張 好， 鄭世慧， 楊 榆(北京郵電大學(xué)信息安全中心，北京100876)

0 引言

車(chē)載自組網(wǎng)(Vehicular Ad Hoc Network，VANET)是一種特殊的無(wú)線自組網(wǎng)?；舅枷胧窃谝欢ㄍㄐ欧秶鷥?nèi)的車(chē)輛自動(dòng)地相互連接建立起一個(gè)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)，用于交換各自信息(如車(chē)速、位置等)和車(chē)載傳感器感知的數(shù)據(jù)。車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)在事故預(yù)警、保障交通安全、智能駕駛、收費(fèi)站繳費(fèi)、乘客辦公與娛樂(lè)化及電子商務(wù)等很多方面有著良好的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著車(chē)輛的飛速普及，車(chē)載網(wǎng)已經(jīng)引起了越來(lái)越多的研究者，其路由協(xié)議也成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的GPSR車(chē)載網(wǎng)路由協(xié)議，獲得一種新的連通率較高，適應(yīng)不同道路情況的新車(chē)載網(wǎng)路由協(xié)議。仿真測(cè)試表明，新協(xié)議能很好的適應(yīng)車(chē)載網(wǎng)中車(chē)輛節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)的特性，降低道路間障礙物對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，并且能夠根?jù)車(chē)流密度自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)包的流向，從而提高路由協(xié)議的連通率。同時(shí)，新的路由協(xié)議也能夠自動(dòng)區(qū)分鄉(xiāng)村高速公路、城市路況等不同的道路環(huán)境，并依據(jù)不同的路況采用不同的策略進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

1 GPSR協(xié)議

1．1 GPSR協(xié)議簡(jiǎn)介

GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)路由協(xié)議是一種地理位置輔助路由協(xié)議。該協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要在一定周期T內(nèi)向一跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)廣播自己的位置信息，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)就知道自己和自己一跳范圍內(nèi)所有鄰居節(jié)點(diǎn)的位置。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前不尋找路由，不保存路由表，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接根據(jù)包括自己、鄰節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)的位置信息制定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)決策，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式有貪婪模式和周邊模式兩種。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)分組時(shí)，首先采用的是貪婪模式轉(zhuǎn)發(fā)，如果貪婪模式失敗則轉(zhuǎn)為周邊模式轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1所示為貪婪轉(zhuǎn)發(fā)示意圖。圖中以節(jié)點(diǎn)x為中心的圓代表x的一跳通信范圍，以節(jié)點(diǎn)z為中心的圓代表z的一跳通信范圍。x收到一個(gè)要轉(zhuǎn)發(fā)至z的數(shù)據(jù)包，首先查找鄰居節(jié)點(diǎn)表中距離自身最遠(yuǎn)(即最接近目的節(jié)點(diǎn))的鄰居節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)y是滿(mǎn)足條件的節(jié)點(diǎn)，因此將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給y。y重復(fù)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式直至數(shù)據(jù)包到達(dá)z。

圖1 GPSR協(xié)議的貪婪模式

周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式是指這樣一種情況，當(dāng)節(jié)點(diǎn)查找鄰居節(jié)點(diǎn)表發(fā)現(xiàn)沒(méi)有比自身更接近目的節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，就按照右手規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)分組。右手規(guī)則是指數(shù)據(jù)分組沿著路徑轉(zhuǎn)發(fā)，目的節(jié)點(diǎn)始終在轉(zhuǎn)發(fā)路徑的右側(cè)。在圖2中，由于x在其通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)比它自身更接近于目的節(jié)點(diǎn)z的節(jié)點(diǎn)，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)失敗，因此采用右手規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，其分組發(fā)送的路徑是x-＞a-＞b-＞c-＞z。

