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CLWPR - 一种用于车载自组织网络的新颖的跨层优化的基于位置的路由协议

Konstantinos Katsaros,Mehrdad Dianati,Rahim Tafazolli 和Ralf Kernchen

通信系统研究中心（CCSR)

电子工程系，萨里大学

Guildford, GU2 2XH,United Kingdom

电子邮箱：{K.Katsaros,M.Dianati,R.Tafazolli,R.Kernchen}@surrey.ac.uk

概要：在本文中，我们提出一种新型的基于地理位置路由协议，它被设计去预料城市VANET环境的特点。该算法利用节点的位置和导航的预测信息去提高车联网路由协议的效率。 此外，我们使用链路层信噪比品质和MAC误帧率的信息进一步提高路由协议的效率。别有助于减少端到端时延。最后，在稀疏网络中carry-n-forward(结转)机制被采用为补救策略。结果表明，使用这种技术会增加数据包的投递率，但会增加端到端时延，不推荐用于QoS约束服务。我们的结果表明，它与GPSR相比，我们的方案演示了它在城市中有更好的性能。

关键词：车辆自组织网络，基于位置的路由，跨层。

I.导言

近年来，对车辆自组织网络的研究有聚集的石头，原因是汽车产业和政府尝试去提高质量和未来运输系统的安全增加了对它的关注。预计未来车辆将能够形成无线自组织网络，在道路和城市环境中交换重要的交通和安全相关的信息。为此，适当的通信系统，包括路由协议的各个方面都被认为是在这样的环境中进行有效的优化操作。出于这种需求，本文研究并提出了一种高效的基于位置的网络路由算法用于VAMETs。

虽然现有的移动Ad hoc网络路由协议（无线自组网），直接将他们导入VANETs的表现差强人意[ 1 ]。一些区分VANETs无线自组网的差异是严格的能源缺乏的限制，节点的高移动性（车辆）被道路拓扑结构、相对短暂的通信链路和信道特性（路径损耗和衰减由于建筑物和其他车辆）限制。

根据他们的结构，路由协议可分为四类，分别为：基于拓扑，层次（聚类），溢出（广播）和地理（基于位置）。 在第一类中，一些有代表性的例子是主动式的OLSR [ 2 ]，被动式的AODV【3】和DSR [ 4 ]。为了保持路由表的更新，主动式路由协议使网络开销增加，并且使得网络拓扑结构变大。另一方面，反应协议在通信的开始添加一个延迟，以便发现一个路由，同时这个查询会导致网络泛滥。此外，车辆网络的动态拓扑结构将很快使以前的路由过时，因此需要一个新的查询。分层协议，如HRS [ 5 ]，将网络划分成集群，在一段时间内共享一些共同的特性。即使车辆的运动可以用集群来描述，特别是在城市环境中，但需要增加网络开销来维护集群是其一个缺点。传播数据包的最简单方法是在网络中泛滥。这样一来，路由协议的复杂性将最小化，但网络压力和网路开销随着网络的增大呈几何级数增长。因为它可以清楚地看到，这些传统协议的无线自组网是不适合车辆的，即使修改它们以适应车载环境。 最后一类路由协议--基于地理位置，是最适合车辆自组织网络。在这些协议中有两个基本假设。第一，一个节点能知道自己的位置。这样的假设是有效的，因为GPS技术的使用是普遍的，每个车辆都可以配备这样的设备。除了GPS，已经开发了其他的定位手段，可以使用，如三角测量。第二个假设，最重要的是，每个节点知道或能够知道目标的位置，当需要的时候。 这是随着位置服务如HLS 的使用来实现【6】。在VAMETs中，支持基于位置的路由协议余下的特点是在大型网络中他们衡量的更好，因为他们仅使用局部信息（只有邻近信息）来选择下一个转发节点而不是拓扑协议使用的完整的网络图。此外，它的路由开销是少于泛洪协议的，因为最后，与分层协议相比，地理路由协议不具有聚类的开销。因此，在VAMETs中，基于位置的路由是至关重要的，因为有更高一级的动态拓扑和大量潜在的节点。

在本文中，我们提出了一种新型的单播路由协议，专门设计用于城市环境（稀疏和密集的车辆交通）中的车载自组织网络，这个协议利用城市环境使其他协议性能恶化如流动性和干扰受约束的特点。跨层，加权，基于位置的路由（CLWPR)协议几乎是自我描述的。首先，它是一个基于位置的协议，使用在道路上的距离作为量度而不是实际（欧几里）距离。 它还可以跟踪为PHY层和MAC层参数如信噪干扰功率比（SNIR)和MAC帧错误率来估计链路质量。此外，在节点利用率方面，排队信息被考虑进来，以提供一些流量均衡，使服务质量更好。所有这些信息都联合在一个加权函数中，并且计算每个相邻节点的权重，在此基础上进行转发选择。我们评估了我们的协议，用系列5x5曼哈顿网络场景与监视器模拟它的性能，如分组投递率和端到端时延。结果表明，该协议优于GPSR[7]。此外，电子地图信息的使用增加了数据包的接收和链路层信息的使用可以减少端到端延迟。

