基于多描述編碼和距離的車載網DSR路由技術研究*

盧 穎，陳日莉

(1.西北工業大學 航海工程學院，陜西 西安710072;2.山東英才學院 計算機電子信息工程學院，山東 濟南250104)

0 引言

車載自組網是智能交通系統的關鍵技術之一，主要用于實現車輛之間、車輛與交通設施之間的無線通信，應用場景包括交通道路實時信息共享、車輛視頻通信和高速公路收費管理等［1，2］，節點之間通過多跳方式轉發數據。MSR［3］協議主要是引入路徑狀態探測機制從而緩解網絡擁塞并減小了網絡時延。SMR［4］路由技術不允許中間數據轉發節點響應RREQ，同時中間轉發節點在轉發RREQ時采用與源節點不同的算法，從而構造兩條最大程度不相交的路由用于發送數據。Nguyen T等人利用固定FEC編碼方式傳輸數據，并給出了在多條路徑上分配流量的方法［5］。文獻［6］建立了一種基于車載節點間鏈接的車載網路由技術。但是，以上研究成果均忽略了如何降低路由開銷和根據節點間通信距離進行路由建立與選擇的問題，因此，本文基于以上兩點提出了一種基于多描述編碼技術發送路由消息、根據通信距離選擇主路徑的改進型DSR路由技術。實驗分析表明:改進的DSR路由技術在端到端時延、分組投遞率和路由請求開銷等方面具有良好的性能。

1 車載自組網DSR路由選擇原理

1.1 多描述編碼技術原理

采用多描述編碼(multiple description coding，MDC)廣播路由請求和回復消息，同時本文使用標準的變換編碼框架來實現用于發送路由消息的多描述編碼技術。不同類型的車輛節點通過自組織方式形成一個無線車載網，每一個車載節點通過多跳路由與其它車輛、路邊基站或者某道路區域控制中心服務器相連接進行無線通信。車載自組網絡體系結構如圖1所示，其中車輛作為自組網的節點，采用自組網方式構成一個Ad Hoc網絡。

圖1 車載自組網絡體系結構Fig 1 Vehicular Ad Hoc network system structure

本文在實現多描述編碼技術時，將N個臨近節點作為輸入變量與N個常數建立一一映射關系。對于發送路由請求數據包(RREQ)和路由回復數據包(RREP)兩種不同情況，采用兩組變換系數，每組分配N/2個系數，編碼后以相同的概率采用獨立形式發送到各個無線通信鏈路。多描述編碼技術基于系數變換，如果某個描述在無線信道上傳輸過程中丟失，該數據可以根據系數矩陣變換得到。采用多描述編碼技術發送RREQ和RREP的工作流程如圖2和圖3所示。

1.2 基于多描述編碼和通信距離的路由選擇原理

在車載自組網中，無線信號傳播一般采用基線地面反射模型［7］，該模型是基于地面節點空間路徑和數據發送端與接收端之間地面反射路徑建立的。數據接收節點收到的信號功率如公式(1)所示

其中，Ps為數據發送節點發送數據的信號功率，Ge為數據發送節點與接收節點之間直接傳輸數據的功率增益，

圖2 數據發送端多描述編碼技術實現流程Fig 2 Realization flow chart of multiple description coding technology of data sending end

圖3 數據接收端多描述編碼技術實現流程Fig 3 Realization flow chart of multiple description coding technology of data receiving end

ht和he分別為發送節點所用的數據發送部件和數據接收點節點所用的接收部件的天線高度，ε為兩節點之間的天線增益，d記為數據發送節點與接收節點間的一跳通信距離，φ為噪聲干擾造成的系統損耗。對于基線地面模型，信號功率與一跳通信距離的平方以及噪聲干擾造成的損耗成反比。由此可得出數據發送節點與接收節點之間的一跳通信距離如公式(2)所示

