袁學(xué)松， 張 靜， 袁 濤， 韋佳佳

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系， 安徽 蕪湖 241000; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)信息學(xué)院， 合肥 230009)

一種基于立體交通場(chǎng)景的CAB廣播路由算法

袁學(xué)松1，2*， 張 靜1， 袁 濤1， 韋佳佳1

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系， 安徽 蕪湖 241000; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)信息學(xué)院， 合肥 230009)

針對(duì)立體交通環(huán)境下，經(jīng)典車載自組網(wǎng)廣播協(xié)議可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)誤傳率高、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)大、傳輸不可靠等問題.提出了一種基于路側(cè)單元裝置(RSU， Road Side Unit)的準(zhǔn)確高效的廣播算法CAB(Cubic traffic Adaptive Broadcast Routing Algorithm).該算法根據(jù)立體交通不同的應(yīng)用場(chǎng)景，將廣播分為前向、后向和全向類型.同時(shí)，通過特殊hello包交換鄰居節(jié)點(diǎn)信息.通過統(tǒng)計(jì)鄰居表信息來選擇下一跳轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到縮短廣播時(shí)延，提高廣播效率的目的.針對(duì)立體交通中數(shù)據(jù)誤傳率高的問題，引入了車道判別方案和一跳廣播確認(rèn)機(jī)制提高其傳輸?shù)目煽啃?使用NS-3和VanetMobiSim仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有經(jīng)典的廣播算法相比，該協(xié)議在立體交通場(chǎng)景下有更好的包到達(dá)率、更輕的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和更低的傳輸時(shí)延.

車載自組網(wǎng)； 廣播協(xié)議； 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載； 包到達(dá)率； 傳輸時(shí)延

近年來，隨著機(jī)動(dòng)車的逐漸增多，很多城市的交通狀況逐漸惡化，導(dǎo)致各大中型城市均開始立體交通的建設(shè).立體交通系統(tǒng)可以解決城市中交通擁擠、空間緊缺等問題.傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)(Vanet)通常研究簡(jiǎn)單的平面道路(如：高速公路場(chǎng)景、具有十字路口的交通場(chǎng)景、具有建筑物阻礙場(chǎng)景等)，很多經(jīng)典的路由廣播協(xié)議也是基于上述場(chǎng)景構(gòu)建的.在立體交通中，這些協(xié)議可能會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)選擇錯(cuò)誤導(dǎo)致的誤傳現(xiàn)象，會(huì)使廣播路由協(xié)議效率降低，同時(shí)增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān).若能針對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)典Vanet廣播路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)并將其應(yīng)用到立體交通中去，必將提高Vanet在該場(chǎng)景下的廣播效率.

1Vanet廣播協(xié)議與相關(guān)場(chǎng)景問題描述

1.1相關(guān)廣播協(xié)議分析

在Vanet中廣播路由協(xié)議一直是一個(gè)較為熱門的研究領(lǐng)域.由于當(dāng)廣播節(jié)點(diǎn)較為密集時(shí)，很容易重復(fù)廣播，產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù).輕則影響Vanet的性能，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重，重則會(huì)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴[1]，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰.為了避免廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生，近年來國(guó)內(nèi)外的研究人員針對(duì)不同場(chǎng)景研發(fā)出不同的廣播路由算法.其中文獻(xiàn)[2-3]提出的基于概率和基于距離-位置的方法已被廣泛應(yīng)用在普通公路的廣播算法中；Lim在文獻(xiàn)[4]中提出了使用Hello包來交換廣播節(jié)點(diǎn)間信息，建立鄰居表方案；此類方法還有很多，如SBA(Scalable Broadcast Algorithm)[5]、LFRB(A Location-based Fast and Reliable Multi-hop Broadcast Algorithm)[6]等.這些路由協(xié)議通常情況下可以減少重傳次數(shù)，減低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載.但在負(fù)載較重的Vanet環(huán)境中，快速變化的拓?fù)鋾?huì)導(dǎo)致路由維護(hù)成本大大增加，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低廣播的可靠性.Korkmaz等提出的UMB(urban multi-hop broadcast)[7]協(xié)議和AMB(Ad hoc Multi-hop Broadcast)[8]協(xié)議針對(duì)直行道路場(chǎng)景和具有十字路口的場(chǎng)景，提出了RTS/CTS的握手機(jī)制和車輛節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中繼器的機(jī)制.有效的提高了廣播數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少了硬件的開銷，取得了良好的效果.但是上述協(xié)議均是在傳統(tǒng)道路場(chǎng)景中提出的，不適合當(dāng)前城市立體交通的狀況.

