第 1 章 緒論

1.1 課題的研究背景與意義

隨著人民消費(fèi)能力的日益提高，道路上的車輛逐年增多。這雖然方便了人民的生活，但也帶來了各種交通問題，如堵車，停車難，交通事故頻發(fā)等。目前，世界各國的道路行車安全問題都十分嚴(yán)峻。世界衛(wèi)生組織表示，僅 2015 年全球因為交通事故造成的死亡人數(shù)就高達(dá) 93 萬人。中國作為世界汽車大國，在 2015年就發(fā)生了 20 多萬起交通事故。研究表明引發(fā)交通事故的因素包括人、車輛、道路以及天氣等。（1）人的因素[7]。人是道路交通的主體。道路上的人包括機(jī)動車駕駛員、非機(jī)動車駕駛員以及行人等。駕駛員違章操作或者行人違反交通規(guī)則都有可能引發(fā)事故。（2）車輛因素[8-9]。車輛是道路交通中的重要元素。機(jī)動車在長期使用過程中需要承受各種應(yīng)力，如外部環(huán)境應(yīng)力、內(nèi)部功能應(yīng)力和行駛應(yīng)力等。這些應(yīng)力會導(dǎo)致汽車的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，如果不按時進(jìn)行車輛狀態(tài)監(jiān)測，就很有可能造成道路交通事故。

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1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外的學(xué)者對車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究主要集中在：減少網(wǎng)絡(luò)時延[16-20]、降低網(wǎng)絡(luò)開銷[21]、減少時延抖動[22-24]、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)吞吐量[25-26]、降低丟包率[27-32]等。國外對網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的研究已經(jīng)取得了卓越的進(jìn)步，國內(nèi)對車載網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究主要集中要各個高校和研究院，雖然起步較晚,但也取得了一定的成果。就鏈路斷裂、網(wǎng)絡(luò)開銷以及吞吐量而言，在 2013 年，文獻(xiàn)[33]的作者對不同的信息設(shè)置了優(yōu)先級，然后又對車輛進(jìn)行了分簇，通過簇首之間的通信來傳輸信息，從而減少了網(wǎng)絡(luò)的開銷。文獻(xiàn)[34]的作者為了減少鏈路斷裂，于 2014 年，利用連續(xù)的概率分布函數(shù)-正態(tài)分布計算了車輛之間的通信鏈路的可靠性，并基于鏈路的可靠性不斷的調(diào)整信息的傳輸路徑，從而形成了一條可靠的信息傳輸路徑。文獻(xiàn)[35]的作者在同年采用田口方法改進(jìn)了車載網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，在高速公路場景下對改進(jìn)算法進(jìn)行仿真，結(jié)果表明改進(jìn)的路由協(xié)議不僅優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量還減少了丟包率。在文獻(xiàn)[36]中，為了設(shè)計出高效安全的信息傳輸路由協(xié)議，作者提出了數(shù)據(jù)包的值的概念，以量化這些數(shù)據(jù)的偏向性。然后設(shè)計了基于數(shù)據(jù)包的值的數(shù)據(jù)信息安全傳輸路由協(xié)議 PVcast。仿真結(jié)果顯示 PVcast 路由協(xié)議明顯的改善了輛車的吞吐量。

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第 2 章 相關(guān)技術(shù)

2.1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)的特點及應(yīng)用

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是移動自組織網(wǎng)絡(luò)在道路交通上的運(yùn)用，是智能交通系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的重要組成單元。所以，車載自組織網(wǎng)絡(luò)有其獨(dú)有的特點與應(yīng)用。車載自組織網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特之處為：高速移動性[44]，可預(yù)測的移動路徑[45]，無限制的電源使用[46]。高速移動性是因為行駛在道路上的車輛時速一般為 20km/h到 120km/h，這就會致使車輛節(jié)點頻繁地加入或者退出車載自組織網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)發(fā)生較大的改變。所以，，車載自組織網(wǎng)絡(luò)對路由協(xié)議提出了更高的性能要求�？深A(yù)測的移動路徑是指車輛只能沿著道路方向行駛，因此，車輛節(jié)點的運(yùn)動狀態(tài)具有規(guī)律性。所以,在研究過程中,可以根據(jù)車輛的行駛規(guī)律以及速度限制,設(shè)計出接近于真實道路場景的路由協(xié)議,以此來提高協(xié)議的性能。無限制的電源使用是因為通信模塊是安裝在車輛上的，所以模塊可以由車輛提供電量，所以不像無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣要考慮供電的問題。只用車輛可以行使，通信模塊就可以運(yùn)作。

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2.2 車載自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議

車載自組織網(wǎng)絡(luò)主要包括，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議,基于地理位置信息的路由協(xié)議以及基于電子地圖的路由協(xié)議。其中基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議又包括表驅(qū)動路由協(xié)議（DSDV）和按需驅(qū)動（AODV，DSR）。目前車上都安裝有 GPS，通過 GPS 設(shè)備可以獲得車輛的位置信息，所以基于地理位置信息的路由協(xié)議擁有廣闊的運(yùn)用前景,其中以 GPSR、LAR 等協(xié)議為典型代表�；陔娮拥貓D的路由協(xié)議主要運(yùn)用于路徑規(guī)劃方面，目前各位學(xué)者對這塊的研究比較少，但是這種路由協(xié)議是車載自組織網(wǎng)絡(luò)的一個重要發(fā)展方向。本文是在基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，所以下面對該模塊的協(xié)議進(jìn)行簡單介紹。

