陳志國 滕桂法 周曉磊
摘 要： 針對車載網（VANETs）城市場景的路由問題，提出基於4G網絡的長期演進（LTE）和VANETs混合結構的地理路由LTE?GR。LTE?GR路由充分利用LTE高峰速率和低時延特性，輔助VANETs間的數據傳輸。基站eNodeB收集路段信息，計算路段穩定值，並與門限值進行比較，若小於門限值，則利用eNodeB轉發數據包;否則，就引用貪婪轉發地理路由傳輸數據包。仿真結果表明，相比於同類路由，提出的LTE?GR路由能有效地提高數據包傳輸率、端到端傳輸時延性能。
關鍵詞： 車載網; 地理路由; 長期演進; 路段穩定值; 連通率; 傳輸率; 傳輸時延
中圖分類號： TN915?34; TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0121?06
Abstract： An LTE and VANETs based geographic routing （LTE?GR） is proposed to solve the routing problem of VANETs urban scene， which makes full use of the characteristics of LTE high peak rate and low delay to assist the data transmission among VANETs. The eNodeB can collect the information of road segment， and compute the stability value of road segment to compare it with threshold. When the stability value is lower than the threshold， the data packet is forwarded with eNodeB. Otherwise， the data packet is transmitted with greedy forwarding geographic routing. The simulation results show that， in comparison with similar routings， the LTE?GR can improve the data packet transmission rate and end?to?end transmission delay.
Keywords： VANET; geographic routing; long?term evolution; road segment stability; connectivity; transmission rate; transmission delay
0 引 言
作為最有前景的智能交通技術，車載網（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）成為無線網絡研究的熱點[1?2]。為了提高駕駛員和乘客出行的舒適度，將其應用於車輛，特別是有關安全和舒適應用在車載通信中廣泛使用，如乘客安全應用、多媒體應用以及Internet瀏覽。典型的VANETs的結構如圖1所示。
VANETs通過車間通信 （Vehicle to Vehicle，V2V）及車與基礎設施（Vehicle to infrastructure，V2I）通信提高交通安全，為各類應用提供了平台。
相比移動自組織網絡（Mobile Ad Hoc Networks， MANETs），VANETs表現出獨特的特性，如車輛高速移動、車輛通信距離短。此外，由於VANETs中的安全應用關乎到人們的財產、人身安全，相比於MANETs，VANETs對數據包傳輸的性能要求更為苛刻。例如，VANETs安全應用中的緊急車輛信號需限定於1 s。為了提高數據包傳輸性能，VANETs常採用多跳廣播機制，但是廣播機制產生廣播風暴問題[3]。
具體而言，在VANETs中當車輛分布密度過大，多個車輛同時傳遞數據時，就容易導致數據包擁塞，即廣播風暴問題，其會增加數據包傳輸時延，甚至丟失數據包。為此，常利用機率泛洪[3]和簇算法[4?5]解決廣播風暴問題。
當車輛分布密度過小，則車輛與車輛間無法連通，就會出現網絡割裂現象。在這種情況下，常採用存儲?攜帶?轉發算法分發數據包。然而，存儲?轉發算法也增加了數據包的傳輸時延。文獻[6]中的研究表明，若傳輸時延從幾秒增至幾分鐘時，數據包傳輸成功率將下降60%。
近期，研究人員開始把目光投注於蜂窩技術。通過蜂窩技術代替基於IEEE 802.11p的VANETs網絡。文獻[7]已開始研究如何將第三代移動蜂窩系統（Universal Mobile Communication System，UMTS）應用於車輛通信。相比於第三代蜂窩系統，第四代蜂窩系統長期演進（Long?Term Evolution，LTE）提升了容量和數據傳輸速率。LTE的下行峰值速率增至300 Mb/s，上行峰值速率增至75 Mb/s。此外，傳輸時延限定在5 ms內。然而，儘管LTE系統提供了高速率、低時延通信服務，但是若車載通信全部採用LTE系統是不現實的。由於LTE系統中的eNodeB基站造價、安裝以及運營成本高，全部採用LTE系統是不經濟的。實際上，在正常的場景中，VANETs通信系統能夠保持數據的正常傳輸。只是在惡劣場景下難以維持車間通信。
