基于GPSR协议的一种改进车载网路由协议

第３０卷第３期　２０１５年６月　成都信息工程学院学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＨＥＮＧＤＵ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖ０１．３Ｏ　ＮＯ．３　

Ｊｕｎ．２０１５　

文章编号：１６７１．１７４２｛２０１５）０３．０２２４—０６　基于ＧＰＳＲ协议的一种改进车载网路由协议　

张好，　郑世慧，　杨　榆　（北京邮电大学信息安全中心，北京１００８７６）　

摘要：基于ＧＰＳＲ协议提出一种新的车载网路由协议，该协议能很好的适应车载网中车辆节点高速移动的特　性，降低道路间障碍物对数据传输的影响，并能根据车流密度自动调节数据包的流向，从而提高路由协议的连通　率；同时，新的路由协议也能够自动区分乡村高速公路、城市路况等不同的道路环境，并依据不同的路况采用不同　的策略进行数据的传输。仿真结果表明，新协议的连通率明显高于ＧＰＳＲ协议。　关键词：车载网路由协议；ＧＰＳＲ；车流密度；位置预测；连通率　中图分类号：ＴＮ９２９．５　文献标志码：Ａ　

Ｏ　引言　车载自组网（Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ　Ａｄ　Ｈｏｃ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，　ＶＡＮＥＴ）是一种特殊的无线自组网。基本思想是在一　定通信范围内的车辆自动地相互连接建立起一个移动　的网络，用于交换各自信息（如车速、位置等）和车载传　感器感知的数据。车载自组织网络在事故预警、保障　交通安全、智能驾驶、收费站缴费、乘客办公与娱乐化　及电子商务等很多方面有着良好的应用前景。近年　来，随着车辆的飞速普及，车载网已经引起了越来越多　的研究者，其路由协议也成为一个研究的热点。　通过改进传统的ＧＰＳＲ车载网路由协议，获得一　种新的连通率较高，适应不同道路情况的新车载网路　由协议。仿真测试表明，新协议能很好的适应车载网　中车辆节点高速移动的特性，降低道路间障碍物对数　据传输的影响，并且能够根据车流密度自动调节数据　包的流向，从而提高路由协议的连通率。同时，新的路　由协议也能够自动区分乡村高速公路、城市路况等不　同的道路环境，并依据不同的路况采用不同的策略进　行数据的传输。　

１　ＧＰＳＲ协议　

１．１　ＧＰＳＲ协议简介　ＧＰＳＲ（Ｇｒｅｅｄｙ　Ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ　Ｓｔａｔｅｌｅｓｓ　Ｒｏｕｔｉｎｇ）路由协　议是一种地理位置辅助路由协议。该协议中，每个节　

收稿日期：２０１４—０７—２８　基金项目：北京邮电大学青年科研创新计划专项人才培育资助项　目（ＢＵＰＴ２０１２ＲＣ０２１９，ＢＩ　ＪＰＴ２０１３ＲＣ０３１１）　

点需要在一定周期Ｔ内向一跳范围内的节点广播自　己的位置信息，这样每个节点就知道自己和自己一跳　范围内所有邻居节点的位置。节点在发送数据前不寻　找路由，不保存路由表，移动节点直接根据包括自己、　邻节点以及目的节点的位置信息制定数据转发决策，　其数据转发模式有贪婪模式和周边模式两种。当一个　节点收到数据分组时，首先采用的是贪婪模式转发，如　果贪婪模式失败则转为周边模式转发。　图１所示为贪婪转发示意图。图中以节点　为　中心的圆代表ｚ的一跳通信范围，以节点ｚ为中心的　圆代表　的一跳通信范围。　收到一个要转发至ｚ的　数据包，首先查找邻居节点表中距离自身最远（即最接　近目的节点）的邻居节点，发现Ｙ是满足条件的节点，　因此将数据包转发给Ｙ。Ｙ重复贪婪转发模式直至数　据包到达　。　