本文針對(duì)立體交通中存在誤廣播與無效廣播、轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)丟失、稀疏交通流場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)找不到轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)的問題，提出了一種基于立體交通廣播自適應(yīng)路由算法(CAB).該算法使用特殊的Hello包檢測(cè)機(jī)制、鄰居節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)機(jī)制并使用了攜帶轉(zhuǎn)發(fā)策略[9]和RSU[10-11]裝置有效的解決了上述問題.

1.2立體交通場(chǎng)景相關(guān)問題描述

城市立體交通與普通城市道路在很多方面有不同之處.在對(duì)普通道路設(shè)計(jì)廣播算法時(shí)，需要考慮十字路口、建筑障礙物等因素，而在設(shè)計(jì)城市高架、下穿橋的廣播算法時(shí)需考慮城市立體交通相關(guān)行駛準(zhǔn)則.CAB算法將針對(duì)城市中立體交通的相關(guān)地理特性和車輛運(yùn)動(dòng)的相關(guān)規(guī)律提出以下3個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn).

1) 誤廣播與無效廣播問題

圖1是某市一個(gè)簡(jiǎn)單的下穿橋式立體交通.當(dāng)車輛在下穿橋下發(fā)起廣播時(shí)，橋上的車輛由于在廣播區(qū)域內(nèi)，會(huì)作為目的廣播節(jié)點(diǎn)，收到該廣播信息.但由于車輛行駛在不同的道路上，將橋下車輛的消息廣播給橋上車輛是沒有意義的，這樣就會(huì)產(chǎn)生“誤廣播現(xiàn)象”.如果在同一個(gè)道路上，車輛想通知自己后向車輛該路段發(fā)生了交通事故，但由于廣播是全向廣播，消息同時(shí)被傳送給了前方車輛，前方車輛已經(jīng)過該路段，得到的消息是無意義的，這樣就會(huì)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源導(dǎo)致“無效廣播”現(xiàn)象.

2) 轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)丟失問題

當(dāng)行駛中的車輛A要廣播數(shù)據(jù)包時(shí)，首先通過hello包找到距離自己較遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)B.如果B在A通信的邊緣地帶且高速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)A轉(zhuǎn)播消息給B時(shí)，B已經(jīng)不在A的通信范圍內(nèi)了，這種情況就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)丟失問題.

3) 稀疏交通流[12]的廣播問題

在一些特殊的時(shí)段(如：凌晨)，城市高架路車輛較少，如果車輛節(jié)點(diǎn)想廣播信息，可能在廣播區(qū)域內(nèi)找不到可以轉(zhuǎn)播的節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的做法是該節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包攜帶轉(zhuǎn)播，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)可以廣播時(shí)再進(jìn)行廣播操作.這樣可能導(dǎo)致廣播效率低下，許多節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)得到消息.

2CAB廣播算法

算法假設(shè)在城市立體交通中行駛的車輛均有GPS和電子地圖裝置，這些裝置可以獲取汽車的實(shí)時(shí)位置信息和海拔信息，這些信息有利于算法判斷其是否在同一個(gè)平面上行駛.同時(shí)，車輛節(jié)點(diǎn)內(nèi)還需有可獲得車輛行駛速度、加速度、車輛行駛方向等信息的傳感器，這些重要信息也將被應(yīng)用到算法中.

