研究背景以及意义进行了简要介绍，介绍了 VANET 现有的路由协议以及存在的缺陷。通过对道路场景以及现有的 VANET 路由协议的研究，本文提出了针对双向单车道场景以及双向多车道场景下的基于邻近节点集的路由协议，从而的改善了路由延时，以及分组投递率等问题。主要工作如下：工作 1，提出一种运用于双向单车道的道路场景下的基于邻近节点集的路由协议。其中每一辆车都需要维系一个实时的邻近节点集，这个集合包括了四个方向上是否存在可以通信车辆以及可以通信车辆的车辆ID。当同向没有可以通信的车辆时，利用反向车道的车辆来传输信息数据包。并且不同的事故类型，信息的传输方式也不同。最后还根据所提出的算法推导了传输延时的公式并利用MATLAB 进行了仿真实验。

参考文献（略）