图１　ＧＰＳＲ协议的贪婪模式　周边转发模式是指这样一种情况，当节点查找邻　居节点表发现没有比自身更接近目的节点的邻居节点　时，就按照右手规则转发分组。右手规则是指数据分　组沿着路径转发，目的节点始终在转发路径的右侧。　在图２中，由于ｚ在其通信范围内的邻居节点中没有　发现比它自身更接近于目的节点ｚ的节点，贪婪转发　失败，因此采用右手规则转发数据分组，其分组发送的　路径是ｚ一＞口一＞ｂ一＞Ｃ一＞　。　第３期　张好，等：基于ＧＰＳＲ协议的一种改进车载网路由协议　２２５　图２　ＧＰＳＲ协议的周边模式　１．２　ＧＰＳＲ协议性能分析　在ＶＡＮＥＴ中，通信节点处于高速移动状态，一条　链路的有效时间非常短，所以一旦存储路由表，就必须　不停地更新路由表，才能保证链路的有效性，这种方式　在通信量和通信时间上的开销非常大，而ＧＰＳＲ协议　采用边发包边找路的策略就能很好地避免上述问题，　这使由于位置改变带来的丢包现象的可能性大大缩　小。　但是，同时ＧＰＳＲ协议也存在着适用性不强、连通　率不高的缺点。原因如下：　（１）ＧＰＳＲ协议将地图信息简单的当做一个二维　图进行处理，而忽视三维空间中的道路间障碍物对数　据传输的阻碍。　（２）ＧＰＳＲ协议根据存储在节点本地位置信息表　的位置信息选择一跳范围内的最优节点作为数据传输　的下一跳节点。每一个节点只能根据每隔Ｔ时间接　收的广播信息记录一跳范围内其他位置节点的信息，　也就是说Ｓ节点只能获取处于自己一跳范围内Ｒ节　点Ｔ，２Ｔ，３Ｔ，…，ＮＴ时刻的位置信息。如果在ＮＴ　＋ｔ（０＜ｔ＜Ｔ）时刻Ｓ节点收到数据包，它只能根据　ＮＴ时刻记录的位置信息选取一跳范围内的最优节点　Ｒ，但是，如果ｓ和Ｒ处于高速移动状态，那么ＮＴ十￡　时刻，最优节点Ｒ很有可能已经移出Ｓ节点的通信范　围，在这种情况下Ｓ节点发出的数据包必定无法传送　到Ｒ节点。　（３）在原始的ＧＰＳＲ协议中，一旦节点发现周围　一跳范围内没有合适的的节点作为数据的下一跳，那　么节点将会直接丢弃数据，从而导致数据的传输失败。　

２改进的ＧＰＳＲ协议　ＧＰＳＲ协议存在着适用性不强、连通率不高缺点。　因此，为进一步提高协议的适用性，保证协议能够在各　种道路环境下运行良好，提高协议的连通率，保证数据　传输过程中的完整性，对ＧＰＳＲ路由协议进行改进，称　新协议为ＮＧＰＳＲ。　

２．１　ＮＧＰＳＲ路由协议　ＮＧＰＳＲ协议流程如下：　角色：发送者Ｓ、经过的路口节点Ｃ１，Ｃ２，…，　、　参与转发的车辆Ｎｌ，Ｎ２，…，　、接收者Ｒ。　第一步：所有车辆节点产生一个记录自己位置信　息和自身标示（如车牌号等）的广播数据包，每隔时间　Ｔ向一跳范围内的车辆节点广播该数据包；节点收到　

一跳范围内的其他节点广播的位置信息后，将一跳范　围内所有节点的标示信息和位置信息记录在本地位置　信息表中。　第二步：发送者Ｓ产生一个数据包，通过ＧＰＳ获　取接收者Ｒ的位置信息，并从本地位置信息表中获取　一跳范围内的所有节点信息。Ｓ节点判断自己一跳范　围内是否存在目的节点（此时Ｓ节点并不是直接以位　置信息表中的位置信息作为判断依据，而是先对一跳　范围内的所有车辆节点进行位置预测，然后以预测的　位置信息作为判断依据，文中所有的位置判断操作过　程都是指先位置预测再判断）。若存在，则将数据发送　给目的节点Ｒ；若不存在，Ｓ节点判断自己一跳范围　内是否存在路口节点。若存在，则将数据发送给路口　节点Ｃ１；若不存在，Ｓ节点判断自己一跳范围内是否　存在比自己更接近目的节点的车辆节点。若存在，则　用贪婪模式将数据转发给自己一跳范围内的车辆节点　Ｎ１；若不存在，则用周边转发模式将数据转发给自己　

一跳范围内的车辆节点Ｎ　。　第三步：路口节点Ｃ　（１≤　≤ｔ）收到数据包后，Ｃ　节点判断自己一跳范围内是否存在目的节点Ｒ，若存　在，则将数据发送给目的节点Ｒ；若不存在，Ｇ节点通　过ＧＰＳ获得离目标节点Ｒ最近的路口节点的信息，　判断自己是不是离目标节点Ｒ最近的路口节点。若　节点是离目的节点Ｒ最近的路口节点，则将数据转　发给行驶在自己和目标节点所处路上离路口节点Ｇ　

