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道路交通安全与效率已成为目前全世界共同关注的热点问题。作为智能交通系统重要基础之一的车载自组网,是专门为车辆间通信而设计的自组织网络,其目标是通过为车辆和旅行者提供各种应用,减少交通事故、提高交通效率并使出行更加便捷。车载自组网具有节点移动速度快、网络拓扑变化频繁、网络规模较大、通信容量更小、节点运动可预测、能量顾虑较小以及可获得GPS和电子地图支持等特点,更适宜采用基于地理位置的路由技术。但现有的目标节点定位方法在车载自组网中却不能有效适用,成为地理位置路由的制约因素。同时,车载自组网的间歇连接性对数据包转发产生严重的阻碍,寻找连通稳定的路径对提高地理位置路由性能至关重要。另外,目前的地理位置路由技术中缺少必要的通信拥塞应对方案,也将限制应用的开展与部署。因此,本文围绕车载自组网地理位置路由的关键技术问题,从通信目标节点定位、连通稳定的路径选择、通信拥塞区域避让等方面进行了深入研究。
论文的创新性工作包括以下几个方面:
1.提出了一种基于地图的车载自组网位置服务协议(VLS)。利用电子地图提供的道路信息,选择车流密度高、运动速度慢的道路进行分段划分,并将分段中的节点组织为服务单元,共同担任位置服务器角色,以提高单个服务器的稳定性;将网络划分为多个区域,在每个区域中为车辆节点选择位置服务器从而构造分布式位置服务,满足了位置查询的局部性要求同时提高了协议的可靠性;采用哈希映射方法减少了位置服务器的查找时间;采用适应性更新策略和报文转发树结构降低了位置信息维护开销。理论分析和仿真实验都表明,VLS协议在城市车载自组网场合中具有较好的可扩展性,在不同网络规模中都可获得较好的性能:位置服务的成功率有较大提高,位置查询的平均延迟较小。
2.提出了一种感知实时车流的地理位置路由协议(RTAR)。在不依赖任何基础设施的情况下,利用道路分段形成的服务单元构造交通信息树结构。树中的交通服务器节点,周期性地执行位置服务数据的挖掘工作,并依此实现全网各条道路上实时车流的估算,有效降低了交通信息获取的代价。同时,给出一种基于电子地图和车流状况计算道路可用度的方法,能够融合无线转发和携带转发两种方式,依据链路的连通性评价数据包转发的代价。RTAR选择出由道路相连而成的最小代价路径,将其途经的关节点作为数据包传递所遵循的源路由,并支持在转发过程中由中间节点根据最新车流状况进行路由维护。在城市车载自组网中的仿真实验表明,RTAR协议在不同的节点密度场合下都具有较稳定的性能:数据包递送成功率有较大幅度提高,端到端的平均递送延迟较小,并且网络开销增长幅度较小。
3.提出了一种拥塞自适应的地理位置路由协议(CMGR)。通过监测实时的信道忙闲状态,获取节点的局部可用带宽,并结合扩展的节点通告报文,基于位置信息来辅助估计各个路段的拥塞程度指标,降低了通信拥塞检测的开销;采用周期性的拥塞通告转发与收集机制获知相邻道路的通信状态,同时结合数据包捎带机制,实现了在网络中快速而高效的拥塞状态信息发布;给出基于车流状况和拥塞程度的路由选择算法,能够避让发生通信拥塞的路段,降低通信拥塞对数据包递送的影响。城市道路中的车辆通信仿真表明CMGR协议的拥塞自适应机制具有较好的性能,当网络中由于负载增加而在局部区域出现通信拥塞时,能够检测出拥塞发生的路段进行及时避让,维持较高的数据包递送率和较小的端到端平均延迟。