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(lái)了各種交通問(wèn)題，如堵車，停車難，交通事故頻發(fā)等。目前，世界各國(guó)的道路行車安全問(wèn)題都十分嚴(yán)峻。世界衛(wèi)生組織表示，僅 2015 年全球因?yàn)榻煌ㄊ鹿试斐傻乃劳鋈藬?shù)就高達(dá) 93 萬(wàn)人。中國(guó)作為世界汽車大國(guó)，在 2015年就發(fā)生了 20 多萬(wàn)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(dòng)車駕駛員、非機(jī)動(dòng)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(dòng)車在長(zhǎng)期使用過(guò)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(huì)導(dǎo)致汽車的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，如果不按時(shí)進(jìn)行車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)，就很有可能造成道路交通事故。

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1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)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(shí)延[16-20]、降低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷[21]、減少時(shí)延抖動(dòng)[22-24]、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)吞吐量[25-26]、降低丟包率[27-32]等。國(guó)外對(duì)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(guó)內(nèi)對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究主要集中要各個(gè)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(kāi)銷以及吞吐量而言，在 2013 年，文獻(xiàn)[33]的作者對(duì)不同的信息設(shè)置了優(yōu)先級(jí)，然后又對(duì)車輛進(jìn)行了分簇，通過(guò)簇首之間的通信來(lái)傳輸信息，從而減少了網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)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(jì)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(chǎng)景下對(duì)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(jì)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(jì)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(diǎn)及應(yīng)用

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)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(diǎn)與應(yīng)用。車載自組織網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特之處為：高速移動(dòng)性[44]，可預(yù)測(cè)的移動(dòng)路徑[45]，無(wú)限制的電源使用[46]。高速移動(dòng)性是因?yàn)樾旭傇诘缆飞系能囕v時(shí)速一般為 20km/h到 120km/h，這就會(huì)致使車輛節(jié)點(diǎn)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(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的改變。所以，，車載自組織網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由協(xié)議提出了更高的性能要求�？深A(yù)測(cè)的移動(dòng)路徑是指車輛只能沿著道路方向行駛，因此，車輛節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有規(guī)律性。所以,在研究過(guò)程中,可以根據(jù)車輛的行駛規(guī)律以及速度限制,設(shè)計(jì)出接近于真實(shí)道路場(chǎng)景的路由協(xié)議,以此來(lái)提高協(xié)議的性能。無(wú)限制的電源使用是因?yàn)橥ㄐ拍K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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣要考慮供電的問(wèn)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(dòng)路由協(xié)議（DSDV）和按需驅(qū)動(dòng)（AODV，DSR）。目前車上都安裝有 GPS，通過(guò) 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。基于電子地圖的路由協(xié)議主要運(yùn)用于路徑規(guī)劃方面，目前各位學(xué)者對(duì)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(gè)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(duì)該模塊的協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

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

3.1 相關(guān)工作................11

3.2 問(wèn)題的假設(shè)及模型的建立...............12

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

4.1 相關(guān)工作...............27

4.2 場(chǎng)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(chǎng)景下基于鄰近節(jié)點(diǎn)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(tái)。它有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓_(kāi)源代碼，便于用戶按照自己的需求通過(guò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的仿真軟件。NS-2 采用分裂對(duì)象的原理由 C++和 Otcl 兩種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。其中 C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)組件，Otcl[64]語(yǔ)言用于搭建仿真平臺(tái)。Otcl是一種無(wú)強(qiáng)制類型的解釋執(zhí)行的腳本語(yǔ)言，可以通過(guò)添加新的 C 函數(shù)來(lái)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(diǎn)，拓?fù)浣Y(jié)點(diǎn)連接類以及連接器。事件調(diào)度器用來(lái)跟蹤仿真時(shí)間并根據(jù)預(yù)定時(shí)間安排隊(duì)列中的事件，激活當(dāng)前時(shí)間對(duì)應(yīng)的處理該事件的網(wǎng)絡(luò)對(duì)象。事件在 NS-2中有唯一的 ID 號(hào)的數(shù)據(jù)包，所以事件調(diào)度器可以維護(hù)一個(gè)排序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)事件有序地執(zhí)行，釋放，并激活事件處理對(duì)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(diǎn)是一個(gè)復(fù)合對(duì)象，它由一個(gè)結(jié)點(diǎn)入口和若干個(gè)分類器構(gòu)成。拓?fù)浣Y(jié)點(diǎn)連接類用來(lái)連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的，一個(gè)基本的連接包括入口，數(shù)據(jù)包緩沖隊(duì)列，延遲處理對(duì)象，廢棄處理對(duì)象和時(shí)間處理對(duì)象。連接器的派生類對(duì)象包括緩沖隊(duì)列，延遲，數(shù)據(jù)包代理和對(duì)象的跟蹤器。

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5.2 雙向單車道場(chǎng)景下基于鄰近節(jié)點(diǎn)集的路由協(xié)議仿真

仿真思路為：首先在 VanetMobiSim 中通過(guò)對(duì) xml 文件進(jìn)行配置,設(shè)置節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型和道路場(chǎng)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(diǎn)移動(dòng)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(diǎn)參數(shù)配置的腳本文件,分別針對(duì) 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(diǎn)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(diǎn)畫(huà)圖并對(duì)圖形進(jìn)行分析。

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結(jié)論

隨著無(wú)線傳感器技術(shù)以及無(wú)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(diǎn)。利用車載自組織網(wǎng)絡(luò)解決道路安全問(wèn)題大勢(shì)所趨。本文主要是針對(duì)道路上信息的傳輸問(wèn)題進(jìn)行研究。首先對(duì)研究背景以及意義進(jìn)行了簡(jiǎn)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(guò)對(duì)道路場(chǎng)景以及現(xiàn)有的 VANET 路由協(xié)議的研究，本文提出了針對(duì)雙向單車道場(chǎng)景以及雙向多車道場(chǎng)景下的基于鄰近節(jié)點(diǎn)集的路由協(xié)議，從而的改善了路由延時(shí)，以及分組投遞率等問(wèn)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(chǎng)景下的基于鄰近節(jié)點(diǎn)集的路由協(xié)議。其中每一輛車都需要維系一個(gè)實(shí)時(shí)的鄰近節(jié)點(diǎn)集，這個(gè)集合包括了四個(gè)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(méi)有可以通信的車輛時(shí)，利用反向車道的車輛來(lái)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(shí)的公式并利用MATLAB 進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)（略）