－ｔ４［范围内的车辆节点　（１≤　≤ｓ）；若Ｇ节点不是　离目标节点Ｒ最近的路口节点，Ｇ获取自己所处的几　条道路的车流密度信息，判断几条道路离目的节点Ｒ　的距离。综合这２个信息，选择一条道路，并将数据转　发到选定的这条道路上处在Ｇ节点一条范围内的车　辆节点Ｎ　（１≤　≤ｓ）。　第四步：车辆节点　（１≤　≤ｓ）收到数据包后，Ｎ　节点判断自己一跳范围内是否存在目的节点．Ｒ。若存　在，则将数据发送给目的节点Ｒ；若不存在，Ｎ节点判　断自己一跳范围内是否存在路口节点。若存在，则将数　据发送给路口节点Ｇ＋　；若不存在，Ｎ节点自己一跳范　围内是否存在比自己更接近目的节点的车辆节点。若　成都信息工程学院学报　第３０卷　存在，则用贪婪模式将数据转发给自己一跳范围内的车　辆节点　＋１；若不存在，则用周边转发模式将数据转发　给自己一跳范围内的车辆节点Ｎ＋１。　第五步：接收者Ｒ收到发送者Ｓ发送的数据。有　以下几种情况。　在第一步的操作中就Ｒ收到数据，此时ｔ＝０，　ｓ＝０，没有参与转发的路口节点和参与转发的中间车　辆节点，Ｓ直接将数据发送给Ｒ；　在第二步的操作中就Ｒ收到数据，此时ｔ≥１，　ｓ≥０，路口节点参与数据的转发，目标节点在路口节点　一跳范围内；　在第三步的操作中就Ｒ收到数据，此时ｔ＞０，　Ｓ＞＝１，车辆节点参与数据的转发，数据经过多跳到达　接收者Ｒ节点。　图３和图４是具体的ＮＧＰＳＲ协议流程图。　

收到数据分组　

用周边模式将数　据转发给邻节点　

Ｈ结束　给目的节点ｌ　’Ｉ　将数据分组发Ｉ　．１　模式二　给路口节点　广＿１（路口节点）　

用贪婪模式将数１　．１　模式一　塑董垄　苎　ｒ＿．１（车辆节点）　

——　ｉ　坚Ｉ　垂　薹　｝＿　

通过车流密度、与　目的节点的距离等　参数选择一条路　二二二工＝二　将数据分组发给行　驶在选择的道路上　自己一跳范围内的　车辆节点　

模式一　（车辆节点）　

图４模式二路口节点协议流程　结束　模式一　（车辆节点）　

模式一　（车辆节点）　

２．２　ＮＧＰＳＲ协议的改进　相对于原始ＧＰＳＲ协议，新协议有４个方面的改　进。　（１）增加位置预测功能。可以通过节点存储在本　地位置信息表中的数据预测节点在ｔ时刻的位置。ｓ　节点选取接收到的Ｒ节点最近两次的广播信息，获取　Ｒ节点Ｔ时刻前和２Ｔ时刻前的位置信息：（　１，ｙ１），　（ｚ２，　２）。通过这两个位置信息，Ｓ节点可以计算Ｒ　节点的速度　√（Ｙ２一　１）　＋（ｚ２一ｚ１）　，１、　一　２Ｔ—Ｔ　，　

运动方向是　

０＝ｔａｎ一　—　（２）　Ｘ２一　１　

因此，节点Ｓ可以利用公式获取Ｒ节点ｔ时间后　

的位置信息　ｚ＝　２＋ｖｔＣＯＳ（０）　（３）　Ｙ＝　２＋ｖｔｓｉｎ（０）　（４）　以此类推，节点Ｓ可以预判其通信范围内所有节　点的运动方向及与节点Ｓ的距离，进而做出更加可靠　有效的转发节点选择。　（２）引入路口节点，使路由协议由无中心的转发　模式升级为分层次的无中心转发模式。路口节点负责　将一条道路上的数据转发至相邻的道路，起数据中转　站的作用，保证数据只在一条路上进行传输，避免数据　由一条路直接向另一条路传输时由于路口障碍物的阻　挡导致的连通率下降的情况。　（３）考虑车流密度对连通率的影响。ＮＧＰＳＲ在　路口节点处统计车流密度，并根据车流密度选择数据　的传输路径，避免数据包被转发到封闭的小网络中，从　而提高连通率。　采用下面的方法统计车流密度：处于一条路两端　的两个路口节点Ａ，Ｂ彼此定期（间隔时间Ｔ）向对方　发送一个特殊格式数据包，这条路上的车辆节点收到　这种格式的数据包后，把自己存储在本地的邻节点的　信息添加到这个特殊格式数据包的数据段部分，然后　再通过ＧＰＳＲ协议转发数据包，直至数据包发送到目　的地。当Ａ节点收到Ｂ节点发来的数据包，Ａ统计该　数据包数据段中的节点信息（出现多少个不同的车辆　节点）。　（４）ＮＧＰＳＲ协议对传输数据进行缓存。一旦节　点Ａ发现自己一条范围内没有任何节点可以传输数　据，那么就在本地缓存该数据；Ｔ时间后，Ａ节点再次　在本地位置信息表中选择合适的节点作为下一个传输