基于道路段評價機制低延時VANETs路由算法

吳衛(wèi)祖 劉利群 謝冬青

1(廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院 廣東 湛江 524088) 2(廣州大學(xué)計算機科學(xué)與教育軟件學(xué)院 廣東 廣州 510006)

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基于道路段評價機制低延時VANETs路由算法

吳衛(wèi)祖1劉利群1謝冬青2

1(廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院 廣東 湛江 524088)2(廣州大學(xué)計算機科學(xué)與教育軟件學(xué)院 廣東 廣州 510006)

針對城市車輛自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，提出一種低延時路由協(xié)議。該路由協(xié)議以城市交通網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，首先從各道路段上尋找顯著節(jié)點，然后估計顯著節(jié)點之間的鏈路生存時間，接著從交叉口區(qū)域?qū)ふ易顑?yōu)的中繼節(jié)點。一旦找到中繼節(jié)點便開始廣播道路段評價數(shù)據(jù)包，依據(jù)傳輸延時計算每一個道路段的權(quán)重值，最后在路由構(gòu)建階段依據(jù)道路段權(quán)重和有效期選取最優(yōu)傳輸路徑，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的低延時傳輸。大量的仿真實驗結(jié)果表明，與常用的GPSR和GPSR-R路由協(xié)議相比，該路由協(xié)議不僅端到端平均延時大幅降低，而且報文送達(dá)率高、網(wǎng)絡(luò)開銷小。

車輛自組織網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議 傳輸延時 鏈路生存時間 顯著節(jié)點

0 引 言

車輛自組織網(wǎng)絡(luò)VANETs是無線自組織網(wǎng)絡(luò)的一種，采用攜帶無線通信設(shè)備的車輛作為通信節(jié)點，組建自由、靈活的無線通信網(wǎng)絡(luò)[1]。目前城市交通環(huán)境中運行的車輛非常多，大部分車輛裝配了無線通信和定位裝置，為車輛自組織網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了便利條件。通過構(gòu)建車輛自組織網(wǎng)絡(luò)，可以為車輛駕駛員或乘客提供許多便捷服務(wù)(如媒體共享)[2～4]。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，車輛自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛。在實際應(yīng)用過程中，許多應(yīng)用場合對數(shù)據(jù)傳輸延時提出了更高的要求，如網(wǎng)絡(luò)接入、媒體共享和廣告服務(wù)等應(yīng)用場合，用戶希望數(shù)據(jù)傳輸延時盡可能低[5]。然而，在城市交通網(wǎng)絡(luò)中，這些需求難以得到較好滿足。因為估計道路段上的車輛數(shù)量是非常復(fù)雜的，不同時段不同區(qū)域的車流密度變化很快，車輛在道路上的空間分布也不均勻，而且城市環(huán)境中障礙物也比較多，這些都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延時增加[6～8]。為了解決這些問題，目前也提出了有意義的路由協(xié)議，如GPSR[9]、GSR[10]、GPSR-R[11]等路由協(xié)議通過選擇源節(jié)點到目的節(jié)點之間的最短傳輸路徑來降低數(shù)據(jù)傳輸延時。然而，單純依靠距離最短準(zhǔn)則難以大幅降低數(shù)據(jù)傳輸延時，而且此類準(zhǔn)則在選擇最優(yōu)路由時容易陷入局部最優(yōu)問題。

為了進(jìn)一步降低面向城市車輛自組織網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸延時，本文提出了一種基于道路段評價機制的低延時路由協(xié)議。基本思路是依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸延時對每一個道路段進(jìn)行評價，依據(jù)評價結(jié)果選擇數(shù)據(jù)傳輸延時小的道路段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而大幅降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉搜訒r。

1 城市交通網(wǎng)絡(luò)模型

典型的城市交通環(huán)境常采用道路段和交叉口組成的網(wǎng)絡(luò)模型來模擬。每兩個交叉口之間存在一個道路段，每一個道路段都包含道路長度、道路寬度、車道數(shù)量、交通密度等特征。道路段上行駛的車輛組成網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點。本文假定每一臺車輛都裝配了GPS定位裝置，可以提供車輛的位置、速度、方向以及一個包含道路段及交叉口等細(xì)節(jié)信息的數(shù)字地圖。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，源節(jié)點可以通過查詢定位服務(wù)去獲取目的節(jié)點的位置。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)常采用無向圖模型G(V,E)來描述，其中，V表示無向圖模型中的頂點集合，也即網(wǎng)絡(luò)中的車輛節(jié)點。E表示無向圖模型中的邊的結(jié)合，也即兩臺車輛之間的無線通信鏈路。