2.1立體交通場(chǎng)景的廣播模型

在CAB算法中，設(shè)定了3種場(chǎng)景廣播模型(前向廣播、后向廣播和全向廣播).通常，在不同維度和方向行駛的車輛廣播的意義不大.在同向車道中行駛的車輛的前向廣播常用于通知前方車輛后發(fā)有突發(fā)事件和重要車輛如：救護(hù)車、救火車等，希望前方車輛可以讓出某個(gè)車道.后向廣播常用于通知后方車輛前方有事故發(fā)生，希望后方減速或者繞行.全向廣播在本算法中主要是用于稀疏車流場(chǎng)景下攜帶轉(zhuǎn)播和路側(cè)裝置(RSU)進(jìn)行的廣播.

本算法定義了節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包的包頭格式如圖2所示.

通過在經(jīng)典協(xié)議的數(shù)據(jù)包包頭增加了域，來實(shí)現(xiàn)算法的場(chǎng)景自適應(yīng).其中，在廣播節(jié)點(diǎn)的基本信息中增加了地理位置信息，該信息是通過車載GPS獲得的廣播節(jié)點(diǎn)具體經(jīng)緯度和海拔信息.節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向也是車載設(shè)備獲取的.當(dāng)在廣播范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，海拔不同的時(shí)候，說明兩車不在同一個(gè)維度，也就沒有必要進(jìn)行廣播.包頭的FLAG位表示數(shù)據(jù)包的傳播方向(前向、后向還是全向).當(dāng)FLAG為0是表示廣播包的傳播對(duì)象是與該節(jié)點(diǎn)同運(yùn)動(dòng)方向的前向節(jié)點(diǎn)；當(dāng)FLAG為1時(shí).表示廣播包的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為和其同向運(yùn)動(dòng)的后方節(jié)點(diǎn)；當(dāng)其為-1時(shí)，表示全向傳播.算法如何確定FLAG位是決定算法成功的關(guān)鍵.BR為廣播的范圍，為該數(shù)據(jù)包廣播的區(qū)域.當(dāng)在稀疏車流場(chǎng)景下，源節(jié)點(diǎn)未能找到下一跳的目的的節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)攜帶轉(zhuǎn)播.當(dāng)?shù)竭_(dá)路側(cè)單元(RSU)還未找到任何轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給RSU.算法為了提高傳輸效率設(shè)計(jì)了RSU節(jié)點(diǎn)，廣播數(shù)據(jù)包包頭格式如圖3所示.在RSU廣播包頭中由于刪除了運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信息，數(shù)據(jù)包傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)負(fù)載有所降低.

圖4模擬了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)在車道上行駛的過程，在該過程中A和B通過hello包來交換相互的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息.廣播源節(jié)點(diǎn)A(X，Y)以速度運(yùn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)B(X1，Y1)以速度同向運(yùn)動(dòng)，A節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向角度為，而B節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向角度為.當(dāng)表示A與B節(jié)點(diǎn)同向運(yùn)動(dòng)，否則為反向運(yùn)動(dòng)(如本算法不研究反向運(yùn)動(dòng)的廣播包傳輸).兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置為矢量K=(X1-X，Y1-Y)，那么K的方向決定了A，B節(jié)點(diǎn)的前后位置.假設(shè)K的方向?yàn)?，那么表示?jié)點(diǎn)B為A的前向節(jié)點(diǎn)，否則為反向節(jié)點(diǎn).這樣只要通過hello包相互交換各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向，就可以了解到各節(jié)點(diǎn)與廣播源的前后關(guān)系，使數(shù)據(jù)傳播更有目的性.

2.2Hello包機(jī)制與鄰居信息檢測(cè)[13]維護(hù)機(jī)制

算法采用hello包機(jī)制來維護(hù)廣播網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).在hello包機(jī)制中重要的是高效而又準(zhǔn)確的維護(hù)鄰居轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn).每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)周期性的廣播自己的hello包，各節(jié)點(diǎn)間通過該信標(biāo)來交換信息，從而維護(hù)局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?在CAB算法中hello包結(jié)構(gòu)如圖5所示，它包含了自身的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息、1跳鄰居表信息和2跳鄰居個(gè)數(shù)信息.

