文摘

车载ad hoc网络(VANETs)正变得越来越感兴趣,因为他们预计将发挥至关重要的作用,使得更安全、更智能、更高效的交通网络。由于独特的特点如稀疏的拓扑和间歇性连接,延迟容忍网络(DTN)路由在VANET成为一个固有的选择和挑战。然而,大多数现有的DTN协议不准确地发现潜在的邻居和,因此,适合包传输的中间节点。此外,这些协议由于过度信标消息引起不必要的开销。应对这些挑战,本文提出了一种新颖的框架和一个自适应地理为车辆DTN DTN路由(AGDR)。AGDR利用节点的位置,目前的方向、速度、和预测的方向仔细选择一个适当的中间节点。方向指示灯是用来精确地预测未来车辆方向,以便转发节点传递数据包到所需的目的地。仿真实验证实的性能至上AGDR相比,当代方案包交货率而言,开销和端到端延迟。仿真结果表明AGDR提高了包交货率(5 - 7%),减少(1 - 5%)的开销,降低了延迟(0.02 ms)。因此,AGDR改善路线通过减少路由失败的频率稳定。

1。介绍

最近进步传感、计算、无线通信和网络技术的出现导致了互联网的车辆(IoV)范式1]这不仅补充现有的应用程序还将推出大量新应用程序和服务(例如,避碰、安全、智能交通监控和预测,多媒体流媒体,娱乐,和e-health2])。IoV主要依靠车载ad hoc网络(VANETs) [3)自主车辆在路上和交通管理之间的沟通。路由协议在VANET是重要的发现数据转发路径,同时也是为了维护连接特别是稀疏环境数据的成功完成交货(4,5]。在VANETs,先进的协议利用邻居节点的地理位置,而不是物理地址(6,7)大多数的现代车辆配备的设备,如传感器、单位(酸),导航系统(NS),和地理定位系统(GPS) (8]。

最关心的路由发现和维护一个可靠的通信路径,需要保持最新的相邻节点的信息,可以通过连续洪水控制数据包或者信标消息的传播。然而,稀疏节点密度和频繁的高速流动导致网络分区和断断续续的连接(9,10),很难要交付的数据包从源到目的地(11]。在这种动态的环境,自适应延迟容忍网络(DTN)路由协议是必要的,可以发现一个适当的跳货代节点(邻居)朝着目的地。这个选择应该以这样一种方式,提高了数据传输的概率减少延迟和平衡的网络开销12]。

应对网络分区的问题和频繁的中断,一个新颖的自适应地理DTN路由(AGDR)协议。AGDR员工流动特性,比如GPS, NS,方向指示灯(迪勒)的信息。具体来说,AGDR利用节点的位置、速度、电流方向,预测未来发展方向。我们所知,AGDR是第一个利用迪勒信息的适应性DTN路由协议。跳的选择过程是用来选择中间节点,数据包转发到目的地。仿真实验验证了AGDR的性能。仿真结果证明的有效性和效率AGDR相比,当代的方案。开发一个自适应路由协议延迟容忍网络在车载环境下,我们需要提出一个新的框架,很容易证明,访问,和详细的足够了解。描述框架的基本架构是由几部分组成的,不同的预定义的功能。每一层能够接收输入和发送下面的输出或上层。 The advantages and viability of this approach are effectively used in many existing systems in present days such as TCP/IP family of protocols [13]。此外,这种简化提供了一个更好的理解。发展是很容易的。每个模块的框架的功能和语义是不同的。定义专门的验证例程在每一个模块进行分析,基于特征的特定属性框架的基本组件定义。框架是一种模型,该模型可以表示几个独立的模块,通过简单的接口通信。

本文的其余部分组织如下。背景和相关作品中讨论部分2。部分3阐述了自适应车辆的DTN (VDTN)的框架。提出了AGDR节的细节4。部分5包括实验设置,结果,和分析。结论部分6。

