网络开销通信网论文提纲

论文题目：Research on Routing Algorithms in Vehicular Mobile Opportunistic Network

摘要：随着通信技术的稳步发展,无线通信技术作为其中的一个重要分支,由于其接入方式方便快捷、可移动性强的特点,成为当下工程人员解决众多通信任务最普遍的方案。在城市交通应用方面,为了提供更加方便、安全、高效的交通网络系统,提高车辆与车辆间、车辆与路旁固态基础设施间的信息通信的稳定性和安全性,结合无线通信、互联网与交通系统等现代信息技术,智能交通系统由此诞生并得到了快速的发展与应用。智能交通系统应用无线通信传感网络等技术将车辆与城市交通道路旁的基础设施以及一些管控部门联成一个通信系统,实现交通网络中的车辆信息收集、处理和传递,实现交通系统的高效与有序运行。然而应用于通信运营商的无线电话通信网络由于其通信基站体积大、难以移动等因素并不适用于节点高速移动的智能交通系统。为了构建专属智能交通系统中的无线通信网,首先想到的是移动自组织网络,移动自组织网络将网络中每个可移动的终端节点赋予其转发信息的路由功能,可以实现在没有通信基础设施条件下进行组网通信,从而可以将移动自组织网络的设计思路应用于智能交通系统的网络建设中。车载自组织网络的思想源于移动自组织网络,是一种节点高速运动、多跳的、临时的、自治的、无中心的车间通信网络,是移动自组织网络的子类,在智能交通系统最初的建设中具有举足轻重的作用。车载自组织网络由于网络节点分布不均匀,城市地区高度集中,偏远地区分布稀疏,加上车辆的快速移动使得网络拓扑结构不规律的变化以及车辆节点的间断性连接,通信网络中不一定实时存在联通的通信路径,所以车载自组织网络也属于一种移动机会网络。移动机会网络（Mobile Opportunistic Network,MON）是由移动自组织网络（Mobile Ad-Hoc Network,MANET）和延迟/中断容忍网络（Delay/Disruption Tolerant Network,DTN）演变而来,具备二者的特征。移动机会网络顾名思义其网络中的节点不断地进行运动,这样增加了携带消息的节点与目的节点接触的机会,进而实现了在通信链路频繁断开等通信信道间歇性连接的网络条件下非实时的信息传输。移动机会网络通信应用了无线移动网络技术,该网络中的节点既充当主机又具有路由器功能,因此在组网时,无需借助传统的通信网络基础设施如基站等,将网络中的节点当做对等的对象来实现无线信息通信和数据传输。传统的延迟/中断容忍网络使用存储-携带-转发（Store-Carry-Forward）的路由方式完成数据传输。作为移动自组织网络和延迟/中断容忍网络的演变体,移动机会网络具有更广的业务范围,更适合于当下广泛使用的便携式移动智能设备的用户和装有智能传感设备的交通道具等使用短距离无线通信技术进行信息通信的场合。车载移动机会网络是将移动机会网络和车载自组织网络融合在一起产生的,主要应用于车载嵌入式系统进而组成智能交通系统的一种新型无线网络。车载自组织网络所面临的主要问题依旧是车辆的高速运动导致网络节点间通信链路断性连接,网络拓扑结构频繁割裂。为了处理车载移动机会网络节点的间断性连通和数据传输的高延时,车载移动机会网络同样采用“存储-携带-转发”的数据传输策略。嵌入车载移动机会网络的车辆在行驶时携带交通消息,每当车辆之间在通信范围内相遇或者进入路边基础设施服务范围内时,车辆之间、车辆与路边基础设施之间进行信息传递,从而很大程度上解决了车载移动机会网络中通信过程中高延时,机会性和不稳定性的难题。该领域的研究人员经过不断创新探索,提出了众多基于相遇历史信息和地理位置策略的路由协议,并在实际运用中证实了这些算法的可行性。车辆在固定的城市道路上行驶,因此交通道路固定的地理位置和道路形状使车辆的轨迹具有一定的规律,这也会在一定程度上增加车辆间彼此相遇的机会。在以上分析的基础上,本文的主要研究内容是设计车载移动机会网络中基于相遇历史信息与预测的地理位置路由协议,利用城市环境下交通道路固定的地理位置与形态使得车辆节点运动轨迹可预测的特点,预先预测车辆节点是否处于交叉路口,如果处于交叉路口则由路口节点判断信息接下来的传递方向,否则进入直行路段的信息投递模式,将消息传递到节点通信范围内距离目的节点最近的中继节点。通过预先判断车辆节点所处路段,可以使得消息投递时选择适合城市道路的最优传递路径,绕过传递过程中不必要的车辆节点,减少了传递过程的平均时延并提高综合路由性能。本文设计的路由算法主要分为解决城市交通道路的两种情况,直行路段和交叉路口路段。直行路段的路由依据主要根据距离衰减系数、链路稳定系数、相遇历史系数和方向权重系数这四个参数来综合选择下一跳中继节点。交叉路口路段时,当前节点会先判断该消息经过路口是否需要改变消息传递方向（左转或右转）,若需改变方向,则将信息首先传递给路口节点,再由路口节点决定具体往什么方向传递信息,否则将消息绕过路口节点,向前进行投递。本文的主要工作如下:.1)加入车辆相关系数对车辆节点所处的路段位置进行判断。本文中设计的路由算法中的每个车辆节点在初始阶段计算与在其通信范围内邻居车辆节点的相关系数来判断车辆自身是否位于交叉路口路段,将处于交叉路口的车辆作为路口节点。提前进行路段位置判断,有助于在城市环境中交通道路交叉路口处进行更高效的新消息传递。路口节点的主要作用是改变数据的传递方向。如果提前检测到源节点到目的节点需要经过交叉路口改变运动方向,则先将消息传递给路口节点,由路口节点对接下来消息的传递方向进行判断。2)加入历史相遇信息系数。在城市交通环境中,由于车辆在固定的道路上行驶,因此交通道路固定的地理位置和道路形状使车辆的轨迹具有一定的规律,这在一定程度上增加了特定区域内车辆间彼此相遇的机会。本文设计的路由算法在道路直行路段引入历史相遇信息系数,使得车辆在直行路段可以更加综合、快速、准确的选择下一跳中继节点。3)改进传递方向的判断方法。在现阶段有关车载移动机会网络路由算法的研究中,对于方向的判断大多是基于相对位置信息的方向系数,它的方向可以是任意方向的,并没有考虑到城市交通道路的形态路障等因素,在方向判断过程中会出现路由回传的现象。本文的方向权重系数更加适用于城市交通道路,可以快速、精准的进行方向以及该方向上权重大小的判断。方向权重系数决定了节点可靠性的符号和方向所占的权重大小,这两方面的因素可以保证在当前通信范围内进行消息传递的过程中,可以传输到距目的节点较近的区域,减少了消息投递中不必要的跳数,提高路由效率。为了验证本文设计的路由算法,对比仿真实验使用ONE仿真软件的开发平台进行模拟,选用ONE仿真平台默认的赫尔辛基市地图的一部分场景（5000m*5000m）作为本实验的地图场景。设定基于路线移动模型MapBasedMovement来产生车辆的运动轨迹,节点类型为电车共200辆,速度为30-60km/h,消息生存期为30-300min,仿真时间为43200秒（12小时）,节点缓存为5-40MB等参数来进行仿真实验。在上述相同仿真参数设定的提下,本文设计的GRPE（Geographical Routing Pro-tocol Based on Prediction and Encounter History）路由算法分别以消息生存时间和点缓存空间作为自变量,进一步分析路由算法对于消息成功投递概率、平均传输时延、路由负载这三个评价指标上的表现。对比实验把本文设计的GRPE路由算法,与解决城市交通道路情景下车载移动机会网络突破性算法GROOV（Geographic ROuting Over VANETs）、PGR（Prediction-based Geographic Routing）,经典的 DTN路由算法如传染（Epidemic）算法、喷射-等待（SprayAndWait）算法、Prophet算法进行对比。实验结果通过仿真和结果分析显示,当以消息生存时间为自变量时,GRPE算法在消息的传输成功率、消息平均传输时延两方面的综合表现优于其他路由算法,但在路由负载方面GRPE路由算法的开销是最大的,这与其路由判断过程中需要计算众多的影响系数有关;当以节点缓存空间作为自变量时,GRPE算法在消息的传输成功率可以达到六种算法中最高水平、消息平均传输时延较低,在路由负载方面开销较大。总体来看,本文设计的GRPE路由算法虽在路由负载方面表现差强人意,但其消息投递概率和平均时延表现优良。现如今路由设备硬件的不断发展,足以满足开销相对较大的路由策略,GRPE路由负载的表现依旧在可控范围,在一定程度上牺牲较低的路由负载换来较高的消息投递概率和低的平均传输时延是可以接受的。本文设计的GRPE路由算法加入历史相遇系数,根据历史相遇信息执行中继节点的选择,旨在提高消息输的准确性,提高消息投递成功率;基于预测的地理策略提前判断车辆节点的地理位置,旨在更加准确快速的改变消息的传输方向,缩短平均传输时延。极大程度上满足了城市环境道路特征以及快速变化的车辆移动机会网络,并提高路由性能。