各節(jié)點(diǎn)首先通過交換hello包信息來確定廣播模型.源節(jié)點(diǎn)希望花費(fèi)最少的時(shí)間將自己的信息廣播到最遠(yuǎn)端，并且能廣播給更多的節(jié)點(diǎn).這樣就需要合理的選擇下一跳轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn).傳統(tǒng)的方法是選擇離源節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，這樣可能造成“低效率傳輸”和“傳輸不可達(dá)”的情況.如圖6當(dāng)t時(shí)刻C節(jié)點(diǎn)時(shí)A節(jié)點(diǎn)理想的下一跳節(jié)點(diǎn)，但在轉(zhuǎn)播時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟寻l(fā)生變化.C′明顯不是A′最合適的下一跳節(jié)點(diǎn).圖7中，在t時(shí)刻A選擇了B作為自己的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)播時(shí)，B′已超出了A′的通信范圍，造成了傳輸不可達(dá).這兩種情況都是忽略節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性所造成的，都會(huì)造成局部網(wǎng)絡(luò)的重新構(gòu)建，數(shù)據(jù)包的重發(fā)，進(jìn)而引起網(wǎng)絡(luò)的擁塞.

CAB算法充分考慮到節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性，使用提前預(yù)測(cè)的機(jī)制來進(jìn)行下一跳轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)的選擇.高效而又準(zhǔn)確的維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞泥従庸?jié)點(diǎn).如圖8，該圖是一個(gè)典型的鄰居轉(zhuǎn)播預(yù)測(cè)圖.在t時(shí)刻，A的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)應(yīng)該是C節(jié)點(diǎn).但節(jié)點(diǎn)A并不會(huì)馬上選擇C作為下一跳轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)，而是對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行預(yù)測(cè).A通過交流的hello包了解到各節(jié)點(diǎn)的速度和運(yùn)動(dòng)方向，計(jì)算經(jīng)過Δt的路由存活時(shí)間各節(jié)點(diǎn)的可能位置，再來判定誰(shuí)是可靠的、最遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn).這時(shí)A會(huì)選擇D節(jié)點(diǎn)作為自己的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn).由于廣播節(jié)點(diǎn)在選擇下一跳時(shí)不僅需要考慮可靠的傳輸?shù)较乱惶?，而且希望盡快擴(kuò)散到廣播區(qū)域.這就需要下一跳節(jié)點(diǎn)具有更多的下1跳鄰居和2跳鄰居.所以，給hello包增加了這兩個(gè)域，當(dāng)hello包周期性交換信息時(shí)，廣播節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇在可靠距離范圍內(nèi)的、傳播距離最遠(yuǎn)的、且1跳和2跳節(jié)點(diǎn)較多的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)去轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包.

2.3可靠的一跳廣播確認(rèn)機(jī)制

在數(shù)據(jù)包傳輸過程中，為了能可靠的傳輸廣播包，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間將采用“1跳確認(rèn)握手”機(jī)制.局部拓?fù)鋽?shù)據(jù)廣播過程都是由若干跳過程組成的，只要保證每一跳都是可靠的，整個(gè)數(shù)據(jù)廣播過程就是可靠的.當(dāng)廣播節(jié)點(diǎn)A經(jīng)過hello包信息交換后，選擇了B作為其轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn).算法會(huì)按照?qǐng)D2的包頭格式進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送.在發(fā)送過程中將自己的ID信息放入Source域，表示廣播是由A發(fā)起.同時(shí)，確定幾個(gè)備用的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)，將信息放在BRN域中.節(jié)點(diǎn)A會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，定時(shí)器設(shè)定為超時(shí)時(shí)間，計(jì)數(shù)器設(shè)定為超時(shí)次數(shù).在一定時(shí)間內(nèi)A未收到B的回復(fù)包，A會(huì)啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制，計(jì)數(shù)器自減一，當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)表示B不在A的傳輸范圍內(nèi)，A會(huì)通過交流hello包及時(shí)改變自己的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn).

