基于街道属性的车载自组织网络路由协议研究.doc

作者签名：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。签字日期：垒扭叠麴塑旦签字日期：垫垒塑塑旦 车载自组织网络中分布式网络应用的发展迫切需求高效路由策略的支持，尤首先结合主动指定和被动决策设计高效广播框架攵訠中期望再广播节点的选择，本文考虑街道内的静态广播属性作为全局引导，动态广播属性作为局部优化，预估选择广播方向中某一个邻居节点作为期望再广播节点时的多跳广播性能。针对多跳广播中覆盖时间和覆盖效率的优化，本文分析并提出了多跳广播期望剩余时延和期望再广播效率两个度量，以及对应的广播协议瓺与 的资 ， 琣甅 瓺琫， ，瓼琺 目第滦髀邸酚芍械慕值姥瘛延醒芯恐谢诮值赖牡酚勺凼觥悴屑探诘愕难瘛 多跳广播性能的理论分析性能评测 单播悴臀恢酶嗖。单播路由旨在寻找单个通信节点到另一个通信节点的路由路径，是车载自组织网络中构建“源目的地”路由最基本的操作。广播路由实现了源节点向网络中其他节点广播数据报文的过程，是车载自组织网络中信息推送、紧急通知等多点服务的重要手段。位置辅助多播指的是源节点向一个特定网络区域内的节点投递网络报文，它常常由单播和广播相结合实现，通过单播的方式到达指定区域，在指定区域内广播报文。因此，在车载自组织网络的路由研究中，单播和广播的高效路由是实现网络互联的基础，是车载自组织网络中实现道路安全、信息推送、资源共享等网络应用的核心支持。与传统的自组织网络相比，车载自组织网络中的通信节点为车辆，节点的运 综上所述，车载自组织网络中的路由策略不需要考虑节点的能量和计算储存高效的单播路由图车载自组织网络单播研究框架，由修改的等。另一方面是采用以街道为单位 图车载自组织网络广播研究框架 口口口一口月口口豸澎 日由 基于街道的路由策略中，若报文进入了选择的街道后发现该街道不适合路由，此时返回进入街道之前的节点需要额外的时延，同时增加了被丢包的概率。因此，影响单播路由性能的关键因素为源节点到目的节点街道路径的选择。如图已有研究中基于街道的单播路由综述街道的连通性属性也被用于评估街道的动态属性。等人在文献中提通信息协议【】使用实时测量的全局街道拓扑连通性进行路由决策。协议 已有研究中广播中继选择策略综述 动态改变。热嗽谖南譡泻蚘热嗽谖南譡】中考虑街道内的车辆密度信息作为 街道微拓扑的路由特性，。表示在位置蚽之 问的街道微拓扑。如果。被选为路由路径的一部分，这就意味着报文需要从图街道微拓扑内部报文路由示例 与成功投递率可以求解如下：由于节点的高速移动性，街道微拓扑内的网络场景动态变化，但是报文路由的方 性路由和机会性路由。率生成函数如下：洲：寻等董俐如。矿， 图链路可用性预估，其中，鬟是车辆仇与码之间相对速度的概率密度函数，如为车辆在正方成功率为玎隆罰噶。， 图街道微拓扑对应的报文中继转移图点之间的链路状态和中继选择策略。如果比节点中继优先权高的所有邻居节点转发优先权比高。 等待时延，由具体的等待机制决定。例如，最简单的基于距离等待的机制中等待来控制时间复杂度。的通过链路中继的端到端路由性能可以被求得如下：基于街道微拓扑的车载自组织网络单播路由 微拓扑的选择应该优化报文从当前位置达到目的车辆的路由性能，该性能可以被分为两个部分：下一个选择的微拓扑中的端到端路由性能和下一个微拓扑结束位置到达目的节点的性能，如图所示。因此，对于候选集合中的每个街道微拓扑，可以预估选择其作为下一个街道微拓扑的情况下报文到达到目的车辆节点抛的时延如下： 下：琩，由于车载网络中不平均的车辆分布，当报文遭遇网络分割的时候，将由车辆缓存携带报文，直到遇到合适的下一跳中继节点或者达到当前微拓扑的尾部。如果报文被携带完成当前微拓扑的内部路由后，在邻近的微拓扑中仍然没有合适的下一跳中继节点，车辆将会继续携带该报文，直到遇到合适的下一跳节点。具体算法如下所示：算法基于街道微拓扑的车载自组织网络路由协议觯琈 ；性能评测 带宽作为路由协议的评价，报文投递率和端到端平均时延是两个评价协议路由性 一，二报文秒。曲：比贰韘 相比可以获得图鞘莘吐蚀到报文秒变化时的端到端平均时延。当数据发要影响端到端时延，因此协议的端到端时延上升。在本章提出的路由协议 喜量害图煌珻连接数时的报文投递率 图煌珻连接数时的端到端平均时延接数被设置为个，数据产生率为模搿是不同车辆节点数时的标准化路由开销的结果。标准化路由开销由成功到达目的地的报文大小和控制报文大小两部分因素决定。