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第 3 章 雙向單車道場景下基于鄰近節(jié)點集的路由協(xié)議...............11

3.1 相關(guān)工作................11

3.2 問題的假設(shè)及模型的建立...............12

第 4 章 雙向多車道場景下基于鄰近節(jié)點集的路由協(xié)議...............27

4.1 相關(guān)工作...............27

4.2 場景的描述與模型的建立...............28

第 5 章 仿真與分析...............41

5.1 仿真工具的介紹.................41

5.2 雙向單車道場景下基于鄰近節(jié)點集的路由協(xié)議仿真...............43

第 5 章 仿真與分析

5.1 仿真工具的介紹

NS-2（Network Simulator version 2）[62-63]是一種專供與各類網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的模擬平臺。它有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓_源代碼，便于用戶按照自己的需求通過編程自行定義。NS-2 可以模擬不同的通信網(wǎng)絡(luò)，因此成為了學(xué)術(shù)界廣泛使用的無線網(wǎng)絡(luò)通信的仿真軟件。NS-2 采用分裂對象的原理由 C++和 Otcl 兩種程序設(shè)計語言實現(xiàn)。其中 C++語言實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)組件，Otcl[64]語言用于搭建仿真平臺。Otcl是一種無強(qiáng)制類型的解釋執(zhí)行的腳本語言，可以通過添加新的 C 函數(shù)來增加 Otcl的命令和功能。NS-2 中封裝了很多類模塊[63]，其中常用的包括事件調(diào)度器，分類器，拓?fù)浣Y(jié)點，拓?fù)浣Y(jié)點連接類以及連接器。事件調(diào)度器用來跟蹤仿真時間并根據(jù)預(yù)定時間安排隊列中的事件，激活當(dāng)前時間對應(yīng)的處理該事件的網(wǎng)絡(luò)對象。事件在 NS-2中有唯一的 ID 號的數(shù)據(jù)包，所以事件調(diào)度器可以維護(hù)一個排序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對事件有序地執(zhí)行，釋放，并激活事件處理對象。分類器可以分為地址分類器以及多播分類器。拓?fù)浣Y(jié)點是一個復(fù)合對象，它由一個結(jié)點入口和若干個分類器構(gòu)成。拓?fù)浣Y(jié)點連接類用來連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的，一個基本的連接包括入口，數(shù)據(jù)包緩沖隊列，延遲處理對象，廢棄處理對象和時間處理對象。連接器的派生類對象包括緩沖隊列，延遲，數(shù)據(jù)包代理和對象的跟蹤器。

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5.2 雙向單車道場景下基于鄰近節(jié)點集的路由協(xié)議仿真

仿真思路為：首先在 VanetMobiSim 中通過對 xml 文件進(jìn)行配置,設(shè)置節(jié)點的移動模型和道路場景，生成可以適用于 NS-2 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信仿真的節(jié)點移動拓?fù)湮募�。然后運(yùn)行 NS-2 調(diào)用已經(jīng)編譯生成的包含節(jié)點參數(shù)配置的腳本文件,分別針對 DSDV 路由協(xié)議，文獻(xiàn)[59]中的 HRAR 路由協(xié)議以及基于鄰近節(jié)點集的路由協(xié)議進(jìn)行仿真。最后,提取出有效的數(shù)據(jù)信息使用 MATLAB 進(jìn)行描點畫圖并對圖形進(jìn)行分析。

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結(jié)論

隨著無線傳感器技術(shù)以及無線通信技術(shù)的發(fā)展，車載自組織網(wǎng)絡(luò)逐漸成為了學(xué)者們研究的焦點。利用車載自組織網(wǎng)絡(luò)解決道路安全問題大勢所趨。本文主要是針對道路上信息的傳輸問題進(jìn)行研究。首先對研究背景以及意義進(jìn)行了簡要介紹，介紹了 VANET 現(xiàn)有的路由協(xié)議以及存在的缺陷。通過對道路場景以及現(xiàn)有的 VANET 路由協(xié)議的研究，本文提出了針對雙向單車道場景以及雙向多車道場景下的基于鄰近節(jié)點集的路由協(xié)議，從而的改善了路由延時，以及分組投遞率等問題。主要工作如下：工作 1，提出一種運(yùn)用于雙向單車道的道路場景下的基于鄰近節(jié)點集的路由協(xié)議。其中每一輛車都需要維系一個實時的鄰近節(jié)點集，這個集合包括了四個方向上是否存在可以通信車輛以及可以通信車輛的車輛ID。當(dāng)同向沒有可以通信的車輛時，利用反向車道的車輛來傳輸信息數(shù)據(jù)包。并且不同的事故類型，信息的傳輸方式也不同。最后還根據(jù)所提出的算法推導(dǎo)了傳輸延時的公式并利用MATLAB 進(jìn)行了仿真實驗。

參考文獻(xiàn)（略）