基于车辆社会性的高可靠车联网机会路由协议

姚汪鼎，王 萍

（东华大学，上海 201620）

0 引言

随着无线通信技术和便携式无线通信智能设备的普及和发展，智能交通系统ITS（intelligent transportation system）作为旨在提供高可靠低时延的便捷城市交通服务受到人们的广泛重视。作为未来智能交通技术重要组成部分的车联网技术成为当前研究的重要场景之一。3GPP（3rd generation partnership project）5G 标准提出了低时延高可靠通信场景，可支持基于5G 蜂窝网络的车联网V2X（vehicle-to-everything）业务，诸如V2V（vehicle-to-vehicle）、V2I（vehicle-toinfrastructure）、V2P（vehicle-to-pedestrian）。车联网的链路质量受到车辆频繁移动和网络拓扑结构改变的影响，链接质量不稳定。车载机会网络（vehicular opportunistic networks，VONs）是一种既不需要固定基础通信设施，也不需要完整的端到端路由路径，以“存储-携带-转发”［通信模式完成车辆间通信的新型自组织网络。VONs 能够很好地克服车联网中车辆高速移动、行驶轨迹变化、车辆密度变化等复杂环境变化带来的挑战。

在复杂多变的VONs环境中实现高可靠低时延服务质量的关键是选择最合适的中继节点将消息传输至目的节点。为了更有效地进行数据传输及共享，在VONs的通信中越来越多地考虑节点的社会属性，例如社会关系、节点的兴趣及自私性等。在城市生活环境中，大部分车辆都有一定的社会性，即车辆移动具有一定的规律。本文综合考虑城市生活中车辆表现出的社会性特点，提出一种基于车辆社会性的机会路由协议VSOR（opportunistic routing based on vehicle sociality），该协议根据GPS 系统获得的车辆历史签到信息将车辆运动区域划分为私有兴趣区域和公共兴趣区域。综合考虑车辆与目的节点相遇区域和相遇概率设计了综合转发效用函数，携带消息的车辆节点依据邻居节点的综合转发效用值来选择中继节点，以提高VONs的消息传输可靠性。

论文的其余部分组织如下：第一节中介绍了相关工作。第二节描述了VSOR协议的设计细节和具体流程，包括VONs 网络模型和假设、VSOR 协议消息传输策略以及VSOR 协议的实现流程。第三节将VSOR协议与其他机会路由协议进行比较，并对仿真结果进行分析。最后，第四节对全文进行总结以及下一步研究的方向。

1 相关工作

VONs 使用场景往往存在通信链路频繁断开、车辆分布较为稀疏、车辆驾驶行为不可预测等挑战。面对VONs中的各种挑战，研究者们提出了许多机会路由协议。

Epidemic协议通过模仿病毒的传播方式，携带消息的节点会与所有相遇的节点交换缓存区消息，直到消息被传播到网络中几乎所有节点的缓存中，在这个过程中目的节点也会成功接收该消息，从而达到源节点产生的消息传输到目的节点的目的。TDOR协议当消息源节点产生消息并与网络中第一个节点相遇时，会进行轨迹预测计算。消息的传输遵循预测的轨迹，每个中继车辆节点依照贪婪算法来选取移动方向与预测的轨迹最接近的车辆节点作为中继节点。ARAG路由是一种基于激励机制的路由协议。在消息传输过程中，根据发送节点的资源消耗情况来确定转发节点接收消息的概率。同时，当源节点生成消息时，根据其资源消耗情况设置副本阈值，网络中相同消息的总数不超过该阈值。BSW-SN协议通过综合分析节点的社会属性、移动模式和对消息的转发效能,进而优化中继节点的选择，并将节点的活跃程度与二元法喷雾等待路由协议（binary spray and wait，BSW）相结合，实现中继节点对消息副本分发数量的自适应功能。SuperNode路由依据节点能量将网络中节点划分为普通节点和超节点，普通节点只能在固定区域移动，跨区域消息传输需要利用在小区边缘的超节点，以此来限制洪泛并减少开销，但时延相对增加。FQLRP路由利用基于模糊的Q 学习方法实现了有效的路由。该协议使用一种以节点的能量作为参数的奖励机制来预测消息的最佳下一跳转发节点。在整个路由过程中，都考虑了每个节点的剩余能量和一组节点的平均能量，这有助于决定消息最合适的转发节点。