2.4算法描述

CAB廣播算法是通過Hello包機(jī)制來維護(hù)鄰居和確定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的.同時(shí)，節(jié)點(diǎn)交流hello包可以避免不同海拔(不在一個(gè)道路)上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的誤傳輸.在立體交通中增加了RSU裝置，以保證在稀疏的交通流場(chǎng)景下數(shù)據(jù)更可靠的傳輸.圖9為車輛節(jié)點(diǎn)和路側(cè)裝置的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方案和鄰居節(jié)點(diǎn)的維護(hù)方案流程圖.

算法具體可描述為：

1) 源節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包，首先通過各鄰居節(jié)點(diǎn)通過Hello包的信息交換判斷車輛節(jié)點(diǎn)的海拔高度(由于城市交通的坡度影響，允許一定誤差).如果海拔高度不同，說明節(jié)點(diǎn)不在同一道路上，行駛互不干擾，不進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā).如果在一個(gè)海拔高度上則進(jìn)行過程2)操作；

2) 通過hello包機(jī)制和鄰居維護(hù)機(jī)制，根據(jù)場(chǎng)景的需要更新源節(jié)點(diǎn)的FN域和BN域.將在通信范圍內(nèi)，廣播節(jié)點(diǎn)前向的節(jié)點(diǎn)放入hello包的FN域，將后向節(jié)點(diǎn)放入BN域.同時(shí)，通過鄰居hello包計(jì)算源節(jié)點(diǎn)2跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，并將其存放在hello包中.源節(jié)點(diǎn)更新完hello包后進(jìn)入3)；

3) 通過節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)機(jī)制判斷是否有合適的轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)，若有進(jìn)入4)，若沒有進(jìn)入5)；

4) 通過“1跳確認(rèn)機(jī)制”可靠的傳送數(shù)據(jù)給轉(zhuǎn)播節(jié)點(diǎn)；

5) 判斷在節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)域是否有路側(cè)裝置，如果沒有進(jìn)入(1)，如果有進(jìn)入(2)；

(1) 車輛節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包攜帶轉(zhuǎn)播，同時(shí)周期性的更新hello包，尋找合適的廣播節(jié)點(diǎn)和RSU.轉(zhuǎn)至過程3)；

(2) 廣播數(shù)據(jù)包通過“1跳確認(rèn)機(jī)制”發(fā)送給RSU.RSU根據(jù)廣播包中FLAG標(biāo)志位，確定是前向還是后向廣播.通過自身高功率發(fā)射至相應(yīng)區(qū)域，同時(shí)，通過有線機(jī)制傳送給前向或者后向的RSU裝置，并由該裝置進(jìn)行全向廣播.

3仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證CAB算法在立體交通場(chǎng)景工作的有效性，本文將使用交通仿真工具VanetMobiSim[14-15](VehicularAdHocNetworksMobilitySimulator)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建，并將產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)軌跡文件使用離散時(shí)間模擬器NS-3進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能仿真.將仿真結(jié)果與較適合城市道路，經(jīng)典的UMB協(xié)議和AMB協(xié)議進(jìn)行各種網(wǎng)絡(luò)性能的比較.

3.1交通環(huán)境模型與車輛運(yùn)動(dòng)模型的參數(shù)

本文分別對(duì)較為簡(jiǎn)單立體交通模型和稍復(fù)雜的立體交通場(chǎng)景進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).仿真的場(chǎng)景如圖10和圖11所示，在圖10描述的是只有一個(gè)長(zhǎng)3km、寬2km的立交橋場(chǎng)景的模型.圖11是一個(gè)立體交通由A、B、C、D四條路組成，每條路長(zhǎng)3km.其中，C與A、B交匯時(shí)采用下穿橋式道路模型，D與A、B交匯時(shí)采用高架式道路模型.仿真參數(shù)分別如表1所示.

在仿真中，廣播數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為1packet/s，數(shù)據(jù)包類型為CBR，且廣播節(jié)點(diǎn)、廣播時(shí)間和廣播方向都是隨機(jī)的.在該場(chǎng)景中RSU設(shè)置為每公里1個(gè)，且在兩條道路交匯處必有1個(gè)RSU.通過分車道控制節(jié)點(diǎn)在道路上行駛的速度和加速度模擬車輛隨機(jī)分布的運(yùn)動(dòng)形態(tài).