P=Vi→V1→…→Vn→Vj

(1)

2 本文方法

本文方法的設(shè)計目標(biāo)是降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉搜訒r，以便在車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中快速傳輸數(shù)據(jù)，主要用于對延時比較敏感的場合，如網(wǎng)絡(luò)接入、媒體共享和廣告服務(wù)等。本文方法主要包括五個部分，分別是顯著節(jié)點生成、鏈路生存時間估計、中繼節(jié)點選擇、道路段評價和路由構(gòu)建，詳細(xì)描述如下。

2.1 顯著節(jié)點生成

每一條道路段可能存在很多車輛，這些車輛有些是在數(shù)據(jù)傳輸過程中作用重大的顯著車輛，有些是對數(shù)據(jù)傳輸作用不大的普通車輛。那么，我們需要尋找每一條道路段的顯著車輛，生成顯著節(jié)點。在這一過程中，車輛通過信標(biāo)服務(wù)交互信息，交互信息內(nèi)容為:

M=ID,x,y,v,θ,c,f

(2)

其中，ID為車輛的唯一標(biāo)識符，(x,y)表示車輛的位置坐標(biāo)，v表示車輛的速度，θ表示車輛的方向，c表示車輛的顯著屬性，如果車輛為顯著車輛，則c=1，否則c=0。f是一個穩(wěn)定因子，計算方式為:

(3)

其中，vn和dn分別表示當(dāng)前車輛的所有一跳鄰居車輛的平均速度和平均距離，R表示車輛的通信范圍。

在式(3)中，第一項反映了當(dāng)前車輛的一跳鄰居車輛與其相對速度值，該值越大，說明當(dāng)前車輛的速度相對于其鄰居車輛的速度越小，這樣車輛在行駛過程中通信鏈路中斷的可能性越小，穩(wěn)定性越好。第二項反映了車輛的相對位置關(guān)系，當(dāng)前車輛與一跳鄰居車輛的相對距離越小，通信鏈路中斷的可能性越小。

當(dāng)車輛接收到信標(biāo)消息之后，建立一個一跳鄰居列表。列表的每一個入口包含了從信標(biāo)中獲取的信息。一旦發(fā)現(xiàn)一個新的鄰居，就增加一個新的入口。一臺車輛需要等待兩個連續(xù)的信標(biāo)間隔來監(jiān)聽其鄰居。如果沒有接收到消息，將刪除對應(yīng)的鄰居入口。一旦建立了鄰居列表，每一個通信節(jié)點都要計算穩(wěn)定因子f，并與其鄰居節(jié)點的穩(wěn)定因子進(jìn)行比較。然后選取穩(wěn)定因子最大的節(jié)點作為顯著節(jié)點，并將對應(yīng)的顯著屬性c置為1。

2.2 鏈路生存時間估算

本節(jié)所述的鏈路生存時間是指兩個顯著節(jié)點之間的鏈路生存時間，估算該時間的目的是預(yù)測該鏈路發(fā)生中斷的時間。

令Vi(d)和Vj(d)表示兩個連續(xù)的顯著節(jié)點。首先，我們比較兩臺車輛的行駛方向，如果它們的行駛方向相同，則鏈路中斷會發(fā)生在兩者的距離超過車輛通信范圍R之后，因此，鏈路生存時間應(yīng)為:

(4)

其中，Di,j表示節(jié)點Vi(d)和Vj(d)之間的歐氏距離，也即:

(5)

如果節(jié)點Vi(d)和Vj(d)的行駛方向不同，則需要考慮兩種情況：

第一種情況是節(jié)點Vi(d)和Vj(d)相互接近。這樣，鏈路中斷發(fā)生在兩臺車輛相交叉且距離超過車輛通信范圍，此時鏈路的生存時間為:

(6)

第二種情況是節(jié)點Vi(d)和Vj(d)背向行駛，越離越遠(yuǎn)。這種情況下，鏈路中斷發(fā)生在兩臺車輛的相對距離超過車輛通信范圍，此時鏈路的生存時間為:

(7)

需要說明的是，鏈路的生存時間也存儲在車輛的鄰居列表中，在每一次信標(biāo)服務(wù)過程中計算和更新。

2.3 中繼節(jié)點選擇

前面所述的顯著節(jié)點都定義在道路段上，而不同道路段上的顯著節(jié)點之間無法連通。為了連通這些節(jié)點，本文在兩道路段的交叉口定義一個中繼節(jié)點。中繼節(jié)點的選擇方法是：

