论文研究-VANET中基于WSN节点感知的高效路由协议设计方案.pdf

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在车载自组网(VANET)中,当网络密度较低时,VANET不能保证及时发现危险的路况或保持通信连通性,这可能对驾驶安全构成风险。为解决该问题,提出一种VANET中基于WSN节点感知的高效路由协议设计方案。该方案将VANET和WSN相结合,使用WSN节点沿着路边部署,以感知道路状况,并向车辆传递关于危险状况的信息,忽略VANET的密度和连通性。同时根据VANET中常用的被动式带宽估算方法,提出一种基于CORNER传播模型的带宽评估策略,实现链路可用带宽和信道容量的准确估计。仿真结果表明,该路由协议可以减少端到端延迟和能耗,合理地利用有限的网络带宽资源,减少丢包率。
3788· 计算机应用研究 第35卷 计算车辆为了到达日的地而必须行驶的距离。为了获得这些区或网络故障。因此,必须为Ⅴ ANET-WSN协议定义一个用于 信息,其有道路知识的数宇地图应该在所有车辆和传感器上加衡量能量消耗的参数,本文把该参数称为刺余能量比率,它是 入。如果沿着目的地的方向沿道路转发消息,则更有可能到达距离和剩余能量比的函数。剩余能量比率是用于路由决定的 日的地。这种选择在靠近不同道路的车锕进人通信范围的路协议中非常重妟的组成部分。通过计算每个相邻节点的剩余 口附近进行,并且沿着目的地道路行驶的路口是优选的。为了能量比率,将分组从一个传感器路由到另一个传感器。在进行 获得节点位置的更准确和最新的信息,应该更频繁地播放路由决定时,消耗较少能量的传感器将被优先选择为转发节 HELLO消息、。因此,为了获得更好的路由决策,HLO广播点。因此,木文提供了一组候选转发节点之问的能量平衡机 的增加将提高分组传送比率,但也会导致网络开销增加。因制,并减少端到端的延迟。能量分量从下式中获得 此,利用位置和速度信息,本文能够预测邻居(和目的地)节点 F 的位置,因为它们的移动性在道路拓扑上受到限制。本文研究 节点位置预测对路由协议性能的影响,就分组传输率而言,位 Fru= Einit-(A x v x Tp) 詈预测计算为 其中:RER是利用剩余能量E和初始能量E计算出的剩余 d=dx+t4×△t,dy=d,+”y×△t (1)能量比;Em是储存在能源中的初始能量;A是从传感器装置得 其中:t和d表示当前节点位置;和n,表示当前节点速度;到的总电流(单位为安培);是电源电压(单位为伏特);是 △表示当前时间与最后收到的信标之间的经过时间:a.和a,发送或接收包P的时间(单位为秒) 表示节点未来位置。 3.3基于 CORNER传播模型的带宽评估 应用层 在 VANET-WSN中,资源不能按照预定的方式分配,所有 数 主机共享相同的物理信道,母个主机的传输都会干扰DCH 输层 分布式协调功能),以保证接 1跳邻居表 入链路和带宽分配的公平性。而DCF中没有机制来区分由于 网络层 碰撞造成的损失和由于无线链路的信道噪声造成的损失。因 栘动模坎能量模坎 此,估计带宽的节点必须被告知信道的使用,以及共享无线信 甚于 VCORNEF传播添m/更新/寻找/移染周边信息 模舉的带宽估计模块 道节点的竞争。带宽信息可以用做路由度量的动态选择,以便 数拦句 为数据流提供更好服务的转发路径。本节根据ⅤANET中常 MAC和PHY层 用的被动式带宽估算方法,结合信号的接收发射功率以及信道 图2提出的系统模块 容量等因素,建立新的信号衰落模型,实现链路可用带宽和信 3.1.1数字地图 道容量的准确估计。信号传播吋会受到噪声、非视距等因素影 节点配备了道路拓扑的数字地图,并能够找到它们正在旅响根据式(6)计算信道容量 行的道路(HEL0消息中的 RoadIE)。未配备数字地图的节 C=B×log,(l+S/N) 点在计算中使用欧几里德距离。数字地图的开发提供了有关其中:B为信道带宽;S/N为信噪比。