现有VONs路由协议的研究大多没有考虑城市环境中车辆具有一定的规律和周期性的特点，这一特点会对车辆间的相遇概率产生影响。针对这一问题，本文提出了基于车辆社会性的机会路由协议VSOR。

2 VSOR协议设计

2.1 VONs网络模型和假设

VONs 路由过程如图1 所示。在时刻，消息的源节点S和目标节点D之间没有一条完整的端到端路径。于是，S 将消息转发给邻居节点A，A 携带该消息在时刻传输给邻居节点B，最后节点B 在时刻将消息传输给目的节点D。借助车辆运动过程中相遇机会的不确定性实现了“存储-携带-转发”通信。

图1 VONs消息传输过程

假设，VONs 网络模型中存在个车辆节点N(i ) = 1,…,。在初始状态，网络中的车辆随机均匀分布在矩形区域内，并具有以下性质：

（1）每个车辆都配备了GPS定位系统，车辆通过GPS 可以获取自身和其它车辆的历史签到信息。

（2）车辆依据随机路点模型在仿真区域动态移动，运动速度符合正态分布，即

2.2 车辆兴趣区域划分

在VONs场景下，车辆节点往往会有一些特定的驾驶习惯，并且会呈现一些周期性的特点。例如在日常生活中，车辆节点会经常在家、学校或者工作地、商场等一些体现自身规律的区域之间移动，或偶尔去一些人气高的商圈。基于以上特点，可以根据车辆节点历史签到信息来划分车辆的兴趣区域。

按照城市地图的大小规模，将城市地图以网格的形式等分成16 个部分，将城市地图建模为={11,12,…,44}。根据单个和所有车辆的历史签到信息将兴趣区域分别划分为私有兴趣区域和公共兴趣区域。

2.2.1 车辆私有兴趣区域。

每个车辆根据其历史签到信息来选出自己的兴趣区域，每个车辆都拥有独一无二的私有兴趣区域。在车辆自身的历史签到信息表中，签到次数超过阈值次数的区域定义为该车辆的私有兴趣区域。对于同一辆车，不同私有兴趣区域具有不同的意义。因此，车辆移动至不同的私有兴趣点区域应该是不同的。对于车辆私有兴趣区域={,,…,pri},车辆移动至pri的概率P可以由式（2）给出：

2.2.2 车辆公共区域

除了每个车辆自身行驶习惯和规律外，在城市生活中，还会有一些用于社交和娱乐的公共场所，例如商场、餐厅、公园等。将所有车辆历史签到表中签到次数出现最多的S个区域定义为公共兴趣区域，车辆到达每个公共兴趣区域的概率相同，如式（3）所示。

如图2所示，车辆的私有和公共区域划分存在分离和重合两种情况。

图2 车辆兴趣区域划分

2.3 VSOR消息传输策略

区域中的节点和区域中的节点在区域相遇的概率(,)可以表示为

若节点a 和节点b 在某段时间内未相遇，那么它们再次相遇的概率将降低。

其中，(,)为通过式（5）计算的相遇概率，∈[0,1)为衰减因子，为上一次衰减后所经过的时间。

在城市环境下，考虑车辆的兴趣区域，定义车辆的兴趣参数，判断邻居节点和目的节点的相遇区域是否是邻居节点私有或公共兴趣区域，具体定义为：

根据车辆的社会性，车辆去自身兴趣区域的概率更大，应尽可能选择与目的节点相遇区域为自身兴趣区域的邻居节点为中继节点，因此设计包含车辆兴趣区域的效用函数：

在消息传递的过程中，采用基于车辆兴趣区域的效用函数使得在相同的相遇概率下，相遇区域为车辆兴趣区域的车辆的效用值会更大，会更优先作为转发节点。避免了车辆盲目转发消息，提高消息投递成功率，降低时延，减少开销。