當分簇簇頭節點、數據發送節點或者數據接收節點根據接收到的路由廣播消息和RREP消息結合公式(2)可以計算出當前車載節點與一跳的數據發送節點之間的通信距離。

基于多描述編碼和通信距離的路由技術，首先發現分簇區域內的路由，然后建立多條不相交路徑并從中選擇主路徑，如圖4和圖5所示。

圖4 發現路由建立主路徑Fig 4 Establishment of the main path finding routing

圖4 和圖5分別描述了改進型DSR路由技術建立多條路徑和從中選擇主路徑的流程。如圖4所示，車載節點1和2收到來自數據發送節點S發送的采用多描述編碼技術發送的RREQ消息，從而在節點S的臨近區域內形成2條不相交的通信路徑即路徑 1:S—1—2—3—D;路徑 2:S—4—5—D。各節點可以根據式(1)和式(2)計算出彼此之間一跳的通信距離，結合自身的剩余能量從兩條路徑中建立一條主路徑。

圖5 回復路由選擇主路徑Fig 5 Main path choosing by response routing

圖5 中的數據接收節點D采用多描述編碼技術反饋RREP給車載節點3和4，并向其他節點廣播根據式(1)、式(2)計算得到的彼此間一跳通信距離和自身的剩余能量，形成一張多條不相交路徑表。中間節點1，2，3，4和5分別逐條轉發來自數據接收節點D反饋RREP消息，同時根據多條不相交路徑表選擇主路徑。

2 車載網DSR路由技術

這里，建立的多描述編碼技術發送RREQ和RREP降低路由開銷，同時，根據檢測到的信號功率判斷節點間一跳通信距離的DSR路由原理，提出車載網DSR路由技術，并給出工作流程。

圖6(a)給出了車載網DSR路由技術在建立路由之前采用多描述編碼技術發送RREQ消息、統計通信距離和剩余能量并建立多條路徑的流程;圖6(b)給出了接收點采用多描述編碼技術反饋RREP消息、主路由選擇流程。

圖6 DSR路由技術工作流程Fig 6 Working flow chart of DSR routing technology

3 實驗性能分析

采用NS［8，9］仿真實驗的方法對上述建立的基于多描述編碼技術和通信距離的DSR改進路由技術在端到端時延、分組投遞率和路由請求開銷等方面進行性能分析和評價。NS仿真實驗時間為500s，節點一跳通信距離為100 m，拓撲范圍是500 m×650 m，共有車載節點50個，其中15個移動節點，設置10個會晤，移動節點采用隨機移動模型，移動節點最大移動速度為5 m/s，移動節點停留時間分別為0，5，10，15，20，25，30 s。

圖7，圖8和圖9分別給出了標準的DSR路由協議與本文改進后的DSR協議在移動節點不同的停留時間變化下的路由性能。改進后的DSR協議明顯降低了數據發送源節點到目的節點之間端到端的傳輸時延，如圖7所示。這是因為改進后的DSR路由技術根據車載節點剩余能量選擇的主路徑的路由選擇機制不僅保證了路由路徑的魯棒性，而且提高了節點能量的利用率，還延長了車載節點及其路由路徑的生命周期;此外，改進后的DSR協議采用多描述編碼技術提高了路由洪泛消息的發送效率和無線車載自組網通信鏈路的利用率。當移動節點移動停留時間較長時，改進后的DSR與標準的DSR相比性能差別不大。這是因為節點停留時間較長時，無線通信鏈路中斷的概率較低，標準DSR路由技術在路由重建和修復上的開銷較低。

圖7 端到端時延Fig 7 End-to-end delay

圖8 分組投遞率Fig 8 Packet delivery rate

從圖8中可以看出:隨著移動節點停留時間的延長，數據傳輸的路由路徑中斷概率越來越小，標準的DSR和改進后的DSR路由技術的分組投遞率均不斷增大。因為車載自組網中的數據通過無線鏈路傳輸的路徑魯棒性明顯增強，改進后的DSR丟包越來越少，所以，其分組投遞率總體優于標準的DSR協議。因為路由選擇是基于車載節點剩余能量選擇的，并且，路由消息是采用多描述編碼技術發送的，所以，改進后的DSR在路由請求上的開銷明顯低于標準的DSR路由技術，如圖9所示，這樣有效地節約了車載自組網有限的網絡資源。

圖9 路由請求開銷Fig 9 Routing request overhead

4 結束語

針對車載網絡中所有車載節點具有自組織、無預先部署的網絡通信設備、車載節點高速，且速度不固定、動態網絡拓撲等特點，研究并設計了一種適用于車載自組網的DSR路由技術。仿真實驗表明:該技術可以有效減小車載節點間端到端時延、分組投遞率和路由請求開銷，較好地改善了車載自組網的通信性能。

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