圖2 GPSR協(xié)議的周邊模式

1．2 GPSR協(xié)議性能分析

在VANET中，通信節(jié)點(diǎn)處于高速移動(dòng)狀態(tài)，一條鏈路的有效時(shí)間非常短，所以一旦存儲(chǔ)路由表，就必須不停地更新路由表，才能保證鏈路的有效性，這種方式在通信量和通信時(shí)間上的開(kāi)銷(xiāo)非常大，而GPSR協(xié)議采用邊發(fā)包邊找路的策略就能很好地避免上述問(wèn)題，這使由于位置改變帶來(lái)的丟包現(xiàn)象的可能性大大縮小。

但是，同時(shí)GPSR協(xié)議也存在著適用性不強(qiáng)、連通率不高的缺點(diǎn)。原因如下:

(1)GPSR協(xié)議將地圖信息簡(jiǎn)單的當(dāng)做一個(gè)二維圖進(jìn)行處理，而忽視三維空間中的道路間障礙物對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖璧K。

(2)GPSR協(xié)議根據(jù)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)本地位置信息表的位置信息選擇一跳范圍內(nèi)的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?jié)點(diǎn)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能根據(jù)每隔T時(shí)間接收的廣播信息記錄一跳范圍內(nèi)其他位置節(jié)點(diǎn)的信息，也就是說(shuō)S節(jié)點(diǎn)只能獲取處于自己一跳范圍內(nèi)R節(jié)點(diǎn)T，2T，3T，…，NT時(shí)刻的位置信息。如果在NT+t(0＜t＜T)時(shí)刻S節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包，它只能根據(jù)NT時(shí)刻記錄的位置信息選取一跳范圍內(nèi)的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)R，但是，如果S和R處于高速移動(dòng)狀態(tài)，那么NT+t時(shí)刻，最優(yōu)節(jié)點(diǎn)R很有可能已經(jīng)移出S節(jié)點(diǎn)的通信范圍，在這種情況下S節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包必定無(wú)法傳送到R節(jié)點(diǎn)。

(3)在原始的GPSR協(xié)議中，一旦節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)周?chē)惶秶鷥?nèi)沒(méi)有合適的的節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的下一跳，那么節(jié)點(diǎn)將會(huì)直接丟棄數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的傳輸失敗。

2 改進(jìn)的GPSR協(xié)議

GPSR協(xié)議存在著適用性不強(qiáng)、連通率不高缺點(diǎn)。因此，為進(jìn)一步提高協(xié)議的適用性，保證協(xié)議能夠在各種道路環(huán)境下運(yùn)行良好，提高協(xié)議的連通率，保證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的完整性，對(duì)GPSR路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，稱(chēng)新協(xié)議為NGPSR。

2．1 NGPSR路由協(xié)議

NGPSR協(xié)議流程如下:

角色:發(fā)送者 S、經(jīng)過(guò)的路口節(jié)點(diǎn) C1，C2，…，Ct、參與轉(zhuǎn)發(fā)的車(chē)輛 N1，N2，…，Ns、接收者 R。

第一步:所有車(chē)輛節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)記錄自己位置信息和自身標(biāo)示(如車(chē)牌號(hào)等)的廣播數(shù)據(jù)包，每隔時(shí)間T向一跳范圍內(nèi)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)廣播該數(shù)據(jù)包;節(jié)點(diǎn)收到一跳范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)廣播的位置信息后，將一跳范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的標(biāo)示信息和位置信息記錄在本地位置信息表中。