3.2仿真結(jié)果與分析

本次仿真實(shí)驗(yàn)主要采用廣播包到達(dá)率、平均廣播開銷以及平均延時(shí)3個(gè)指標(biāo)來衡量算法在簡(jiǎn)單和復(fù)雜立體交通場(chǎng)景下的優(yōu)劣性.在車輛密度不斷變化下，比較UMB協(xié)議、AMB協(xié)議和CAB算法的性能.

在簡(jiǎn)單的交通場(chǎng)景中，由圖12～14可以看出，CAB算法的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)與UMB和AMB協(xié)議差異不大.由于CAB算法加入了鄰居節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)方案減少了無效傳輸，節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延降低明顯.但由于采用了RSU導(dǎo)致在平均廣播開銷的指標(biāo)上略高于其他協(xié)議.在復(fù)雜的交通場(chǎng)景下由圖15可知，平均廣播開銷為某一個(gè)廣播包傳輸給各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)總量，它的計(jì)算方法為將場(chǎng)景中傳輸數(shù)據(jù)總量除以廣播包數(shù)據(jù)總量.CAB算法由于增加了RSU節(jié)點(diǎn)，同時(shí)采用“1跳確認(rèn)機(jī)制”，這些因素都會(huì)導(dǎo)致額外的數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生.而其他兩種協(xié)議，由于數(shù)據(jù)為全向傳播，也會(huì)產(chǎn)生很多無用的數(shù)據(jù)包.總體上，CAB算法在場(chǎng)景中的平均廣播開銷要略小于AMB和UMB協(xié)議.圖16為廣播包到達(dá)率，由于采用了可靠的“1跳確認(rèn)機(jī)制”，CAB算法幾乎達(dá)到100%的包到達(dá)率，較其他兩種算法有更好的性能.圖17中，CAB算法的節(jié)點(diǎn)平均延時(shí)也較為穩(wěn)定，隨著車輛密度的增加始終保持在20ms，其他兩種協(xié)議在立體交通場(chǎng)景下由于會(huì)產(chǎn)生誤傳，會(huì)導(dǎo)致重傳增加了節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)钠綍r(shí)延時(shí).

4結(jié)束語(yǔ)

本文將Vanet廣播協(xié)議應(yīng)用于城市立體交通通信領(lǐng)域，提出了一種新的CAB算法，該算法無論是在稀疏車流還是在稠密車流的場(chǎng)景中都能夠保證廣播包的到達(dá)率，但由于增加了hello控制包和廣播包的控制字段，并使用了RSU節(jié)點(diǎn)和保證可靠性的“1跳確認(rèn)機(jī)制”，平均廣播開銷性能與經(jīng)典協(xié)議相當(dāng).算法增加的RSU節(jié)點(diǎn)可能會(huì)使硬件成本提升.通過仿真表明，CAB算法較其他類似算法更適合于城市立體交通場(chǎng)景的可靠數(shù)據(jù)傳輸，具有較大的應(yīng)用價(jià)值.

[1]TSENGYC，NISY，CHENYS，etal.Thebroadcaststormprobleminamobileadhocnetwork[C]// 5thAnnualACM/IEEEInternationalConferenceonMobileComputingandNetworking， 1999: 153-167．

[2]LOCHERTC，HARTENSTEINH，TIANJ，etal.AroutingstrategyforvehicularAdHocnetworksincityenvironments[J].ProcofIntelligentVehiclesSymposium， 2003:156-161．

[3]WILLIAMSB，CAMPT.ComparisonofbroadcastingtechniquesformobileAdHocnetworks[C]//ProceedingsoftheInternationalSymposiumonMobileAdHocNetworkingandComputing(MobiHoc)，Lausanne，Switzerland， 2002:194-205．

[4]LIMH，KIMC.MulticastTreeconstructionandfloodinginwirelessAdHocnetworks[C]//Proceedingsofthe3rdACMInternationalWorkshoponModeling，AnalysisandSimulationofWirelessandMobileSystems，Boston，USA， 2000:61-68．