在ad hoc网络路由已经进行了广泛的调查。然而,传统特设路由协议可能不适合VANETs由于独特的特点,如高速频繁流动和稀疏的拓扑结构尤其是在城市环境中导致间歇性连接。因此,VANETs可能经历交付概率低,出错率高,和长时间的延误,端到端路径可能不存在在某个时间14]。最近的一些方法如(15]依赖移动人群传感流量预测。然而,这项工作的目标是不同的,只有依靠车载传感器。大部分的传统VANET协议假定完全互联网络的端到端路径可能不是实际在稀疏的拓扑环境。

地理路由协议被认为是更适合VANET等高度动态的环境。这些协议通常分为DTN和non-DTN16]。后者仅适用于高密度网络,可以提供可靠的网络连接为可选路径。另一方面,VDTN协议是专门设计来应对网络划分和断开连接的主要原因由于频繁流动和稀疏的拓扑(17]。因此,包交付VDTN比延迟更重要,因为这些网络的特点是传播机会和间歇性连接不足。这项工作的重点是在VDTN [18]。

与节点直接连接的VDTN可能不可能由于有限的传输范围的路边单元(限制),因此,汽车可以作为一个中间节点传递数据包(19]。然而,在这种情况下,端到端路径可能不存在一个特定的时间和中间节点可能需要缓冲数据20.直到一个转发机会出现。然而,这些转发的机会是很短时间高错误率的链接。VDTN协议在这种情况下的主要目标是最大化数据交付概率同时最小化的端到端延迟(21]。大多数现有的研究采用了传统路由协议的假设完全连接VANET能提供端到端路径。然而,这样的协议可能不适合VDTN尤其是nonurban间歇性连接的环境,在一定时间内端到端路径可能不存在,或网络分区(22]。此外,积极主动的方法如(23)来预测prepartitioning可能不是实际的上下文VANET由于连续的拓扑变化频繁。另一方面,不受控制的车辆节点的运动很难恢复按需连接(24]。因此,一种自适应的框架VDTN路由是必不可少的。

大多数现有的路由协议无法处理频繁的网络断开。然而,一些协议如Vehicle-Assisted数据交付(VADD)旨在改善路由断开连接车载网络在城市场景(25),它使用carry-and-forward方法直到找到继电器。因此,需要长时间在低密度网络提供数据包。GeoOpps DTN路由算法,利用NS的可用性的信息,以说明一个数据包路由到一个特定的地理位置(22]。尽管如此,这些协议不适合分区网络在城市场景。GPSR是一个投机取巧的协议,它只需要位置信息。它更适合高密度网络以最小遇到边界模式的概率,因此延误。它使用数字地图为改善网络的拓扑视图,但仍恢复到周边模式如果继电器不发现。它增加传输失败在断开网络。VADD和GeoOpps规定断开连接,但仍面临挑战的诱导更高的延迟由于carry-and-forward策略在一个车道高速公路模式,缺乏利用对面车道上的车辆连接。此外,这些协议采用迪勒的知识信息(26网络中每辆车的。

解决的主要挑战更高的包交付在断开连接,需要新提议在大多数现有的协议不考虑不断变化的网络拓扑结构,因此不适合稀疏网络断断续续的连接。DTN路由协议的性能取决于车辆密度和流动性的网络模型,因此,交通模式也很重要。车辆运动(如位置,速度,加速度)表示通过流动模型,因为它会影响网络连接。这些模型通常用于模拟新的路由协议。VANETs高效的路由技术,特别是在稀疏的环境中,影响加强沟通的性能数据传输到目标目的地,减少包开销,并最大化数据在最短时间交货。主要关心的是发现和维护一个可靠的通信路径的车载网络需要保持最新的邻居节点的信息,可以通过连续洪水控制数据包或者信标消息的传输(27,28]。稀疏节点密度和频繁的高速流动导致网络分区和间歇性连接使得很难要交付的数据包从源到目的地。在这种动态的环境,一种自适应框架和VDTN转发路由协议是必要的,可以发现一个合适的货代节点(邻居)朝着目的地。这个选择应该以这样一种方式,提高了数据传输的概率减少延迟和平衡的网络开销。