在实际的VANE中,影 导航的信息,数字地图屮可用的信息是道政I和曲线度量距响信号传播的因素(噪声、障碍物等)同样会对信噪比产生影 离的计算,曲线度量距离是底层道路拓扑之后的两个节点之间响。所以,下面基于文献[16]提出的 CORNER传播模型,提出 的距离。此数字地图目前仅支持网格拓扑,最大尺刂为15条一种考虑信号衰落的 CORNER( vehicular corner)传播模型以 道路。这个限制是因为本文只为道路I分配了 I Byte,其中增强对路径损耗估计的准确性 前4位表示栅格拓扑的x轴段,最后4位表示γ轴段。利用地 图3为 VCORNER传播模型示意图。在本模型屮,既考虑 图信息,将道路上的距离用做度量(曲线度量距离)来计算从」视距内( direct line of sight,I.S)的路径损耗问题,又考虑∫ 转发节点到目的地的当前位置的距离,如下所示: 视距外( no direct line of sight,NOS)的路径损耗问题。在 D(a,b)=∑|a1-b 2)MLOS中,由于车辆所处地点不同,NLOS信号传输可以分为两 其中:D(a,b)是源节点a和目标节点b之间的由线度量距离, 种方式:第一种记为NIOS1,信号在节点间的传播要通过一个 它表示为两个节点(a1和b;)之间坐标差的绝对值之和。 弯道(节点13所示),在这种情况下节点通过反射(H)和绕射 3.1.2方向 (D)两和方式接收信号;第二种记为NLOS2,信号在节点间的 当个源节点向目的地发送个数据包时,路由方案应该传摺通过两个弯道(节点1、4所示),在这种情况下节点通 能够以较少的跳数和较小的延迟有效地传输路由数据包。因过四种方式接收信号,即多次反射(R)、多次绕射(D)、绕射反 此,节点的方向可以根据计算的速度来确定,如下式: 射(DR)、反射绕射(RD)。通常,山于环境的不同,路径损耗也 fυ.=0.t.=0 会随着阴影衰落变化,根据以上分析,节点视距外的信号损耗 表示为 0&t>0 Nlosi=10 +100)+Xdm T x=0&"y<0 方向= PLNlOS2=10bog(1010+1010+1010+1010)+Xbm(8 其中:根据 CORNER模型,可以计算出PLD、PLg、PLe、PL的 路径损耗值。而Xn则表示阴影衰落余量,可以通过式(9)计 a / BLaIR 算出来。 3.2能量模块 F(x)= 在 VANET-WSN的混合路由协议设计中,潜在的问题是沿其中:σ表示阴影哀落标准差,一般σ的取值为8dm;erf(x) 着最短路径的传感器节点可能会频繁使用,并且电池可能耗尽表示误差凼数,它的值叮通过杳表得到 更快。其结果是,网络可能会断开连接,最坏的情况是网络分 如图4所示,在LOS中,通信节点间的信号传输不经过弯 第12期 张定祥,等: VANET中基于WSN节点感知的高效路由协议设计方案 3789 道,处在可视范围之内(节点12,节点2、5等)。这种情况下, 本文设置了10个随机通信连接,在节点之间产生恒定比 尽管信号沿直线传播,但同样会因障碍物等外部条件产生信号特率(CR)流量,每2s产生512yte的数据包。IFIO消息 衰落。令R为反射系数,则节点视距内的信号耗表示为 间隔设置为1.5s。从 HELLO消息中检索到的信息为每个邻 PLLos =20 log(7)+LwN (10)居保留(2.5× hellointerval),因为有些HLO消息可能由于冲 突而丢失或延迟,所以即使节点处于内部,它也会被错误地从 其中:Lm=20mgRn;Nmn=/W(an);L表示信号反射一次邻居划表中删除通信范围,并且是消息的潜在下一跳。以下是 时带来的损耗;Nm表示信号反射的次数;已表示入射角;表仿真结果分析。 示两个节点的距离;W表示道路的宽度。 4.2仿真结果 建筑物节点1 本文分别对Fⅹ路由协议2 GAWARD路由协议13和本 WiSO ●R 文路由协议进行仿真分析,使用1500Byte的UDP数据包以每 节点5节点3 杪一个数据包的速率生成背景数据流。首先通过改变平均车 速来评佔本文路由协议的性能。