基于多描述编码和距离的车载网DSR路由技术研究*

卢 颖，陈日莉

(1.西北工业大学 航海工程学院，陕西 西安710072;2.山东英才学院 计算机电子信息工程学院，山东 济南250104)

0 引言

车载自组网是智能交通系统的关键技术之一，主要用于实现车辆之间、车辆与交通设施之间的无线通信，应用场景包括交通道路实时信息共享、车辆视频通信和高速公路收费管理等［1，2］，节点之间通过多跳方式转发数据。MSR［3］协议主要是引入路径状态探测机制从而缓解网络拥塞并减小了网络时延。SMR［4］路由技术不允许中间数据转发节点响应RREQ，同时中间转发节点在转发RREQ时采用与源节点不同的算法，从而构造两条最大程度不相交的路由用于发送数据。Nguyen T等人利用固定FEC编码方式传输数据，并给出了在多条路径上分配流量的方法［5］。文献［6］建立了一种基于车载节点间链接的车载网路由技术。但是，以上研究成果均忽略了如何降低路由开销和根据节点间通信距离进行路由建立与选择的问题，因此，本文基于以上两点提出了一种基于多描述编码技术发送路由消息、根据通信距离选择主路径的改进型DSR路由技术。实验分析表明:改进的DSR路由技术在端到端时延、分组投递率和路由请求开销等方面具有良好的性能。

1 车载自组网DSR路由选择原理

1.1 多描述编码技术原理

采用多描述编码(multiple description coding，MDC)广播路由请求和回复消息，同时本文使用标准的变换编码框架来实现用于发送路由消息的多描述编码技术。不同类型的车辆节点通过自组织方式形成一个无线车载网，每一个车载节点通过多跳路由与其它车辆、路边基站或者某道路区域控制中心服务器相连接进行无线通信。车载自组网络体系结构如图1所示，其中车辆作为自组网的节点，采用自组网方式构成一个Ad Hoc网络。

图1 车载自组网络体系结构Fig 1 Vehicular Ad Hoc network system structure

本文在实现多描述编码技术时，将N个临近节点作为输入变量与N个常数建立一一映射关系。对于发送路由请求数据包(RREQ)和路由回复数据包(RREP)两种不同情况，采用两组变换系数，每组分配N/2个系数，编码后以相同的概率采用独立形式发送到各个无线通信链路。多描述编码技术基于系数变换，如果某个描述在无线信道上传输过程中丢失，该数据可以根据系数矩阵变换得到。采用多描述编码技术发送RREQ和RREP的工作流程如图2和图3所示。

1.2 基于多描述编码和通信距离的路由选择原理

在车载自组网中，无线信号传播一般采用基线地面反射模型［7］，该模型是基于地面节点空间路径和数据发送端与接收端之间地面反射路径建立的。数据接收节点收到的信号功率如公式(1)所示

其中，Ps为数据发送节点发送数据的信号功率，Ge为数据发送节点与接收节点之间直接传输数据的功率增益，

图2 数据发送端多描述编码技术实现流程Fig 2 Realization flow chart of multiple description coding technology of data sending end

图3 数据接收端多描述编码技术实现流程Fig 3 Realization flow chart of multiple description coding technology of data receiving end

ht和he分别为发送节点所用的数据发送部件和数据接收点节点所用的接收部件的天线高度，ε为两节点之间的天线增益，d记为数据发送节点与接收节点间的一跳通信距离，φ为噪声干扰造成的系统损耗。对于基线地面模型，信号功率与一跳通信距离的平方以及噪声干扰造成的损耗成反比。由此可得出数据发送节点与接收节点之间的一跳通信距离如公式(2)所示