本文的其余部分组织如下。在第二节中，我们介绍在基于位置路由的相关工作。在第三部分，描述这个协议和在第四部分是它与GPSR的性能比较。最后，在第五部分，结束工作。

2、相关工作

A．移动自组织网络(MANETs)基于位置路由

在本节中，我们研究MANET的单播自组织协议，具体来说是研究节点如基于地理相关信息选择下一个转发节点。首先介绍贪“贪婪转发算法(GF)”[8]。在该算法中，下一个转发节点根据目的节点的地理距离（欧几里得距离）进行选择。在如图1所示的事例场景中，使用GF策略时，源节点S会将分组转发给最靠近目的节点D的节点#4。GF算法在几种协议诸如GPSR[7]以及[8]中得到应用。区别于GF，文献[9]提出“最大前进半径(MFR)”方法。该方案提议待选择的节点将提供从源节点到目的节点直线上的最大转发距离。这个距离通过节点与源节点以及目的节点组成的三角余弦计算可以得到。在我们的例子中，由cos1XX可以得到目的节点的最大转发进度，因此选择节点#1。另一方面，文献[10]提出了“最近转发进度(NFR)策略”，该策略选择具有最小进度（事例中节点#3）的节点。该策略是为了最小化发送功率从而降低电源消耗而提出的。文献[11]中第三种方式策略使用了进度概念，其建议随机从提供到目的节点正进度的节点中一个节点（图1节点#1-#4中任意节点）。最后贪婪算法，称作罗盘路由[12]，尝试最小化所选节点到源节点以及目的节点之间直连线的角度。在我们的事例中，由于角度XXX最小，因此将选择节点#2。上述方法都是基于随机移动性模型（如随机航点），其不适用于具有道路约束的车辆网(VANET)。曼哈顿网格或真正道路网络驱动模型更适合城市环境，可以更好地描述车辆在城市中的移动情形。

B、车辆网(VANET)基于位置路由

为了结局上述问题，引入了采用映射信息的协议。下划线道路拓扑只是非常重要，其有助于改进路由协议的设计。使用图2作为本节提出的不同方案的参考。必须提及的是，除了先前的两个基本假设（使用定位系统和定位服务）之外，还必须对这类型方案进行第三种假设。节点应当意识到道路网络，由于目前大多车辆配备有可以这种功能的导航设备，这是一个有效的假设。

高级贪婪(AG)算法以及限制贪婪(RG)算法两种方案的每个交叉点（如图2中的I-1，I-2，I-3以及I-4）定义为“锚点”。节点使用通用的算法搜索到达目的地的路由，如Dijkstra，并且识别分组必须经过的交叉的最小数目。然后，节点尝试使用先前无地图贪婪算法中的一个向第一交叉点转发分组。一旦分组已经到达交叉点处的节点（例如节点#1），则将再次使用贪婪算法将其转发到下一个相交节点。使用该算法的协议有CAR[13]，GPCR[14]以及GyTAR[15]。GPSRJ [16]中对该算法进行了优化，转发节点可以预测分组将遵循的路线并跳过交集（如直接转发到节点#4或#2而不是#1）。因此可以减少跳数。每个节点广播信标不仅可以包括它们的位置，而且包括速度，航向等。使用这些附加信息，节点可以在转发节做出更明智的决定（如向相同方向节点前进）。使用此方案的协议包括VADD [17]，A-STAR [18]，AGFGPSR [19]和优化GPSR [20]。类似于后者，利用速度信息，节点可以预测另一个节点的当前位置，从已知的最新位置和现在的时间和收到的信标的时间之间的时间差。 该方法用于VADD[ 17 ]，mp2r [ 21 ]和MAGF[ 22 ]。 gpsr-l [ 23 介绍在路由中通信链路有效期的概念。使用节点的速度和位置的信息，它可以预测它将保持在通信范围内的时间，从而选择相应的转发节点。 最后，更先进的方案使用车辆交通和道路系统的信息，如某一条路的最大速度（vadd)和交通密度信息。“anchor”方法的缺点是，它们不是非常动态的。如果目的地改变其位置，应重新计算最佳的交点序列。此外，开销增加，因为这个序列的交叉点被包含在每个数据包。这些协议没有考虑到通信信道的特性或节点的利用率。 本文的目的是通过引入一个链路质量估计信噪比的信息和MAC帧错误率和节点的利用率去平衡交通负载。