為此，可將LTE系統與VANETs相結合構成混合結構。文獻[8]研究了蜂窩通信在VANETs的使用。而文獻[9]也證實了通過蜂窩通信可提供數據傳輸性能。
此外，由於車輛的快速移動，MANETs中的路由協議不再適用於VANETs，而無需全局網絡拓撲信息的地理位置路由協議受到廣泛關注。由於地理位置不需要建立路由表，只是利用鄰居車輛位置轉發路由，能夠較好地克服車輛的高速移動。
為此，本文基於LTE與VANETs的混合結構，並結合地理位置路由協議[10]，提出LTE?GR路由算法。LTE?GR路由利用LTE輔助數據包的傳輸。LTE收集路段信息，若路段穩定值高於門限值，說明車間通信連通情況良好，就可利用地理位置路由轉發數據包;反之，若路段穩定值低於門限值，說明車間通信連通情況差，存在未連通情況。在這種情況下，利用eNodeB轉發數據包，進而提高數據包傳輸成功率。
1 系統模型及約束條件
1.1 系統模型
考慮典型的城市場景，如圖2所示。建立由道路、十字路口、障礙物組成道路模型，並且由eNodeB輔助VANETs的數據傳輸。
所謂V2V就是指：在視距範圍內，每個車輛與其通信範圍內車輛間的通信。然而，城市環境中障礙物常阻礙了V2V通信。在這種情況下，車輛就向最近的eNodeB發送數據，再利用eNodeB轉發數據包。
V2R/R2V通信是指車輛與旁邊設施間的通信，旁邊設施包括Internet接入點、伺服器等。
V2E/E2V通信是指車輛與eNodeB間的通信。由於eNodeB有足夠的通信範圍，它不受障礙物的影響。
1.2 約束條件
提出的LTE?GR算法基於以下約束條件：
1） 假定每個eNodeB和車輛均安裝了全球定位系統GPS和數字地圖，通過數字地圖能夠獲取周邊的十字路口信息;
2） 利用網格位置服務，網絡節點能夠獲取目的節點位置;
3） 所有eNodeB周期地維持、更新每個路段的鄰居表;
4） 假定eNodeB總是有足夠的能量，並且能夠實現空對地、地對空通信;
5） 將四個路段看成一個區域，每個區域至少被一個eNodeB覆蓋;
6） 每個車輛周期地廣播HELLO消息。LTE?GR算法在原有的HELLO消息上增加了一個欄位，其包含所有路段的連通率和狀態。
2 LTE?GR算法
2.1 連通率的估計
在LTE?GR算法中，eNodeB採用集中式方式估計連通率，致使每個路段依據車輛傳輸範圍劃分為多個固定區域（Zone）。每個eNodeB類似於無人機一樣盤旋路段上方，監聽地面上車輛發送的HELLO消息，如圖4所示。
具體而言，先依據收集的HELLO消息，eNodeB維持每個路段的鄰居節點表。然後，從表中提取兩個連續十字路口間固定區域內車輛的地理位置。最後，依據車輛準確位置和路段連通信息計算連通率。例如，如圖4所示的路段1，建立的鄰居節點表如表1所示。
依據建立的鄰居表，先計算每個路段的平均車輛數[AVsegment]：
2.2 路段穩定值
傳輸數據的路段越穩定，數據傳輸越流暢。為此，選擇最穩定的路段傳輸數據。因此，定義每條路段的穩定值，假定路段[i]的穩定值[Si]為：
2.3 LTE?GR路由的基本思想
LTE?GR路由的根本思想就是將貪婪地理路由[10]和LTE系統相結合。當路段穩定值大於門限值，則表明路段連通情況良好，採用貪婪地理路由。否則，就利用LTE網絡輔助傳輸，即通過LTE網絡中的eNodeB轉發數據包，實現過程如圖5所示。
1） 路段穩定值小於門限值[Sth，]此時，源車輛S將數據消息傳輸至LTE網絡;
2） LTE網絡中的eNodeB基站接收後，從中提取目的地址信息，並判斷目的車輛是否在自己的覆蓋範圍內，若是，則該車輛直接傳輸;否則將利用LTE網絡將數據消息轉發至鄰居的eNodeB基站;
3） 鄰居的eNodeB基站接收數據消息後，重複步驟2）。
3 性能分析
3.1 仿真環境
為了更好地分析LTE?GR算法的性能，利用NS2建立仿真平台。考慮3 000 m×3 000 m城市道路區域，且有9個十字路口，如圖6所示。同時，利用VanetMobiSim移動產生器[12]產生車輛移動文件。初始車輛隨機分布於區域內，且車輛速度以0～50 km/h的速度在雙向車道上移動，具體的仿真參數如表3所示。仿真時間為350 s，每次實驗獨立重複50次，取平均值作為最終的仿真數據。
在分析LTE?GR算法性能時，選擇IRTIV [13]，VDLA[14]進行比較，並從數據包傳遞率、端到端傳輸時延以及平均跳數三方面分析它們的路由性能。數據包傳遞率等於目的節點所接收的數據包數與源節點發送的數據包數之比;端到端傳輸時延等於數據包從源節點傳輸至目的節點所需的平均時間;而平均跳數是指成功傳輸的數據包的平均跳數。平均跳數越小，路由性能越好。