第二步:發(fā)送者S產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)包，通過(guò)GPS獲取接收者R的位置信息，并從本地位置信息表中獲取一跳范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)信息。S節(jié)點(diǎn)判斷自己一跳范圍內(nèi)是否存在目的節(jié)點(diǎn)(此時(shí)S節(jié)點(diǎn)并不是直接以位置信息表中的位置信息作為判斷依據(jù)，而是先對(duì)一跳范圍內(nèi)的所有車(chē)輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置預(yù)測(cè)，然后以預(yù)測(cè)的位置信息作為判斷依據(jù)，文中所有的位置判斷操作過(guò)程都是指先位置預(yù)測(cè)再判斷)。若存在，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)R;若不存在，S節(jié)點(diǎn)判斷自己一跳范圍內(nèi)是否存在路口節(jié)點(diǎn)。若存在，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給路口節(jié)點(diǎn)C1;若不存在，S節(jié)點(diǎn)判斷自己一跳范圍內(nèi)是否存在比自己更接近目的節(jié)點(diǎn)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)。若存在，則用貪婪模式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給自己一跳范圍內(nèi)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)N1;若不存在，則用周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給自己一跳范圍內(nèi)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)N1。

第三步:路口節(jié)點(diǎn)Ci(1≤i≤t)收到數(shù)據(jù)包后，Ci節(jié)點(diǎn)判斷自己一跳范圍內(nèi)是否存在目的節(jié)點(diǎn)R，若存在，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)R;若不存在，Ci節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPS獲得離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)R最近的路口節(jié)點(diǎn)的信息，判斷自己是不是離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)R最近的路口節(jié)點(diǎn)。若Ci節(jié)點(diǎn)是離目的節(jié)點(diǎn)R最近的路口節(jié)點(diǎn)，則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給行駛在自己和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所處路上離路口節(jié)點(diǎn)Ci一跳范圍內(nèi)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)Nj(1≤j≤s);若Ci節(jié)點(diǎn)不是離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)R最近的路口節(jié)點(diǎn)，Ci獲取自己所處的幾條道路的車(chē)流密度信息，判斷幾條道路離目的節(jié)點(diǎn)R的距離。綜合這2個(gè)信息，選擇一條道路，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到選定的這條道路上處在Ci節(jié)點(diǎn)一條范圍內(nèi)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn) Nj(1≤j≤s)。

第四步:車(chē)輛節(jié)點(diǎn)Nj(1≤j≤s)收到數(shù)據(jù)包后，Nj節(jié)點(diǎn)判斷自己一跳范圍內(nèi)是否存在目的節(jié)點(diǎn)R。若存在，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)R;若不存在，Nj節(jié)點(diǎn)判斷自己一跳范圍內(nèi)是否存在路口節(jié)點(diǎn)。若存在，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給路口節(jié)點(diǎn)Ci+1;若不存在，Nj節(jié)點(diǎn)自己一跳范圍內(nèi)是否存在比自己更接近目的節(jié)點(diǎn)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)。若存在，則用貪婪模式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給自己一跳范圍內(nèi)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)Nj+1;若不存在，則用周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給自己一跳范圍內(nèi)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)Nj+1。

第五步:接收者R收到發(fā)送者S發(fā)送的數(shù)據(jù)。有以下幾種情況。

在第一步的操作中就R收到數(shù)據(jù)，此時(shí)t=0，s=0，沒(méi)有參與轉(zhuǎn)發(fā)的路口節(jié)點(diǎn)和參與轉(zhuǎn)發(fā)的中間車(chē)輛節(jié)點(diǎn)，S直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給R;

在第二步的操作中就R收到數(shù)據(jù)，此時(shí)t≥1，s≥0，路口節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在路口節(jié)點(diǎn)Ct一跳范圍內(nèi);

在第三步的操作中就R收到數(shù)據(jù)，此時(shí)t＞0，s＞=1，車(chē)輛節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多跳到達(dá)接收者R節(jié)點(diǎn)。

圖3和圖4是具體的NGPSR協(xié)議流程圖。

圖3 模式一車(chē)輛節(jié)點(diǎn)協(xié)議流程

圖4 模式二路口節(jié)點(diǎn)協(xié)議流程

2．2 NGPSR協(xié)議的改進(jìn)