图5为平均车速和数据包传 图3 VCORNER传播模型 图4IOS传输 输率之间的关系,在图5中,x轴表示10~70km/h的平均车 根据以上三种情况利用相应的公式计算功率损耗PL,再 速,y轴表示数据包传输率。出图可知,平均车速在10~ 由式(11)计算接收功率 70km/h的变化过程中,本文路由协议始终提供了更多的数摒 2(1)包,相比之下,EX和 LAWARE路由协议提供更少的数据包 其中;S表示节点的发送功率。求出S后,再由式(6)计算出本文路由协议能够比ETX和ANAE路由协议将数据包传输 信道容量C。 率提高大约7%。 VANET中的可用带宽用含有信道容量C的公式表示如下: 图6为平均车速和标准化路山开销之间的关系。标准化 AB√AE=(1-k)×(1-P)×(1-ACK)x 路由开销可表示为控制分组的总数据包大小(如 HELLO)与传 T: T 送到目的地的数据分组的总数据包大小之比。由图6可知,标 1-RC) (12)准化路由开销随着平均车速的增加而增加。在相同的平均车 其中K表示处于等待退避进程所需的空闲信道占用比例P速下,与EX和 IA WARE路由协议相比,本文路由协议总是具 表示网络中数据包相互碰撞的概率;ACK表示认定消息所需有较少的标准化路由开销。当半均车速较低时,RTX比 的空闲信道占用比例:RC表示数据通信所需的空闲信道占用 IA WARE路由协议具有更少的标准化路由开销,但随着平均车 比例7表示在一个周期内,源节点感知到信道空闲的时间;7速增加,X路由协议的开销逐渐接近 iA WAR上 表示在一个周期内,目的节点感知到信道空闲的时间;C则表 X路山协议 ETX路由协议 示求出的信道容量。 终协议02 本文路由 由可用带宽可以计算出归一化可用带宽 AB,(i)=cAB、k(i)+(1-e)AB、.(i-1) (13 好业 的0.18 其中:s表示发送信息的节点;k表示发送节点一跳范围内的节 0.16 点;AB、A(i)表示系统处于第讠个监听周期内时的归一化可用 带宽速率;AB(i-1)表示系统处于第i-1个监听周期内时 10203040506070 10203040506070 平均车速/km/h 平均车速/km/n 的归一化可用带宽速率;ε表示计算参数,辶的值由仿真环境 图5平均车速和数据包 图6平均车速和标准化 自由设定 传输率之间的关系 路由开销之间的关系 4仿真分析 图7为平均车速和平均端到端延迟之间的关系。端到端 延迟是数据包通过网络从源路由到目的地所花费的时间。平 4.1仿真参数设置 均端到端延迟可以通过计算所有成功传递的消息的端到端延 本节介绍了路由协议的仿真工具和参数,利用数据包传输迟的均值来获得。因此,端到端延迟部分取决于数据包传输 率标准化路山开销、平均端到端延迟以及丢包率等网络性能率。随着源与H的地之间的距离增加,数据包丢失的概率增 指标来评估本文协议的性能。在NS网络模拟器中,构建 加,平均端对端延迟也会增大。图7显示 IAWARE路由协议 个静态的路边无线传感器节点拓扑结构以500m为单位的曼延迟最少,使用本文路由协议的网络稍有延迟,特别是当平均 哈顿格形式部署。本文的仿真模型考察∫5×5曼哈顿格车速在30~50km/h时 路网的情况。移动轨迹是使用城市可行性仿真(SUMO)工具 图8为平均车速和天包率之间的关系。图8表明,大部分 生成的,用丁城市地区不同的车速限制。表1列出∫用丁模拟情况下,与ETX和 IAWARE路由协议相比,本文路由协议的丢 的所有参数。 包率明显减小。因此,本文得出结论,图7中观察到的轻微延 表1城市场景中的仿真设置 迟是由其他转发参数对决簧的影响造成的。延迟增加的主要 原因是传感器(即车辆和固定路旁传感器)之间的混合网络屮 参数 参数 的速度差异。事实上,当车辆Ⅵ1接近速度较慢的另一车辆V2 网络面积2000m×200mwsN物理速率Dss,1Mbps 流动模型 曼哈顿 WSN传播模型 或具有较好的链路吞吐量以保证将分组递送到目的地的固定 移动生成器 WSN初始能量0,1000的随机数 路边传感器时,它将经历分组传递延迟的轻微增加 传输速率 ,BR, 512 Byte 4辆数量 20~80 图9为平均车速和能量消耗之间的关系。