3.2 數值分析
3.2.1 數據包傳遞率
三個路由的數據包傳遞率隨車輛數的變化情況如圖7所示。從圖7可知，數據包傳遞率隨車輛數的增加而升高，原因在於車輛數的增加，提高了車間通信的連通機率，進而提高了數據包傳遞率。此外，相比於VDLA和IRTIV，LTE?GR路由算法具有較高的數據包傳遞率。原因在於LTE?GR算法利用LTE系統計算路段的穩定值，並利用LTE系統輔助數據包的傳輸，提高了數據包傳遞率。而IRTIV和VDLA算法儘管也計算路段的穩定值，但是在未連通情況下，很難準確地計算路段穩定值，降低了正確選擇路由的機率。
3.2.2 端到端傳輸時延
圖8顯示了VDLA，IRTIV和LTE?GR路由的端到端傳輸時延。從圖8可知，LTE?GR的端到端傳輸時延最低，並且時延並不隨車輛數變化而波動，一直保持穩定值。原因在於LTE?GR路由充分利用LTE系統的高速率、低時延的數據傳輸特性，通過eNodeB轉發數據，提高了數據包傳輸成功率。而VDLA和IRTIV僅利用貪婪轉發策略傳輸數據，一旦遭遇網絡斷裂，就需存儲轉發，這必然增加傳輸時延，並且隨車輛數變化處于波動狀態。 相比於VDLA和IRTIV，LTE?GR的端到端傳輸時延性能得到有效提高，例如IRTIV的平均時延約0.5 s，而VDLA的平均時延約0.75 s，而LTE?GR的平均時延只有0.01 s。
3.2.3 平均跳數
三個路由協議的平均跳數如圖9所示。從圖9可知，在車輛數越多的情況下（密度區域），LTE?GR的平均跳數少於VDLA和IRTIV。原因在於LTE?GR路由在高密度區域內能夠快速地找到連通路由，並降低路徑跳數。然而，在低密度區域，LTE?GR路由通過交互數據包建立連通路徑，增加了跳數。而VDLA的平均跳數較低，低於LTE?GR路由。
4 結 語
在城市車輛環境中，障礙物的存在給尋找最短端到端的連通路徑提出了挑戰。為此，提出基於LTE和VANETs混合結構的地理路由LTE?GR。LTE?GR利用LTE的高峰值和低時延的傳輸特性，提高VANETs的數據包傳輸特性。基站eNodeB先收集路段信息，然後計算路段穩定值，再依據路段穩定值判斷道路的連通情況。如果存在連通路徑，就利用貪婪地理路由傳輸數據包，否則就利用eNodeB轉發數據包。實驗數據表明，提出的LTE?GR路由能夠有效地提高數據包傳遞成功率，降低傳輸時延。
註：本文通訊作者為滕桂法。
參考文獻
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摘 要： 針對車載網（VANETs）城市場景的路由問題，提出基於4G網絡的長期演進（LTE）和VANETs混合結構的地理路由LTE?GR。LTE?GR路由充分利用LTE高峰速率和低時延特性，輔助VANETs間的數據傳輸。基站eNodeB收集路段信息，計算路段穩定值，並與門限值進行比較，若小於門限值，則利用eNodeB轉發數據包;否則，就引用貪婪轉發地理路由傳輸數據包。仿真結果表明，相比於同類路由，提出的LTE?GR路由能有效地提高數據包傳輸率、端到端傳輸時延性能。
關鍵詞： 車載網; 地理路由; 長期演進; 路段穩定值; 連通率; 傳輸率; 傳輸時延
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Abstract： An LTE and VANETs based geographic routing （LTE?GR） is proposed to solve the routing problem of VANETs urban scene， which makes full use of the characteristics of LTE high peak rate and low delay to assist the data transmission among VANETs. The eNodeB can collect the information of road segment， and compute the stability value of road segment to compare it with threshold. When the stability value is lower than the threshold， the data packet is forwarded with eNodeB. Otherwise， the data packet is transmitted with greedy forwarding geographic routing. The simulation results show that， in comparison with similar routings， the LTE?GR can improve the data packet transmission rate and end?to?end transmission delay.