Step1尋找道路段交叉口區(qū)域的所有車輛，將其作為候選的中繼節(jié)點；

Step2剔除那些已經(jīng)駛過交叉口中心的車輛，因為這些車輛即將離開交叉口，不適合作為中繼節(jié)點；

Step3從剩余節(jié)點中篩選出顯著屬性為1的節(jié)點，如果沒有，則保留所有剩余節(jié)點；

Step4從余下的節(jié)點中選擇行駛速度最慢的節(jié)點，因為速度越慢的節(jié)點在交叉口停留的時間越長。

當(dāng)一個中繼節(jié)點即將離開交叉口區(qū)域時，需要為其尋找一個替代者。方法是：

首先，計算每一個與當(dāng)前中繼節(jié)點相鄰的顯著節(jié)點通過交叉區(qū)域的時間t1；

然后，計算當(dāng)前綠燈的剩余時間t2，表示為:

t2=tg-[tα%tC-(tC-tg)]

(8)

其中，tα表示車輛到達(dá)紅綠燈的時間，tg表示綠燈持續(xù)時間，tC表示綠燈的循環(huán)間隔。“%”表示整除運算。

如果t2>t1，我們選取t1最大的節(jié)點作為中繼節(jié)點。否則，我們在紅燈亮?xí)r從顯著節(jié)點集合中已經(jīng)停止的車輛中選取一個距離交叉區(qū)域邊界最近的節(jié)點作為中繼節(jié)點。

2.4 道路段評價

在交叉口區(qū)域，一旦選定了中繼節(jié)點，就開始進(jìn)行道路段評價。道路段評價是后續(xù)路由構(gòu)建的依據(jù)，用于評價該道路段作為路由路徑的優(yōu)先級。道路段評價的方法是：

首先，在中繼節(jié)點處建立路由表，便于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

然后，中繼節(jié)點生成一個道路評價數(shù)據(jù)包并在所有道路段上進(jìn)行廣播。道路評價數(shù)據(jù)包用于收集道路段的相關(guān)信息，如數(shù)據(jù)包延時和跳數(shù)量，數(shù)據(jù)包格式如圖1所示。

圖1 道路評價數(shù)據(jù)包格式

在圖1中，時間戳指明了道路評價數(shù)據(jù)包的創(chuàng)建時間，delay表示數(shù)據(jù)包延時，具體為:

(9)

其中，n為一個道路段上的顯著節(jié)點數(shù)量，delayVi表示第i個顯著節(jié)點vi的數(shù)據(jù)包延時。

每一個節(jié)點的數(shù)據(jù)包延時都包含兩個部分，一是數(shù)據(jù)的傳輸延時，二是隊列延時。

當(dāng)某一個顯著節(jié)點接收到道路評價數(shù)據(jù)包之后，它對道路評價數(shù)據(jù)包進(jìn)行修改，修改內(nèi)容包括兩個部分，一是在跳數(shù)量子項中加入該節(jié)點，二是更新數(shù)據(jù)包延時，即在原有延時的基礎(chǔ)上增加該節(jié)點的數(shù)據(jù)包延時。更新之后，再將道路評價數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給下一個顯著節(jié)點，直至到達(dá)下一個中繼節(jié)點。

中繼節(jié)點在接收到道路評價數(shù)據(jù)包之后，計算道路評價數(shù)據(jù)包的傳輸延時t3，計算方法是用該中繼節(jié)點接收到道路評價數(shù)據(jù)包的時間減去道路評價數(shù)據(jù)包上的時間戳。

記道路評價數(shù)據(jù)包的傳輸延時上限和下限分別為Tup和Tdown。對于一個長度為L的道路段，其可以容納的最大顯著節(jié)點數(shù)量為:

(10)

其中，Int()表示取整數(shù)運算。

那么，數(shù)據(jù)包延時下限Tdown可以表示為:

(11)

其中，Tt表示節(jié)點的傳輸延時。

數(shù)據(jù)包傳送延時上限Tup可以表示為:

Tup=Tdown-t1

(12)

如果t3Tup，中繼節(jié)點可以認(rèn)定該道路段已經(jīng)完全無法連接。基于這一思路，中繼節(jié)點為不同的道路段分配不同的權(quán)重，第i個道路段的權(quán)重可以表示為:

(13)其中，t4表示該道路段的平均車輛通過時間，可以由該道路段的長度除以該道路段上所有車輛的平均速度計算。

考慮到權(quán)重與延時相關(guān)，需要為其計算一個有效期，用于描述該權(quán)重是否有效。第i個道路段權(quán)重的有效期可以由該道路段上所有鏈路的最小生存時間來表示，即:

Validi=min(lf1,lf2,…,lfk)

(14)

其中，k為該道路段上的鏈路數(shù)量。

在得到所有道路段的權(quán)重之后，每一個中繼節(jié)點構(gòu)建一個路由表，用于后續(xù)的路由構(gòu)建。

2.5 路由構(gòu)建

當(dāng)源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點時，它生成一個路由請求數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包一般包含源節(jié)點ID、目的節(jié)點ID和目的節(jié)點位置。源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該路由請求包給其所在道路段上的所有中繼節(jié)點。對于每一個中繼節(jié)點，當(dāng)其接收到源節(jié)點發(fā)送的路由請求包之后，首先檢查其路由表，查看該中繼節(jié)點是否可以將數(shù)據(jù)送達(dá)目的節(jié)點，如果可以，它將從其路由表中選擇一個從源節(jié)點到目的節(jié)點的權(quán)重最大的路徑，將路由請求數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。

路由路徑的權(quán)重可以表示為:

(15)

其中，m為該路徑所經(jīng)過的道路段數(shù)量，Wi表示第i個道路段的權(quán)重，依據(jù)式(13)計算。路徑上所有道路段的權(quán)重之和越大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉搜訒r越小。

由于中繼節(jié)點不止一個，因此目的節(jié)點可能接收到多個路由請求數(shù)據(jù)包，也即存在多條數(shù)據(jù)傳輸路徑。這種情況下，目的節(jié)點將所有路徑存儲在路由表中，同時存儲路徑所對應(yīng)的有效期，路徑有效期的計算公式為:

(16)

其中，Validi表示第i個道路段權(quán)重的有效期，依據(jù)式(14)計算。

然后，目的節(jié)點選擇權(quán)重最大的路徑，將其放進(jìn)路由應(yīng)答數(shù)據(jù)包，回傳給源節(jié)點。當(dāng)源節(jié)點收到路由應(yīng)答數(shù)據(jù)包之后，即可開始發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點。

在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，中繼節(jié)點在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中更新傳輸路徑的權(quán)重，路徑權(quán)重會逐漸降低，當(dāng)路由的有效期結(jié)束或者路徑的權(quán)重低于閾值WT時，源節(jié)點重新發(fā)起路由請求，建立新的路由。

3 實驗仿真與分析

車輛自組織網(wǎng)絡(luò)常用的仿真軟件是Network Simulator[12]軟件，本文在該軟件上仿真本文路由協(xié)議和常用的GPSR、GPSR-R路由協(xié)議，測試常用的端到端平均延時、報文送達(dá)率和網(wǎng)絡(luò)開銷三個指標(biāo)[13]，依據(jù)這三個指標(biāo)評測三種路由協(xié)議的性能，仿真軟件的相關(guān)參數(shù)見表1所示。下面首先分析本文路由協(xié)議的參數(shù)取值，然后再對比不同路由協(xié)議的性能指標(biāo)。

表1 仿真軟件相關(guān)參數(shù)

3.1 參數(shù)分析

本文路由協(xié)議涉及一個閾值參數(shù)，為權(quán)重閾值WT。當(dāng)該參數(shù)取值不同時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉似骄訒r是不同的。圖2給出了本文路由協(xié)議的端到端平均延時隨權(quán)重閾值WT的變化曲線，其中數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率為5個/s。

圖2 端到端平均延時隨權(quán)重閾值的變化曲線

由圖2可見，權(quán)重閾值WT太小或者太大時都會導(dǎo)致端到端平均延時增加。因為權(quán)重閾值WT太大時，在數(shù)據(jù)傳輸過程中路由路徑的權(quán)重會很快下降到權(quán)重閾值WT之下，這樣就需要重新發(fā)起路由請求，盡管數(shù)據(jù)在路由路徑上的傳輸延時較小，但由于頻繁構(gòu)建路由，導(dǎo)致整體的端到端平均延時增大。而當(dāng)權(quán)重閾值WT太小時，盡管路由請求次數(shù)較少，但是，在數(shù)據(jù)傳輸過程中路由路徑上的權(quán)重越來越小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延時越來越大，從而也會導(dǎo)致整體的端到端平均延時增大。由圖2可見，當(dāng)WT=120(ms)時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉似骄訒r最小。因此，本文取權(quán)重閾值WT=120(ms)。