C.跨层路由设计

为了提供更好的服务质量，已有跨层设计的提议，该提议考虑了底层的指标，如信道状态信息、传输计数和他们的路径选择。这些方法的主要目的是利用物理层信道质量信息作为一个手段来预测链路质量，基于这个预测，路由协议将执行路径选择。接受信号强度和数据包到达时间的信息，计算链路剩余时间（LRT)度量（量级）。这是特定链路可用于传输的剩余时间的指标。链路剩余时间暴露再上层，如路由。 然而，计算链路剩余时间（LRT)不是微不足道的。它需要从数据中去除噪声，估计模型参数和最后更新LRT。这个方法的有点是它是通用的，LRT可以被任何其他上层使用。另一方面，SBRSOLSR仅限于OLST。在这里，物理层（PHY)信噪比信息被OLSR路由协议使用，为了选择最佳的多点中继（MR)节点;该节点有最高的信噪比。这些节点负责拓扑广播，与原始OLSR相反，OLSR在所有节点广播拓扑信息。在另一方面，MOPR使用MAC层中的移动信息来预测中继节点的未来位置，并计算“链路稳定性”，根据这些转发选择将被执行。因为这是MAC层信息，上一网络层既不是拓扑协议或者一个地区协议。它看起来类似GPSR-L，但在MOPR中，位置信息再MAC中是有效的而GPSR-L中，它是直接用于NET，因此它不能算作跨层协议。其他使用MAC信息的协议是R-AOMDV。它结合了在MAC中可用的传输计数和在NET中可用的跳数（hop count)去计算它的路由量级，因此提供根据完整路径和不仅仅每个链路的网络服务（QoS)。在VAMETs中提供更好的QoS的三重约束路由协议是DeReHQ(delay-reliability-hop)。

它是基于AODV的，但也考虑端到端延时，链接可靠性和Hop count (跳数)来给予不同的优先权。PROMPT是一个地理路由协议，它有一个双向跨层设计。它是为开发车辆基础结构应用程序，并提供（A)通过流量统计被收集再MAC（B）在MAC层中被来自NET的移动信息支持的鲁棒中继选择。

1. CLWPR

在本节中，我们提出了我们的协议的关键事实和假设。首先，根据机会转发，该协议被设计为一个单播，多跳的协议。在实际数据分发之前没有路由发现，只根据最小权重选择下一跳，它是根据一跳“HELLO”消息（别人称他们为信标）来使每个节点周期性地广播。这些信息包括定位信息（位置，速度和标题）和稍后我们将描述的其他信息。“Hello”消息通过路由协议生成，并传递给负责适当传播的MAC层。在CLWPR中，贪婪转发不计算在II-A部分描述的地理上的距离，而是计算出车辆要行进才能到达目的地的距离。这种变化来自以前提出的算法，它根据节点是车辆和车辆的运动被限制在车道内的情况。任何转发消息都必须遵循车辆的路径，因此，用根据道路网络布局的距离来描述两辆车的距离好于用地理距离描述的。 这种方法也被用于在传播模型[ 30 ]。 为了获得这些有用的信息，在车上的电子地图必须是进口的。来自电子地图的信息是车辆正在行驶的道路情况。如果一条消息沿着目的地行进的路径转发，那么它就越有可能到达。此选择执行接近路口，在通信范围内，车辆从不同的道路移动和那些沿目的地的道路行驶是首选。为了得到更精确的和一个节点的位置的最新信息，“HELLO”信息应更频繁地播出。然而，这种方法增加了网络开销。在我们的协议中，我们使用从“Hello”消息收集的信息，如位置，速度和标题，去预测节点的位置当我们要发送数据。此外，当一个节点接收到一个“HELLO”的消息时，它计算出SNIR值来估计链路质量。此值与相邻信息的其余部分一起存储在列表中。 另一个链路质量度量，是使用的MAC帧错误率。这是在“Hello”消息中。最后，一个节点，包括其队列的大小，作为效用的指标，将会用于平衡网络上的流量和存储来自结转机制的数据包的数目。表I中提供了“Hello”消息中所携带的所有信息的摘要。

加权函数

当一个节点必须发送一个数据包（无论是作为一个源或只是转发节点）时，它计算其路由表。对于节点发送数据包的每个唯一目的地址，它用等式1计算在其邻近的列表中的每个节点的权重。使用这种方法，我们只使用本地化的信息来选择转发节点，不需要知道完整的网络扑结构或特定的路由到目的地（机会主义的方法）。此外，如果一个节点没有一个包发送/转发 ，然后，它不需要计算路由表，从而使计算最小化。对于特定的目的地，它用最小权重来选择下一跳。

其中

fi:是每个参数的加权因子

Distance：是从被测目标在道路上的距离。

NormAngle:是角度参数的归一化权重，使用（2）来计算

NormRoad: 是道路参数归一化的权重，使用（3）来计算

Utilization:是在该节点的队列中的

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