Keywords： VANET; geographic routing; long?term evolution; road segment stability; connectivity; transmission rate; transmission delay
0 引 言
作為最有前景的智能交通技術，車載網（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）成為無線網絡研究的熱點[1?2]。為了提高駕駛員和乘客出行的舒適度，將其應用於車輛，特別是有關安全和舒適應用在車載通信中廣泛使用，如乘客安全應用、多媒體應用以及Internet瀏覽。典型的VANETs的結構如圖1所示。
VANETs通過車間通信 （Vehicle to Vehicle，V2V）及車與基礎設施（Vehicle to infrastructure，V2I）通信提高交通安全，為各類應用提供了平台。
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當車輛分布密度過小，則車輛與車輛間無法連通，就會出現網絡割裂現象。在這種情況下，常採用存儲?攜帶?轉發算法分發數據包。然而，存儲?轉發算法也增加了數據包的傳輸時延。文獻[6]中的研究表明，若傳輸時延從幾秒增至幾分鐘時，數據包傳輸成功率將下降60%。
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為此，可將LTE系統與VANETs相結合構成混合結構。文獻[8]研究了蜂窩通信在VANETs的使用。而文獻[9]也證實了通過蜂窩通信可提供數據傳輸性能。
此外，由於車輛的快速移動，MANETs中的路由協議不再適用於VANETs，而無需全局網絡拓撲信息的地理位置路由協議受到廣泛關注。由於地理位置不需要建立路由表，只是利用鄰居車輛位置轉發路由，能夠較好地克服車輛的高速移動。
為此，本文基於LTE與VANETs的混合結構，並結合地理位置路由協議[10]，提出LTE?GR路由算法。LTE?GR路由利用LTE輔助數據包的傳輸。LTE收集路段信息，若路段穩定值高於門限值，說明車間通信連通情況良好，就可利用地理位置路由轉發數據包;反之，若路段穩定值低於門限值，說明車間通信連通情況差，存在未連通情況。在這種情況下，利用eNodeB轉發數據包，進而提高數據包傳輸成功率。
1 系統模型及約束條件
1.1 系統模型
考慮典型的城市場景，如圖2所示。建立由道路、十字路口、障礙物組成道路模型，並且由eNodeB輔助VANETs的數據傳輸。
所謂V2V就是指：在視距範圍內，每個車輛與其通信範圍內車輛間的通信。然而，城市環境中障礙物常阻礙了V2V通信。在這種情況下，車輛就向最近的eNodeB發送數據，再利用eNodeB轉發數據包。
V2R/R2V通信是指車輛與旁邊設施間的通信，旁邊設施包括Internet接入點、伺服器等。
V2E/E2V通信是指車輛與eNodeB間的通信。由於eNodeB有足夠的通信範圍，它不受障礙物的影響。
1.2 約束條件
提出的LTE?GR算法基於以下約束條件：
1） 假定每個eNodeB和車輛均安裝了全球定位系統GPS和數字地圖，通過數字地圖能夠獲取周邊的十字路口信息;
2） 利用網格位置服務，網絡節點能夠獲取目的節點位置;
3） 所有eNodeB周期地維持、更新每個路段的鄰居表;
4） 假定eNodeB總是有足夠的能量，並且能夠實現空對地、地對空通信;
5） 將四個路段看成一個區域，每個區域至少被一個eNodeB覆蓋;
6） 每個車輛周期地廣播HELLO消息。LTE?GR算法在原有的HELLO消息上增加了一個欄位，其包含所有路段的連通率和狀態。
2 LTE?GR算法
2.1 連通率的估計
在LTE?GR算法中，eNodeB採用集中式方式估計連通率，致使每個路段依據車輛傳輸範圍劃分為多個固定區域（Zone）。每個eNodeB類似於無人機一樣盤旋路段上方，監聽地面上車輛發送的HELLO消息，如圖4所示。
具體而言，先依據收集的HELLO消息，eNodeB維持每個路段的鄰居節點表。然後，從表中提取兩個連續十字路口間固定區域內車輛的地理位置。最後，依據車輛準確位置和路段連通信息計算連通率。例如，如圖4所示的路段1，建立的鄰居節點表如表1所示。
依據建立的鄰居表，先計算每個路段的平均車輛數[AVsegment]：