2.4 VSOR协议实现流程

VSOR 协议实现流程如图3 所示。车辆节点间的消息传输是由各节点的效用值决定的。节点在传输消息时，首先会与邻居节点交换ACK表并删除已成功传递的消息。之后会分别获取各邻居节点的效用值并由大到小进行排序。接着将消息传输给效用值大于自身的节点。这个过程会持续进行，直至消息成功传输至目的节点。

图3 VSOR协议流程

3 仿真实验结果与分析

通过仿真实验评估在移动速度和业务数据包大小变化的动态车辆密度场景下，VSOR 的消息投递成功率、消息平均传输时延网络开销等性能。特别地，与Epidemic、PRoPHET 和TDOR 三种典型机会路由协议进行分析比较。Epidemic 采用洪泛机制，PRoPHET 协议使用相遇概率来选择中继节点，TDOR协议在选择中继节点时采用轨迹预测机制，选择与预设的消息传输轨迹最接近的邻居节点为中继节点。

3.1 仿真环境与参数

使用ONE（opportunistic network environment）网络仿真器构建VSOR协议的通信性能仿真评估环境。仿真网络拓扑如图4所示。

图4 仿真网络拓扑图

模拟车辆密度动态变化场景，车辆节点数目范围60～300个，依据随机路点模型移动。车辆移动速度服从正态分布，速度范围为0～10 m/s，符合城市环境中车辆的移动速度。节点随机发送大小动态变化的消息数据包，传输范围为50 m。每个节点的缓存空间为50 M，数据包被传输到目的节点前可以保存在缓存区中，以实现“存储-携带-转发”的通信模式。系统主要仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数设置

3.2 机会路由性能评价指标

本文主要通过消息投递成功率、消息平均传输时延、网络开销这三个指标来评估机会路由性能。

投递成功率R= M M，其中M为源节点创建的消息总数，M为目的节点接收消息的总数。

网络开销R= (M- M) M，其中M是网络中节点转发消息的总数。

3.3 节点数量对协议性能的影响

图5 至图7 分别给出四种VONs 路由协议的投递成功率、平均传输时延和网络开销随节点密度变化的动态趋势。

图5 投递成功率随节点数量变化

图6 平均时延随节点数量变化

图7 网络开销随节点数量变化

平均而言，VSOR 的投递成功率比TDOR 高15.1% ，比PRoPHET 高29.1%，比Epidemic 高52.8%；传输时延相较于TDOR 降低30.9%、相较于PRoPHET 降低19.2%，相较于Epidemic 降低13%； 网 络 开 销 比TDOR 低27.9%， 比PRoPHET低58.1%，比Epidemic低62.1%。

可见，四种协议的消息投递成功率都随着节点数量的增加呈现先增加后减少的趋势，但VSOR 协议的投递成功率始终处于最高水平。说明基于车辆兴趣区域的消息传输策略可以提高消息传输效率。四种协议的平均传输时延随着节点数量的增加均呈下降趋势，这是因为节点越多网络连通性越好。TDOR由于车辆的行驶轨迹可能突变，寻找与预设轨迹相同的中继节点会花费较多的时间，因此平均时延最高。Epidemic 和PRoPHET 协议对网络中消息副本数量限制不足，其开销随着节点数量增加明显增大，而VSOR和TDOR协议一直处于较低水平。

综上分析，随着节点数量的增加，VSOR 协议在消息投递成功率、平均传输时延和网络开销方面均比Epidemic、PRoPHET、TDOR 协议更优越，适用于车辆节点密度较高的城市场景。

4 结语

本文提出了一种基于车辆社会性的机会路由协议VSOR。新协议根据车辆社会性将车辆常去的区域划分私有兴趣区域和公共兴趣区域，并综合车辆兴趣区域和相遇概率设计了转发效用函数。车辆节点根据邻居节点的转发效用函数选择消息的下一跳节点。仿真结果表明，VSOR 协议在消息投递成功率、平均传输时延和网络开销等综合性能指标方面，相比Epidemic、PRoPHET 和TDOR 协议具有明显优势，特别是在车辆密度较大的情况下。VSOR 协议更适合车辆数量较多、行驶轨迹相对固定的城市车联网环境，具有良好的应用前景。未来还可结合交通路面模拟环境开展各种实际交通环境的进一步探索研究。