当分簇簇头节点、数据发送节点或者数据接收节点根据接收到的路由广播消息和RREP消息结合公式(2)可以计算出当前车载节点与一跳的数据发送节点之间的通信距离。

基于多描述编码和通信距离的路由技术，首先发现分簇区域内的路由，然后建立多条不相交路径并从中选择主路径，如图4和图5所示。

图4 发现路由建立主路径Fig 4 Establishment of the main path finding routing

图4 和图5分别描述了改进型DSR路由技术建立多条路径和从中选择主路径的流程。如图4所示，车载节点1和2收到来自数据发送节点S发送的采用多描述编码技术发送的RREQ消息，从而在节点S的临近区域内形成2条不相交的通信路径即路径 1:S—1—2—3—D;路径 2:S—4—5—D。各节点可以根据式(1)和式(2)计算出彼此之间一跳的通信距离，结合自身的剩余能量从两条路径中建立一条主路径。

图5 回复路由选择主路径Fig 5 Main path choosing by response routing

图5 中的数据接收节点D采用多描述编码技术反馈RREP给车载节点3和4，并向其他节点广播根据式(1)、式(2)计算得到的彼此间一跳通信距离和自身的剩余能量，形成一张多条不相交路径表。中间节点1，2，3，4和5分别逐条转发来自数据接收节点D反馈RREP消息，同时根据多条不相交路径表选择主路径。

2 车载网DSR路由技术

这里，建立的多描述编码技术发送RREQ和RREP降低路由开销，同时，根据检测到的信号功率判断节点间一跳通信距离的DSR路由原理，提出车载网DSR路由技术，并给出工作流程。

图6(a)给出了车载网DSR路由技术在建立路由之前采用多描述编码技术发送RREQ消息、统计通信距离和剩余能量并建立多条路径的流程;图6(b)给出了接收点采用多描述编码技术反馈RREP消息、主路由选择流程。

图6 DSR路由技术工作流程Fig 6 Working flow chart of DSR routing technology

3 实验性能分析

采用NS［8，9］仿真实验的方法对上述建立的基于多描述编码技术和通信距离的DSR改进路由技术在端到端时延、分组投递率和路由请求开销等方面进行性能分析和评价。NS仿真实验时间为500s，节点一跳通信距离为100 m，拓扑范围是500 m×650 m，共有车载节点50个，其中15个移动节点，设置10个会晤，移动节点采用随机移动模型，移动节点最大移动速度为5 m/s，移动节点停留时间分别为0，5，10，15，20，25，30 s。

图7，图8和图9分别给出了标准的DSR路由协议与本文改进后的DSR协议在移动节点不同的停留时间变化下的路由性能。改进后的DSR协议明显降低了数据发送源节点到目的节点之间端到端的传输时延，如图7所示。这是因为改进后的DSR路由技术根据车载节点剩余能量选择的主路径的路由选择机制不仅保证了路由路径的鲁棒性，而且提高了节点能量的利用率，还延长了车载节点及其路由路径的生命周期;此外，改进后的DSR协议采用多描述编码技术提高了路由洪泛消息的发送效率和无线车载自组网通信链路的利用率。当移动节点移动停留时间较长时，改进后的DSR与标准的DSR相比性能差别不大。这是因为节点停留时间较长时，无线通信链路中断的概率较低，标准DSR路由技术在路由重建和修复上的开销较低。

图7 端到端时延Fig 7 End-to-end delay

图8 分组投递率Fig 8 Packet delivery rate

从图8中可以看出:随着移动节点停留时间的延长，数据传输的路由路径中断概率越来越小，标准的DSR和改进后的DSR路由技术的分组投递率均不断增大。因为车载自组网中的数据通过无线链路传输的路径鲁棒性明显增强，改进后的DSR丢包越来越少，所以，其分组投递率总体优于标准的DSR协议。因为路由选择是基于车载节点剩余能量选择的，并且，路由消息是采用多描述编码技术发送的，所以，改进后的DSR在路由请求上的开销明显低于标准的DSR路由技术，如图9所示，这样有效地节约了车载自组网有限的网络资源。

图9 路由请求开销Fig 9 Routing request overhead

4 结束语

针对车载网络中所有车载节点具有自组织、无预先部署的网络通信设备、车载节点高速，且速度不固定、动态网络拓扑等特点，研究并设计了一种适用于车载自组网的DSR路由技术。仿真实验表明:该技术可以有效减小车载节点间端到端时延、分组投递率和路由请求开销，较好地改善了车载自组网的通信性能。

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