3所示。自适应VDTN框架

本节提出了一种新颖的框架的OBU VDTN。框架由四个主要模块,即传感单元、处理单元、节点发现单位和专用短程通信(DSRC)标准IEEE 802.11便士。图1描述了拟议的框架和各单位在以下描述的细节。


图1
自适应框架VDTN路由。
3.1。传感单元

传感单元收集来自不同传感器的数据如加速器,休息,和GPS并将它转发到应用程序层供后续处理,进一步将其传递到网络层。车载诊断标准接口(29日)可用于收集数据从传感器和通过酸。例如,立即刹车传感器检测并传送相应的信息的OBU的速度控制和监控单元。

3.2。处理单元

从传感器处理单元接收数据和过程的决策。例如,来自全球定位系统和数字地图的数据可以用来确定车辆方向。同样,方向的车辆可以预测基于数字地图和迪勒信息。

3.3。节点发现单位

本单位负责发现一个合适的基于邻居节点地理位置,向量信息,并预测未来的方向。它使用HELLO消息发现相邻节点。跳选择算法用于寻找一个合适的邻居数据转发。

3.4。DSRC /波控制单元

联邦通信委员会已经从5.9 GHz专门分配75 MHz带宽频谱vehicle-to-vehicle (V2V)和vehicle-to-infrastructure沟通。

4所示。数学分析VDTN的性能指标

本节介绍数学分析路由开销等性能指标的计算、端到端延迟,VDTN和信息传播。

4.1。数学分析在VDTN路由开销

VDTN,路由开销主要取决于相邻节点的数量和啤酒花的数量,后者指的是中间节点的计算从源到目的地的路径(30.]。这项工作使用概率方法计算路由开销。让我们假设 节点随机分布在面积 平方米。假设每个节点的传输范围 ;因此,网络维度 和 在哪里 。 和 源和目的节点。的概率 一个节点的 在传输范围内的 可以通过计算 的概率 邻居(从 ) 可以通过以下公式计算: 在哪里 二项随机变量和吗 代表的平均数量为网络中的任何节点邻居。我们能找到的概率分布函数(PDF)通过交换变量 从任意变量 和 。自 和 PDF是独立的吗 可以通过计算 在(3), 代表的卷积和PDF 也可以确定。

从(3),我们可以计算出预期数量的啤酒花,也就是说, 和 : 在哪里 是节点传输范围。我们有兴趣找到开销数据包的平均数量。路由开销是指控制数据包的数量(路由请求和应答)传播到整个网络。取消冗余,请求ID和发送方地址的路由请求。路由请求数据包将传播的深度 。图2描述了两个节点 和 与 平均的邻居。


图2
一个简单的VANET两个节点。

我们表示的传播范围 和 作为 和 分别和共享区 。如果 之间的距离是 和 可以找到,然后十字路口 通过深度的平均路由请求 虽然没有到达目的地。从(4),我们可以找到的邻居 th水平如下: 总广播路由请求的预期的数量可以被计算 在哪里 表示的邻居数量水平 连接到下一个级别。如前所述,路由开销是基于路由请求和路由应答时(8)只代表了前。因此,从目的地航线的平均数量回复可以找到源代码如下: 一般来说,可以编写消息的路由回复如下: 从(9)和(10),我们可以计算路由开销。

4.2。数学分析VDTN的端到端延迟

让我们假设的PDF追赶时间 是由以下方程: 从(11),我们发现的PDF 是有条件的 , 在那之后,乘 PDF格式的 , ,我们发现合并PDF (31日]。当 ,应该在两个节点的传输范围。因此,边际累积分布函数(CDF)经过以下分配: 但是,当 联合CDF可以写成: 为了简化计算,我们改变这个函数 在 传播范围的坐标 对于数据传输从一个节点到另一个地方。广播传播覆盖距离 为 通过提供可以找到吗 这可以从下列方程计算: 在哪里 最大可能的持续时间的距离吗 。

合并后的运作 可以别名 和它的PDF 因为他们是基于依赖的概率距离和时间的考验。一个正常的依赖CDF实验组的总 节点 数据的口袋,到达最终的目的地 可以发现 从(16),端到端延迟可以确定如下:

4.3。VDTN消息传播的数学分析

在大多数情况下,数据包使用寿命有限,而且一旦过期一生都会被丢弃。在本节中,我们计算消息传播VDTN的概率。节点加入网络的总数的路段 被认为是一个静态变量和相关的随机过程建模为泊松分布(32]。在道路网络的概率密度函数 因此,由以下几点: 在哪里 代表的意思是到达率在路上 和 代表的数量到达时间间隔0到 。计算简单,我们认为是道路网络的一部分在我们的分析,如图3。


图3
一个十字路口道路网络。

图3显示了道路 和 与相应的十字路口 与 和 与 。道路 和 形成一个角用 。 和 点的道路吗 和 分别在距离 从十字路口 。在时间 ,一辆车 旅行速度 在距离不到 朝十字路口 。在这种情况下,我们专注于两个基本场景来传播信息。首先是概率 传输的信息直接从车辆上 车辆在 。二是概率 ,一个消息灵通的车辆 从 变成 。的概率 取决于交通到达率的部分 相比,对十字路口总到达率 从不同的道路。

以下方程给出了概率的下界传播信息结合两个提到的场景: 在这里,我们需要计算的概率 和 。

在十字路口节点之间的信息传播的概率( )。从图3,我们分析两种不同的情况。在第一种情况下, 收到的数据包信息传递点之前 。在第二种情况下, 收到消息后从后续节点传递 在接近十字路口 。我们计算消息传输从一个节点的概率 上一辆车 在时间内 ,在那里 。虽然价值就越高 将会增加传输概率,然而,它也可能增加数据包的传输时间(33]。我们表示消息传输和接收的概率 和 ,可以计算如下: 为了简化计算,我们假设,期间 ,至少有一个通知车辆之间 和 任何节点进入传播信息 。进入的概率是相同的公式所给出的案例1: 由此,我们可以得出,如果期间 大于 ,接收的概率如下: 确定总体概率 的传输效率 来 ,我们必须找到并添加两个发射和接受的概率。

首先,我们发现概率分别针对每种情况。考虑到时间和速度的差距两个节点之间的区别 和 是 和 分别的距离 。从(13例1),我们可以发现概率如下: 由于案例2例1的补充, 因此,从道路整体传输一个数据包的概率 道路 在一个时期 是

5。自适应地理DTN路由

提出AGDR协议模仿延迟宽容行为通过使用carry-and-forward策略。它需要每个节点发现、维护和更新信息的邻居。节点的邻居,一个适当的跳货代选择消息传递。在以下描述的详细算法。

5.1。发现和维护邻居信息

如前所述,与限制可能不是直接连接的节点,一个节点可能寻求帮助的邻居和中间节点将消息从源到目的地。此外,一个节点的邻居继续改变由于各种原因如速率变化和车辆在VANET可能随时加入和离开网络。因此,AGDR雇佣周期发现你好消息,维护和更新邻居(34]。这些信息包含位置、方向、速度和迪勒信息。节点可以准确地确定其方向基于GPS或NS。两个节点可以确定他们是否是邻居基于他们的立场和传播范围。如果两个节点之间的距离小于他们的传播范围,他们被认为是邻居。每个节点维护一个邻居是定期更新的列表。之前离开高速公路,车辆会通知邻国,以避免失去信息。同样,一个新的输入节点会发现其邻国通过你好消息,反之亦然。表1显示的内容和格式你好消息。

表1
你好AGDR消息格式。
5.2。转发选择

基于邻居信息,节点可以确定一个合适的货代消息传递。然而,这是一大挑战,因为一个节点的邻居经常变化。图4描绘了一个货代AGDR选拔程序。它更愿意选择一个货代节点移动方向相同的目的地。AGDR努力避免选择货代节点可能很快就离开网络,是很难预测的。它雇用了迪勒来确定节点会留下或离开网络。表2显示了迪勒的可能的值。邻居迪勒值“0”应该是首选的货代,因为它将继续它的旅程公路和不会下一个出口。然而,如果没有这样的邻居,邻居迪勒值“1”可以暂时的。有可能没有车朝着目的地。在这种情况下,车辆在相反的也可以被视为临时继电器表示“ ”。如果没有一个邻居节点的存在在一个特定时间,节点将继续寻找合适的货代。这种情况下被称为继电器断开这意味着缺乏车辆的方向目标。恢复从继电器断开使用车辆的当前位置和目标是不够的35]。