[5] 彭 偉， 盧錫城. 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)中采用連通支配集的有效廣播技術(shù)[J]. 軟件學(xué)報(bào). 2001， 12(4):529-535．

[6] 周 娜， 劉南杰， 趙海濤. 一種基于地理位置的車載自組網(wǎng)快速可靠廣播算法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件. 2014， 3(1)：108-110．

[7]KORKMAZG，EKICIE，OZGUNERF，etal.Urbanmulti-hopbroadcastprotocolforinter-vehiclecommunicationsystems[C]//ACMInternationalWorkshoponVehicularAdHocNetworksACM， 2004:2062-2063．

[8]KALININM，ZEGZHDAP，ZEGZHDAD，etal.Softwaredefinedsecurityforvehicularadhocnetworks[C]// 2016InternationalConferenceonInformationandCommunicationTechnologyConvergence(ICTC)，JejuIsland，SouthKorea， 2016: 533-537．

[9]TONGUZO，WISITPONGPHANN，F(xiàn)ANB，etal.BroadcastinginVANET[C]//IEEE， 2007:7-12．

[10]DUBEYB，CHAUHANN，CHANDN.EfficientdataschedulingtechniqueatRSUforvehicularad-hocnetworks[C]//2016InternationalConferenceonInformationCommunicationandEmbeddedSystems(ICICES)，Chennai， 2016: 1-7．

[11]ALIG，RAHMANMA，CHONGPHJ，etal.OnefficientdatadisseminationusingnetworkcodinginMulti-RSUvehicularAdHocnetworks[C]// 2016IEEE83rdVehicularTechnologyConference(VTCSpring)，Nanjing， 2016: 1-5．

[12] 周連科. 基于交通流密度的VANET廣播技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2011:14-16．

[13] 郭煉祥. 城市車載自組網(wǎng)路由協(xié)議的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)， 2011:32-35．

[14]ASHTAIWIA，ALTAYESHA，BELGHETK.IEEE802.11pperformanceevaluationatdifferentdrivingenvironments[C]//2015WorldSymposiumonComputerNetworksandInformationSecurity(WSCNIS)，Hammamet， 2015: 1-8．

[15]PERDANAD，SARIRF.PerformanceevaluationofcorruptedsignalcausedbyrandomwaypointandGauss-MarkovmobilitymodelonIEEE1609.4standards[C]//2015InternationalSymposiumonNext-GenerationElectronics(ISNE)，Taipei， 2015: 1-4．

A CAB broadcast routing algorithm based on 3D transportation scene

YUAN Xuesong1，2， ZHANG Jing1， YUAN Tao1， WEI Jiajia1

(1.Department of Information Engineering， Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhu， Anhui 241000； 2.School of Computer and Information， Hefei University of Technology， Hefei 230009)

In this paper the vehicle self-organized network broadcasting protocol is studied under 3D transportation environment. In order to handle the data error， network delay， unreliable transmission， we propose a novel accurate and efficient algorithm Cubic traffic Adaptive Broadcast Routing (CAB) based on the Road Side Unit (RSU). In this algorithm， the broadcasting is divided into forward， backward and all-direction types according to the application in 3D transportation environment. Meanwhile， neighboring note information is exchanged using hello package exchange. By choosing the next broadcasting node based on the neighboring node statistics， the broadcasting efficiency is improved. For the data error problem in 3D transportation， the vehicle lane classification and the first jump confirmation method are introduce. Using NS-3 and VanetMobiSim to simulate the results， the proposed algorithm exhibits better package arrival rate， lower network loads， and smaller network delay， compared with the traditional broadcasting algorithms．

vehicle self-organized network; broadcasting protocol; network load; package arrival rate; transmission delay

2016-10-20.

安徽省教育廳2016年度高校領(lǐng)軍人才引進(jìn)與培育計(jì)劃項(xiàng)目(gxfxZD2016324)；安徽省教育廳省級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2014jxtd99)；2016安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2016zdzr10)．

1000-1190(2017)02-0143-08

TP393.02

A

*E-mail: ahjdyxs@126.com．