2.2 路段穩定值
傳輸數據的路段越穩定，數據傳輸越流暢。為此，選擇最穩定的路段傳輸數據。因此，定義每條路段的穩定值，假定路段[i]的穩定值[Si]為：
2.3 LTE?GR路由的基本思想
LTE?GR路由的根本思想就是將貪婪地理路由[10]和LTE系統相結合。當路段穩定值大於門限值，則表明路段連通情況良好，採用貪婪地理路由。否則，就利用LTE網絡輔助傳輸，即通過LTE網絡中的eNodeB轉發數據包，實現過程如圖5所示。
1） 路段穩定值小於門限值[Sth，]此時，源車輛S將數據消息傳輸至LTE網絡;
2） LTE網絡中的eNodeB基站接收後，從中提取目的地址信息，並判斷目的車輛是否在自己的覆蓋範圍內，若是，則該車輛直接傳輸;否則將利用LTE網絡將數據消息轉發至鄰居的eNodeB基站;
3） 鄰居的eNodeB基站接收數據消息後，重複步驟2）。
3 性能分析
3.1 仿真環境
為了更好地分析LTE?GR算法的性能，利用NS2建立仿真平台。考慮3 000 m×3 000 m城市道路區域，且有9個十字路口，如圖6所示。同時，利用VanetMobiSim移動產生器[12]產生車輛移動文件。初始車輛隨機分布於區域內，且車輛速度以0～50 km/h的速度在雙向車道上移動，具體的仿真參數如表3所示。仿真時間為350 s，每次實驗獨立重複50次，取平均值作為最終的仿真數據。
在分析LTE?GR算法性能時，選擇IRTIV [13]，VDLA[14]進行比較，並從數據包傳遞率、端到端傳輸時延以及平均跳數三方面分析它們的路由性能。數據包傳遞率等於目的節點所接收的數據包數與源節點發送的數據包數之比;端到端傳輸時延等於數據包從源節點傳輸至目的節點所需的平均時間;而平均跳數是指成功傳輸的數據包的平均跳數。平均跳數越小，路由性能越好。
3.2 數值分析
3.2.1 數據包傳遞率
三個路由的數據包傳遞率隨車輛數的變化情況如圖7所示。從圖7可知，數據包傳遞率隨車輛數的增加而升高，原因在於車輛數的增加，提高了車間通信的連通機率，進而提高了數據包傳遞率。此外，相比於VDLA和IRTIV，LTE?GR路由算法具有較高的數據包傳遞率。原因在於LTE?GR算法利用LTE系統計算路段的穩定值，並利用LTE系統輔助數據包的傳輸，提高了數據包傳遞率。而IRTIV和VDLA算法儘管也計算路段的穩定值，但是在未連通情況下，很難準確地計算路段穩定值，降低了正確選擇路由的機率。
3.2.2 端到端傳輸時延
圖8顯示了VDLA，IRTIV和LTE?GR路由的端到端傳輸時延。從圖8可知，LTE?GR的端到端傳輸時延最低，並且時延並不隨車輛數變化而波動，一直保持穩定值。原因在於LTE?GR路由充分利用LTE系統的高速率、低時延的數據傳輸特性，通過eNodeB轉發數據，提高了數據包傳輸成功率。而VDLA和IRTIV僅利用貪婪轉發策略傳輸數據，一旦遭遇網絡斷裂，就需存儲轉發，這必然增加傳輸時延，並且隨車輛數變化處于波動狀態。 相比於VDLA和IRTIV，LTE?GR的端到端傳輸時延性能得到有效提高，例如IRTIV的平均時延約0.5 s，而VDLA的平均時延約0.75 s，而LTE?GR的平均時延只有0.01 s。
3.2.3 平均跳數
三個路由協議的平均跳數如圖9所示。從圖9可知，在車輛數越多的情況下（密度區域），LTE?GR的平均跳數少於VDLA和IRTIV。原因在於LTE?GR路由在高密度區域內能夠快速地找到連通路由，並降低路徑跳數。然而，在低密度區域，LTE?GR路由通過交互數據包建立連通路徑，增加了跳數。而VDLA的平均跳數較低，低於LTE?GR路由。
4 結 語
在城市車輛環境中，障礙物的存在給尋找最短端到端的連通路徑提出了挑戰。為此，提出基於LTE和VANETs混合結構的地理路由LTE?GR。LTE?GR利用LTE的高峰值和低時延的傳輸特性，提高VANETs的數據包傳輸特性。基站eNodeB先收集路段信息，然後計算路段穩定值，再依據路段穩定值判斷道路的連通情況。如果存在連通路徑，就利用貪婪地理路由傳輸數據包，否則就利用eNodeB轉發數據包。實驗數據表明，提出的LTE?GR路由能夠有效地提高數據包傳遞成功率，降低傳輸時延。
註：本文通訊作者為滕桂法。
參考文獻
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