通过计算Wi-Fi 仿真时间 100s 车辆传输距离 500m 无线电台消耗的总能量并且归一化为网络中路边传感器的数 无线传感器数量 185 车辆MAC指定IEEE802.11p 量可以获得的能量消耗。木文路由协议降低了毎个数据包的 WSN传输距离 150m 车辆物理速率OFDM,6Mb,10MHz能耗。与ETX和 IAWARE路由协议相比,由于本文路由协议 WSN的MAC规范IEE8U2.lb‖车辆传播模型 Nakagami 在网络中丢包最少,它能获得更低的能量消耗,不文路由协议 3790· 计算机应用研究 第35卷 的性能最优。 车辆流动性和节点能耗问题,本文的路山决策依赖于计算与相 0.14 邻节点相关权重的扩展周期性的 HELLO消息,在分组交付率、 一FTX路击协议 0.12 WARE路由协议 端到端延迟和能耗方面表现出令人满意的性能。仿真结果表 °本文路曰协议 明,使用数字地图信息和剩余能量比作为基于能量的路由协议 入N可以减少端到端延迟和能耗增加网络中的数据包传输率。 10203040506070 203040506 0 80.95 平均车速/km/ 平均车速/m/h 图7平均车速和平均端到端 图8平均车速和 处迟之间的关系 丢包率之间的关系 本文路由b 接下来通过改变网络中的车辆数量来评估木文路由协议 8.85 20304050607080 20304050607080 的性能。图10为车辆数量和数据包传输率之间的关系。x轴 车辆数量 车钠数量 代表车辆数量,从20逐渐增加到80;y轴表示数据包传输率。 图13车辆数量和 图14车辆数量和能量 由图10可知,在车辆数量从20增加到80的变化过程中,本文 丢包率之间的关系 消耗之间的关系 路由协议始终具有最高的数据包传输率。 参考文献: [1 Schulz W, Geis I. Future role of cost-benefit analysis in intelligent 压叫g ETX路由协汉 协议 ansport system-research J. Intelligent Transport Systems IET 求 2015,9(6):626-632 出654 [2]游子毅,章俊华,陈世国,等.基于无线传感网络的数据融合方 80.8 法及其在智能交通系统中的应用研究LJ」.计算机应用研究, 2014,31(6):1719-1722 10203040506070203040506070 [3]唐伦,三晨梦,陈前斌.车载自组织网络中基于时分复用的异步 均车速/km/h 车辆数量 多信道MAC协议[J.计算机学报,2015,38(3):673-684 图9平均车速和能量 图10车辆数量和效据包 [4]边贵云,田锐,黄忐清.基于分布式社区学习的ⅤANET数据转 消耗之间的关系 传输率之间的关系 发机制[J].计算机工程,2016,42(3):1-6 图IⅠ为车辆数量和标准化路由开销之间的关系,从图中「5诸浩富,毛剑琳,王昌征,等.大规模无线传惑器网络正六边形 可看出,在三种路由协议中,标准化路由开销总是随着网络中 覆盖时的传输容量研究[冂].计算机应用研究,2017,34(5) 车辆数量的增加而增加,但本文路山协议比ETX和 IAWARE 1472 路由协议具有更少的标准化路由开销。 [6 Shang Junna, Lill Chunju, Yue Keqiang, et al. WSN node localiz 图12为车辆数量和平均端到端廷迟之间的关系。与ETX tion based on improved bi-system cooperative optimization algorithm 和 GAWAR路由协议相比,本文硌由协议获得的延迟较高。 [J. Gynecologic Oncology, 2015, 103(1): 87-93 图13为车辆数量和丢包率之间的关系。图屮显示ETX路由[7]马林华,张高,茹乐,竽,航空高动怂网络链路感知OISR路由 算法「J.