相對(duì)于原始GPSR協(xié)議，新協(xié)議有4個(gè)方面的改進(jìn)。

(1)增加位置預(yù)測(cè)功能。可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)在本地位置信息表中的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻的位置。S節(jié)點(diǎn)選取接收到的R節(jié)點(diǎn)最近兩次的廣播信息，獲取R節(jié)點(diǎn)T時(shí)刻前和2T時(shí)刻前的位置信息:(x1，y1)，(x2，y2)。通過(guò)這兩個(gè)位置信息，S節(jié)點(diǎn)可以計(jì)算R節(jié)點(diǎn)的速度

運(yùn)動(dòng)方向是

因此，節(jié)點(diǎn)S可以利用公式獲取R節(jié)點(diǎn)t時(shí)間后的位置信息

以此類(lèi)推，節(jié)點(diǎn)S可以預(yù)判其通信范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向及與節(jié)點(diǎn)S的距離，進(jìn)而做出更加可靠有效的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇。

(2)引入路口節(jié)點(diǎn)，使路由協(xié)議由無(wú)中心的轉(zhuǎn)發(fā)模式升級(jí)為分層次的無(wú)中心轉(zhuǎn)發(fā)模式。路口節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將一條道路上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至相鄰的道路，起數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的作用，保證數(shù)據(jù)只在一條路上進(jìn)行傳輸，避免數(shù)據(jù)由一條路直接向另一條路傳輸時(shí)由于路口障礙物的阻擋導(dǎo)致的連通率下降的情況。

(3)考慮車(chē)流密度對(duì)連通率的影響。NGPSR在路口節(jié)點(diǎn)處統(tǒng)計(jì)車(chē)流密度，并根據(jù)車(chē)流密度選擇數(shù)據(jù)的傳輸路徑，避免數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)到封閉的小網(wǎng)絡(luò)中，從而提高連通率。

采用下面的方法統(tǒng)計(jì)車(chē)流密度:處于一條路兩端的兩個(gè)路口節(jié)點(diǎn)A，B彼此定期(間隔時(shí)間T)向?qū)Ψ桨l(fā)送一個(gè)特殊格式數(shù)據(jù)包，這條路上的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)收到這種格式的數(shù)據(jù)包后，把自己存儲(chǔ)在本地的鄰節(jié)點(diǎn)的信息添加到這個(gè)特殊格式數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)段部分，然后再通過(guò)GPSR協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，直至數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地。當(dāng)A節(jié)點(diǎn)收到B節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，A統(tǒng)計(jì)該數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段中的節(jié)點(diǎn)信息(出現(xiàn)多少個(gè)不同的車(chē)輛節(jié)點(diǎn))。

(4)NGPSR協(xié)議對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。一旦節(jié)點(diǎn)A發(fā)現(xiàn)自己一條范圍內(nèi)沒(méi)有任何節(jié)點(diǎn)可以傳輸數(shù)據(jù)，那么就在本地緩存該數(shù)據(jù);T時(shí)間后，A節(jié)點(diǎn)再次在本地位置信息表中選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)，若仍然沒(méi)有合適的節(jié)點(diǎn)，就繼續(xù)緩存該數(shù)據(jù);若直到3T時(shí)間后仍然沒(méi)有將數(shù)據(jù)傳輸出去，則丟棄數(shù)據(jù)包。在拓?fù)涓咚僮兓能?chē)載網(wǎng)中，數(shù)據(jù)緩存能夠有效地降低數(shù)據(jù)丟包的概率。

3 仿真結(jié)果

圖5 實(shí)驗(yàn)所用的城市地圖信息

圖6 實(shí)驗(yàn)所用的鄉(xiāng)村高速地圖信息

圖5中有12條道路和4個(gè)路口，每一條道路的長(zhǎng)度為5 KM;在每一個(gè)路口處都有一個(gè)路口節(jié)點(diǎn);圖6中有一條長(zhǎng)度為10 KM的道路。

在NS2軟件中分別模擬城市道路和鄉(xiāng)村高速公路進(jìn)行5個(gè)實(shí)驗(yàn)，前2個(gè)實(shí)驗(yàn)分析制約GPSR協(xié)議性能的幾個(gè)因素，后3個(gè)實(shí)驗(yàn)比較GPSR協(xié)議和NGPSR協(xié)議的性能。