关键词：车载自组织网络议;移动机会网络;相遇历史信息;地理位置信息;路由协议;

学科专业：电子与通信工程

Abstract

摘要

Acknowledgements

Chapter 1 Introduction

1.1 Research Background and Significance

1.2 Fundamental Notions of VMONET

1.2.1 Node Mobility Model of VMONET

1.2.2 The Architecture of VMONET

1.2.3 Data Transmission of VMONET

1.3 Typical Application of VMONET

1.4 Hot Issues and Application Prospects of the VMONET

1.5 The Main Work and Organization of the Thesis

Chapter 2 Literature Review

2.1 Overview of VMONET Routing Algorithms

2.1.1 Characteristics of the VMONET Routing Algorithms

2.1.2 Classification of the VMONET Routing Algorithms

2.1.3 Evaluation Index of the VMONET Routing Algorithms

2.2 VMONET Routing Algorithms in Urban Transportation

2.3 Chapter Summary

Chapter 3 Geographical Routing Protocol Based on Prediction and Encounter History

3.1 Beacon Message

3.2 Protocol for Straight Road Mode

3.2.1 Distance Attenuation Factor

3.2.2 Link Stability Factor

3.2.3 Encounter History Factor

3.2.4 Directional Weighting Factor

3.3 Protocol for Intersection Mode

3.4 The Overall Algorithm Forwarding Process

3.5 Chapter Summary

Chapter 4 Simulation Experiments and Analysis

4.1 ONE Simulation Platform

4.2 Simulation and Result Analysis of Routing Algorithm

4.2.1 Network Scenarios and Parameters

4.2.2 Package Delivery Probability Analysis

4.2.3 Average Delivery Latency Analysis

4.2.4 Routing Overhead Analysis

4.3 Chapter Summary

Chapter 5 Conclusion and the Future Work

5.1 Conclusion

5.2 Future Work

References