北京航空航天大学学报,2016,42(7):326-1334 协议显著增加∫恻络中丟弃的数据包数量,而本文路由协议通 [8祝毅鸣,张波,刘莹.自适应缓冲控制的移动机器人分布式多跳 过显著减少丢包率来提高网络性能,特别是在车辆数量不断增 路由算法[冂].计算机应用研究,2017,34(2):582-586. 加的情况下,本文路由协议能收到更好的效果。 IAWARE比本9」李琳琪,扬新宇,一种新型的兰固定地理路由LJ.西安交通大 文路由山协议丢弃的数据包数量多,但比EIX路由协议好。图 学学报,2016,50(2):7-12 I4为车辆数量和能量消耗之间的关系。图I4显示,本文路由[1]管伟,仟凊华,张衡阳,等、基模糊逻辑控制的贪婪转发策略 协议通过减少每个数据包的能量,在网络中具有显着的能量平 改进[J].计算机应用研究,2011,28(1):282-286 衡。由于减少了网络中夭包的数量,本文路由协议的能量消耗[11]朱慈玲,杭大明,马正新,等,QS路由选择:问题与解决方法 最低。 综述「J].电子学报,2003,31(1):l09116 [ 12] Cai Xuelian, He Ying, Zhao Chunchun, et al uk state 0.28 0.12 EIX路由办议 部0.26 本文解议 aware geographic opportunistic routing protocol for VANETs [J] 一本文路由协议 0.24 EURASIP Joumal on Wireless Communications Networking 苦022 2014,2014(1):96. 0.08 [13 Subramanian A P, Buddhikot MM, Miller S. Interference aware rou 0.18 0.07 ting in multi-radio wireless mesh networks [C]//Proc of IEEE Work 0304050607080 0.06 shop on Wireless Mesh Networks. Piscataway, NJ: IEEE Press 20304050607080 车辆数量 2006:5563 图11车辆数量和标连化 图12车辆数量和平沟 [14 Gupta S K, Jana P K. Energy efficient clustering and routing algo 路由开销之间的关系 端到端延迟之间的关系 rithms for wireless sensor networks GA bascd approach [J. Wire less Personal Communications, 2015, 83(3): 2403-2423 5结束语 [15 Hassan A, Alshomrani s, Altalhi A, Pt al. Impreved routing metric d device low 本文提出了种混合路由协议,用于城市环境中的ⅤA- networks[ J. Journal of Communications Networks, 2016 NET-WSN混合网络。该协议将ⅤANET和WsN相结合,使用 18(3):327-332 wSN节点传递信息,同时根据ⅤANET中常用的被动式带宽估161 Giordano e, Frank r,PauC,etal. CORNER: a radio propagation 算方法,提出一种基于 CORNER传播模型的带宽评估策略,实 model for VANETs in urban scenario JI. Proceedings of the 现ⅤANET链路叮用带宽和信道容量的准确估计。而考虑到 lEEE,2011,99(7):1280-1294.

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