当车辆数目从增加时，控制报文的大小将随之增加，同时由于网络中连通性的增加，成功投递到目的节点的报文数目也增加，因此标准化路由开销起伏变化。当车辆数目从黾拥时，控制报文增加的影响超过了成功投递报文的影响，标准化路由开销快速增长。虽然本章提出的协议在周期信标中添加了信息的收集，增加了控制报文的大小，但是考 本章小结数的网络参数下都可以取得更好的性能。 覆盖。但是，高速的车辆移动和复杂的无线信道导致广播性能的下降。高速的车辆移动导致在街道内拓扑的快速变化，基于拓扑的路由协议无法适应高速变化的 广播协议框架与链路模型上 节点收到广播的概率更小，这使得主动选择缺少意义。反之，如果发送方倾向于选择更近的邻居节点作为期望中继节点，该节点能够收到广播报文的概率上升。但是到广播结束区域的多跳广播中继次数将会增加，加大了网络信道资源的消耗，而更多广播中继次数也有可能引起更大的中继时延。因此，基于动态性预测的广播性能核心在于期望再广播车辆的选择，详细的广播策略见算法。：发送广播报文的车辆节点：几：车辆节点的地在广播方向上的邻居集合：上：车辆吩设定的分布式等待定时器等待时间：謏巩。一奶罝。；。甜 衰落和信道干扰的因素。萰!罰蒀一辟易， 在优化再广播节点的选择之前，首先应该分析广播方向上的收到广播的节点广播中继节点的概率只七如下：类似的，若邻居车辆节点砜成为了再广播节点，其中继广播的时延也存在两种情况。如果车辆节点为事先指定的中继节点，则其再广播没有等待时延。如果车辆节点讯是收到广播报文中最远的节点，在分布式决策中成为了再广播节点，则其再广播需要加上额外的等待时延。因此，车辆节点饥设置为期望再广播节点，而其广播方向上的邻居节点成为再广播节点中继广播的时延为： 盛魌余多跳广播进程中到达广播结束区域的时延。由于车载网络中链路的不确定性，广播方向上的每个邻居节点都有可能成为再广播中继节点，而在车辆被设定为再广播节点时，邻居节点仇成为再广播节点的概率只褪毖覦可以由公式和求得。因此，车辆忱设定车辆为期望再广播节点时，一次广播后由车辆魄中继该广播时广播区域内的剩余广播时延可以被预估如下：上只其中，。怯闪绰稬掘进行再广播中继时的期望剩余跳数，可以使用伽禘。粗略的预估，是广播结束区域的位置。 望广播效率如下： 删渤凫作为期望再广播节点时广播可以获得的期望广播效率和。在选择疪奶聊蹋疍类似的可以求出选择车辆作为期望再广播节点的广播效率。若置车辆作为期望再广播节点。狤的期望再广播车辆节点选择过程详见算法 多跳广播性能的理论分析 拓扑结构图拓扑结构与对应的广播中继给定一个网络场景，其广播中继转移图中每条边的转移概率与转移时延由广播的中继选择策略决定。分布式决策中的等待时延。因此，在斜逧的转移时延如下： 坏！域内多跳广播的广播时延、选择该广播路径的概率与广播的传输次数如下所示：厶此，多跳广播的成功率为所有路径的被选择概率之和如下： 图多跳广播性能分析举例路径上的时延！ ：科籔“窪“。恢籺磁秽琤， 性能评测瓻，本节基于中的多跳广播理论性能的分析对广播进行数值模拟。同时，化期望再广播节点的选择对广播协议的影响，本节同样设计了选择最远节点作为脱褡罱诘作为期望再广播节点的数值模拟。表数值模拟参数表带宽数值模拟的场景为街道内的多跳广播。车辆节点的初始位置在街道内随机产 拟设计见表。首先固定街道的长度为来评估网络节点密度对于街道内多跳广播性能的影响。四种广播策略广播时延都逐渐下降。而 图不同车辆数目时的广播传输次数狣、狤和四种广播策略的平均传输次数随着车辆个广播策略。图不同车辆数目时的广播扩散效率 扩散效率。广播节点，随着街道长度的增加中继次数增长更快，因此时延性能最差。虽然选择最远的节点作为期望再广播节点，最远的节点通常链 第罗贰赖娌樗勘投垫鱼塑堡堕丝亡堑图不同街道长度时的广播传输次数 本章小结播的时延、传输次数的优化是多跳广播中的重要问题。本章分析了车载网络中的动态性特征，提出了结合主动指定和被动决策的高效广播协议框架。针对期望再广播节点选择的优化，本章设计了基于期望剩余时延和期望广播效率两个选择度量，及其对应的广播协议狣和狤。性能评测表明，瓺协议具有最好的时延性能，瓻具有最好的广播扩散效率性能 第四章提出了结合街道内静态属性引导和动态属性优化的高效广播路由协议。在多跳广播中，广播中继节点的选择是影响多跳广播性能的基本问题。为了实现又好又快的广播中继选择，本章结合已有的发送方指定和接收方决策的中继选择策略，设计基于动态性预测的高效广播协议框架。通过分析街道内广播相关的静态属性和动态属性，本章针对多跳广播中最重要的性能覆盖速度和覆盖效率进行了优化。静态属