表2
迪勒信息。

图4
跳选择过程的流程图。
5.3。消息转发

首先,源 检查目的地 是邻居,它将消息转发给它。接收节点将确认收到的消息。如果 不是邻居, 将消息转发给货代节点,后者会承认的。每个发送节点集确认时间(CTD)阈值的消息不断递减。如果消息确认收到CTD到期之前,消息传输成功。否则,消息被删除和发送方寻找另一个节点重新发送数据包。前一个中间车辆离开高速公路,它将消息转发给它的任何邻居。如果一个节点没有找到合适的货代,它将包暂时的缓冲和继续寻找中继节点称为store-carry-forward方法。

图5总结了交付消息从源程序 到目的地 。如果 是你的邻居 ,后者将消息转发给前者。否则, 将寻找一个合适的货代使用前面描述的过程和传递数据包。节点将暂时保存数据包缓冲区和继续寻找一个合适的货代,如果它不存在已经被称为store-carry-forward方法。


图5
流程图的AGDR协议。

6。结果和分析

仿真实验验证了AGDR的性能。本部分论述了模拟设置、性能指标和结果。

6.1。仿真设置和性能指标

进行的实验中,我们使用网络模拟器(NS-2)和VanetMobiSim是用于生成现实的交通车辆的环境。实验涉及到不同的节点数(10 - 150)和数据包大小(500 - 4000)字节。我们考虑一个全向天线与自由空间传播模型和恒定比特率(CBR)流量发生器用于分析。表3总结了仿真参数。

表3
仿真设置。

AGDR的性能评估使用以下指标:(我)包交货率的比率是数据包送到目的地(36]。(2)控制分组开销计算累积控制网络上传输的数据包的数量。(3)端到端平均延时的延迟是交付数据包从源到目的地(37]。

以下参数被用来改变VANET配置在实验中:(我)网络中节点的数目影响节点密度和网络连接。(2)数据包的大小影响延迟和开销。(3)你好间隔影响路由协议的效率。我们比较的性能和先进的VDTN AGDR路由协议,也就是说,GPSR GeoOpps,结果在下面。

6.2。讨论的结果

首先,我们提出并讨论了结果不同网络的大小对应于车辆的数量。在数据6(一)和6 (b)图表显示,显著改善AGDR包开销和包比GPSR和GeoOpps交货率。由于智能跳选择过程,认为迪勒信息并选择中继车辆即使在对面车道如果没有找到一个合适的继电器在同一车道上。图6 (c)演示了端到端延迟的性能越来越多的车辆。图显示的性能AGDR比GPSR和GeoOpps拓扑(即稀疏。节点密度低)。然而,对于车辆60到100的范围内,端到端延迟协议的收敛。这种融合是由于减少线路故障引起的周边的GPSR方式越来越多的车辆。换句话说,它表明,用更少的车辆和车辆网络可能的网络分区,AGDR更合适的通信选项。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图6
(一)包交付节点密度的函数。(b)节点密度影响的开销。(c)的端到端延迟的节点数的函数。

图7(一)把数据包交付的效率比描绘成数据包大小的函数。图显示了一个简单的数据包交付的效率下降比率,然后变得稳定与数据包大小的增加相同数量的数据包。原因是数据包的大小影响带宽消耗,这被认为是有限VANET导致无线信道争用的问题。AGDR然而,图中显示明显改善性能的数据包交付的效率比在GPSR GeoOpps,由于剥削迪勒转发信息方面的选择过程,选择适当的转发节点将数据包转发到目的地。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图7
(一)包交货率作为数据包大小的函数。(b)影响数据包大小的开销。(c)的端到端延迟作为数据包大小的函数。