3．1 速度對(duì)連通率的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程:在鄉(xiāng)村高速公路的環(huán)境下，針對(duì)GPSR協(xié)議，分別測(cè)量在不同車(chē)速情況下(10 m/s，20 m/s，30 m/s，40 m/s)下的連通率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 鄉(xiāng)村高速公路情況下不同速度下的連通率

圖7可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，車(chē)載網(wǎng)連通率不斷下降。這是由于隨著速度的增大，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)R在傳輸時(shí)間內(nèi)移出發(fā)送者S的通信范圍的概率也逐漸增大，從而導(dǎo)致連通率隨著速度的增加而下降。從實(shí)驗(yàn)中可以看出車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的高移動(dòng)性是GPSR協(xié)議性能的一個(gè)重要制約因素。

3．2 路口障礙物對(duì)連通率的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程:在鄉(xiāng)村高速公路和城市道路的環(huán)境下，針對(duì) GPSR協(xié)議，分別測(cè)量在不同車(chē)速情況下(10 m/s，20 m/s，30 m/s，40 m/s)下的連通率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種道路環(huán)境下不同車(chē)速的連通率對(duì)比

從圖8中可以看出，在同樣的車(chē)流密度和速度的前提下，鄉(xiāng)村高速公路的連通率明顯高于城市道路道路時(shí)的連通率。通過(guò)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)和對(duì)GPSR路由協(xié)議的分析發(fā)現(xiàn)，在這兩種情況下連通率出現(xiàn)差異的主要原因在于在城市道路上，數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)出現(xiàn)換路。而在換路的過(guò)程中，由于路與路之間存在著大量的障礙物，導(dǎo)致傳輸受到阻礙，在這種情況下很有可能出現(xiàn)丟包。因此，實(shí)驗(yàn)中可以看出路口障礙物是GPSR協(xié)議性能的重要制約因素。

3．3 鄉(xiāng)村道路下兩種協(xié)議連通率比較

圖9 鄉(xiāng)村高速公路GPSR和NGPSR算法的連通率

實(shí)驗(yàn)過(guò)程:在鄉(xiāng)村高速公路的環(huán)境下，針對(duì)原始算法GPSR和改進(jìn)算法NGPSR這兩個(gè)算法，分別測(cè)量在不同車(chē)速情況下(10 m/s，20 m/s，30 m/s，40 m/s)下的連通率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，NGPSR協(xié)議的連通率不管在哪種速度條件下都要高于GPSR協(xié)議，并且隨著車(chē)輛節(jié)點(diǎn)速度的增大這種趨勢(shì)也越來(lái)越明顯。同時(shí)，隨著車(chē)速的加快，兩種算法的連通率都會(huì)下降，但是NGPSR算法下降的較為緩慢，GPSR算法則下降得較快。這是因?yàn)椋谝胛恢妙A(yù)測(cè)功能和數(shù)據(jù)緩存功能后，即使出現(xiàn)目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)不在通信范圍內(nèi)的情況，NGPSR協(xié)議也能在保證連通率的情況下處理數(shù)據(jù)，而GPSR協(xié)議在這些情況下直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟包，因此NGPSR協(xié)議的連通率較高;而隨著速度的加快，接收者跑出發(fā)送者一跳范圍的概率隨之增大，所以GPSR算法的連通率下降得很快;另一方面隨著速度的加快，對(duì)車(chē)輛位置的預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也隨之下降，所以NGPSR算法的連通率也緩慢下降。因此可以看出，引入位置預(yù)測(cè)功能和數(shù)據(jù)緩存功能后，能夠在一定程度上提高協(xié)議的連通率。