3.2 性能對比

本文路由協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)是盡可能降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉似骄訒r，用于服務(wù)媒體共享、廣告接入等低延時需求的應(yīng)用。因此，本文路由性能最關(guān)注的性能指標(biāo)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉似骄訒r。但同時，報文送達(dá)率和網(wǎng)絡(luò)開銷也是車輛自組織網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的重要評價指標(biāo)。因此，這里對這三項指標(biāo)分別進(jìn)行評價(如圖3-圖5所示)，然后給出綜合評價結(jié)果。

圖3 端到端平均延時隨數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率的變化曲線

圖3給出了數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率不同時三種路由協(xié)議的端到端平均延時指標(biāo)。可見，盡管本文路由協(xié)議的端到端平均延時指標(biāo)也會像其他兩種方法一樣隨著數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率的增加而增加。但是很明顯本文路由協(xié)議的端到端平均延時指標(biāo)隨著數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率增加的上升速率較低，而且在同等條件下的端到端平均延時都遠(yuǎn)小于其他兩種路由協(xié)議。這是因為本文路由協(xié)議以路由路徑的傳輸延時最小(也即路由路徑的權(quán)重最大)為路由選擇依據(jù)，因此本文路由協(xié)議的端到端傳輸延時要明顯小于其他兩種路由協(xié)議。

圖4 報文送達(dá)率隨數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率的變化曲線

圖4給出了三種路由協(xié)議的報文送達(dá)率指標(biāo)隨數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率的變化曲線，可見在同等條件下本文路由協(xié)議的報文送達(dá)率指標(biāo)也高于其他兩種路由協(xié)議。這是因為本文路由協(xié)議在各道路段有效期結(jié)束后會重新構(gòu)建路由，路由穩(wěn)定性好。因此在大幅降低端到端平均延時的情況下，還能夠提高報文送達(dá)率指標(biāo)。

圖5 路由開銷隨數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率的變化曲線

圖5給出了三種路由協(xié)議的路由開銷指標(biāo)隨數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率的變化曲線。同樣，相同條件下本文路由協(xié)議的路由開銷要小于其他兩種路由協(xié)議，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率越大，本文路由協(xié)議的優(yōu)勢越明顯。這是因為本文路由協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中路由請求次數(shù)較少，路由穩(wěn)定性較好。

綜合分析端到端平均延時、報文送達(dá)率和路由開銷三個指標(biāo)，本文路由協(xié)議在大幅降低端到端平均延時的情況下，路由開銷也隨之降低，報文送達(dá)率指標(biāo)也有提高，優(yōu)于其他兩種常用的車輛自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

4 結(jié) 語

針對城市交通場景下網(wǎng)絡(luò)接入、媒體共享和廣告服務(wù)等對延時比較敏感的應(yīng)用場合，本文提出了一種基于道路段評價機制的車輛自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。該協(xié)議通過顯著節(jié)點生成、鏈路生存時間估計、中繼節(jié)點選擇、道路段評價和路由構(gòu)建五個階段，實現(xiàn)低延時路由的構(gòu)建。實驗表明，本文提出的路由協(xié)議可以大幅降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉搜訒r，同時路由開銷小、報文送達(dá)率高，是一種低延時的城市車輛自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

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ALOW-DELAYROUTINGALGORITHMFORVANETSBASEDONROAD-SECTIONEVALUATIONMECHANISM

Wu Weizu1Liu Liqun1Xie Dongqing2
1(SchoolofInformation,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,Guangdong,China)2(SchoolofComputerScienceandEducationSoftware,GuangzhouUniversity，Guangzhou510006,Guangdong,China)

A low-delay routing protocol is proposed for application demand of city vehicle ad hoc networks. Based on the model of city traffic network, the new routing protocol look for the significant nodes on each road-section firstly, then it estimated the lifetime of links between two significant nodes, and found the optimal relay nodes on intersection. Once finding the relay node, the algorithm will begin broadcasting the road-section evaluation packet and calculate a weight value for every road-section according to transmission delay. In the end, it selects the optimal transmission path according to weight and validity of road-sections in routing building stage and achieve low-delay transmission for data. Experiments show that the new routing protocol can not only reduce the average end-to-end transmission delay significantly, but also obtain high packet delivery rate and low network overhead compared with the commonly used GPSR and GPSR-R routing protocols.

Vehicle ad hoc networks Routing protocol Transmission delay Link lifetime Significant node

2016-08-16。國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2009AA012420)；廣東省科技計劃項目(2014A020218016)。吳衛(wèi)祖，副教授，主研領(lǐng)域：信息系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)安全，物聯(lián)網(wǎng)，北斗通信及應(yīng)用。劉利群，副教授。謝冬青，教授。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.08.048