图7 (b)说明了不同的数据包大小的影响通过网络发送的数据包的数量(开销)。它揭示了开销增加数据包大小来此定居,因为数据包大小有更多影响带宽消耗,导致争用的问题在使用无线频道。另外,图中显示出更好的性能在GPSR AGDR GeoOpps。这源于这样一个事实:它利用方面,迪勒跳选择过程中的信息,为了有效地选择下一跳节点,涉及朝着期望的目标导致减少失败的尝试交付目的地的数据包,也影响降低管理费用。

图7 (c)演示了端到端延时和增加数据包大小;GPSR显示增加一个小的端到端延时与AGDR相比,GeoOpps显示更少的时间当增加数据包的大小。这是因为GPSR中产生的流量,从而导致一些数据包的电源,导致延误的增加而AGDR决定将数据包转发给下一跳节点更准确,考虑到其他因素如迪勒信息。

6.3。你好间隔的影响

自适应你好信标信息作为系统的心跳,因此必须谨慎使用。网络中的每个节点传输你好信标信息自适应地根据参数值。意图接收器的你好消息传输的直接一跳邻居节点。包本身是一个很短的导数完整的标题,只包含的信息传输节点。收到你好包,相邻节点简单地更新他们的邻居列表,然后丢弃消息。你好数据包中扮演一个重要的角色在路由协议的性能。你好数据包接收节点提供了最新的正确的地理位置,车辆的矢量信息,迪勒的预测未来的方向。所有转发决策然后在此基础上收集的信息。所有转发决策然后在此基础上收集到的信息,也就是说,自适应你好信标消息对应的节点的位置信息的准确性。

6.3.1。你好信标消息时间间隔的效率

图8(一个)代表了消息传递的效率比你好信标消息广播间隔。图代表一个初始AGDR线性减少;然后,AGDR开始落定在广播时间的流逝。图中描绘了一个相当大的改善的数据交货率AGDR GPSR和GeoOpps。显著减少表的开始被认为是所有图表的一致性不同HELLO消息间隔灯塔。广播你好信标消息的间隔被认为是在一开始地区少。节点周围的车辆节点收集最新的信息,因此表现出明显的变化。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图8
(一)数据包交付的效率对信标消息间隔。(b)开销对信标消息间隔。(c)的端到端延迟对信标消息间隔。
再。你好信标消息时间间隔的开销

图8 (b)代表你好信标消息间隔的影响数据包的开销。图表说明增加时间间隔的开销明显减少,因为它需要更少的控制包维护网络。AGDR产生包开销低于GPSR因为它使用迪勒信息转发找到最好的中间节点选择过程。

6.3.3。你好信标信息端到端延迟

图8 (c)说明了端到端延时诗句你好信标广播时间间隔。AGDR显示延迟小于GPSR GeoOpps当增加你好信标消息的发送之间的时间间隔。

7所示。结论

本文提出了一种新的自适应分区VANETs VDTN路由协议的框架。框架满足车辆的连接要求而提高路径的稳定性。转发的方法求解分区网络显示,选择过程能够准确地选择下一个跃点基于车辆信息,如位置,目前的方向,信息,和速度。AGDR的性能可能会有所不同道路交通情况。新开发的自适应VDTN路由协议AGDR优于GeoOpps GPSR包交货率,开销,端到端延迟,因为它提高了数据包转发使用迪勒信息。协议满足车辆的连接要求而提高路径的稳定性。转发的方法求解分区网络显示,选择过程能够准确地选择下一个跃点基于车辆信息,如位置,向量,迪勒信息。AGDR路由协议可以通过包括规定进一步扩展为多个应用程序在不同的通信需求以及操作环境。从娱乐的角度来看,AGDR路由协议可以扩展为支持多播流量Internet-to-vehicle通信的默认模式。此外,需要一个安全的平台,以确保没有剥削的迪勒信息干扰或影响其他车辆的运动。 Finally, it is concluded that AGDR is an efficient routing for sparse and partitioned VANET based on DIL information that can maintain route stability by minimizing the route failures.

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢提供的支持ICTD邮政电信和信息技术的孟加拉人民共和国。伊姆兰的工作支持院长以来在沙特国王大学科学研究的研究小组。RG # 1435 - 051。