3．4 城市道路下兩種協(xié)議連通率比較

(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程:在車(chē)流密度適中的城市道路環(huán)境下，針對(duì)GPSR和NGPSR這兩個(gè)協(xié)議，分別測(cè)量在不同車(chē)速情況下(10 m/s，20 m/s，30 m/s，40 m/s)下的連通率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 城市道路GPSR和NGPSR算法的連通率

在車(chē)流密度適中的情況下，在城市道路中，GPSR和NGPSR的主要區(qū)別在于:在這種情況下，NGPSR協(xié)議通過(guò)引入路口節(jié)點(diǎn)避免了一條路上的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)直接向另一條路上的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致傳輸被路口障礙物中斷的情況出現(xiàn)。從圖10可以看出，NGPSR協(xié)議的連通率明顯高于GPSR協(xié)議。因此可以看出，引入路口節(jié)點(diǎn)后，能夠在一定程度上提高協(xié)議的連通率。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程:在道路1上選取一個(gè)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送者，在道路12上選取一個(gè)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)作為接收者(確保數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)路口節(jié)點(diǎn)1，并在道路2和道路8之間做出選擇)。分別調(diào)整道路8的車(chē)流密度為每5000 m距離有(10/20/30/40)輛車(chē)，測(cè)出NGPSR協(xié)議和GPSR協(xié)議在這些不同的情況下的連通率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同車(chē)流密度下GPSR和NGPSR連通率對(duì)比

通過(guò)圖11發(fā)現(xiàn)，NGPSR連通率總是保持在一個(gè)很高額水準(zhǔn)上，而GPSR的連通率則隨著道路8的車(chē)流密度的增大而上升。這是因?yàn)?，改進(jìn)協(xié)議在選路策略中考慮了車(chē)流密度這一因素，因而總能確保數(shù)據(jù)包向車(chē)流密度較大的道路2進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而道路2的車(chē)流密度適中，能夠確保數(shù)據(jù)包的良好轉(zhuǎn)發(fā);而原始協(xié)議，當(dāng)數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)至臨近路口節(jié)點(diǎn)1的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)時(shí)，通過(guò)貪婪模式和周邊模式選取離目的節(jié)點(diǎn)更近的道路8中的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)?shù)缆?的車(chē)流密度為每5000 m距離有10輛車(chē)時(shí)，難以保證每一個(gè)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)存在其他車(chē)輛節(jié)點(diǎn)，因此連通率極低，隨著道路8車(chē)流密度的增大，連通率上升。因此說(shuō)明改進(jìn)協(xié)議能夠避免數(shù)據(jù)包進(jìn)入車(chē)流密度比較小的道路，從而實(shí)現(xiàn)連通率的提升。

從實(shí)驗(yàn)中可以看到不管是在鄉(xiāng)村高速公路環(huán)境下還是在城市道路環(huán)境下，NGPSR協(xié)議的性能都要明顯優(yōu)于GPSR協(xié)議，而且還分析了NGPSR協(xié)議性能優(yōu)于GPSR協(xié)議的原因，這也進(jìn)一步從理論上證明NGPSR協(xié)議的優(yōu)越性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)有的VANET路由協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了通信量小、通信時(shí)間短、無(wú)需建立路由GPSR的路由協(xié)議作為基礎(chǔ)，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)，找出車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的高移動(dòng)性、數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中換路、車(chē)流密度這些制約GPSR協(xié)議性能的因素，并針對(duì)這幾個(gè)制約因素對(duì)GPSR協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，在GPSR協(xié)議的基礎(chǔ)上添加位置預(yù)測(cè)功能和數(shù)據(jù)緩存功能，并引入路口節(jié)點(diǎn)、考慮車(chē)流密度，提出一種新的適應(yīng)性強(qiáng)、連通率高的NGPSR協(xié)議，最后通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明NGPSR協(xié)議不管實(shí)在城市道路環(huán)境下還是在鄉(xiāng)村高速公路環(huán)境下的性能都明顯優(yōu)于GPSR。

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