Research on Local Route Repair Algorithms in Vehicular Ad Hoc Network

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移动AdHoc网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET)是一种自组织、无中心化、无固定基础设备的网络,网络中的移动节点群间歇地接近其他节点的通信范围,与其他节点进行数据或信息的交换。车载网络是一种特殊类型的MANET,它利用处于通信范围内的车载单元和路侧单元(在车上或道路两侧的设备),将数据在车辆之间(vehicle to vehicle,V2V)或车辆与基础设备之间(Vehicle To Infrastructure,V2I)进行交换。由于车载网络环境的异构性,例如车辆速度随在不同时段的差异、车流量的变化和不同网络应用对车载网络在可靠性、服务质量等方面具有不同的网络需求,以及车载网络的高动态特性通常会导致路由不稳定,加上近年来出现的车载 Ad Hoc网络(VANETs)单播应用在互联网接入、内容、地图以及数据库下载等方面的不安全性,都要求车载网的协议具备高度稳定或快速恢复的能力,设计一种有效适用于车载网络并具备稳定路由特性的协议具有相当的挑战性。  现有研究中已有许多解决路由问题的协议,例如 AODV,DSR,DSDV,GPSR等路由协议已广为研究者所接受,其中 AODV是最广为研究的路由协议之一,但其他对该协议的改进在路由失效、路由维护或修复方面仍然没有一个解决方案,是近十多年来研究的热点问题。为应付频繁的路由失效的问题,传统的AODV路由协议要求节点检测线路故障,向源节点报错并释放已失效路由的所有资源,源节点在收到报错信息后将重新开始一个新的路由接连,这会产生很多额外的网络数据,导致很高的网络延时、数据丢失以及网络开销,为解决这些问题,已经提出了一些解决方案,其中部分是针对避免路由失效而另一部分是在路由失效后采取措施从故障中恢复。能量监测的方式在节点电量耗尽时切换到其他节点,对因节点死亡而引起的路由失效有一定作用,但还需要方法来进行恢复。这是因为车载网络和节点的不可预知性,比如一个节点可能完全背离给定的路由甚至因为某些不可预知的原因完全关闭。因此,为了处理这些路由失效问题,很多研究者采用了局部修复的方法,这种方法由一个中间节点检测到路由故障后在局部尝试修复该路由,而不是每一次都让源节点重新寻找路由。一些局部修复的策略已经被提出,包括一跳修复、两跳修复和目的节点修复。在一跳局部修复中,节点接收到数据并发现到目的地的路线已经断开,则针对断开连接的节点进行重连接修复。由于断开连接的节点可能是偏离了设定路由或已经关闭,因而无法重新连接,所以这种方法具有较高的不确定性。两跳局部修复以连接到已断开连接节点的下一跳邻居为目的,比一跳局部修复的效果更好,这是因为当一个节点的直接邻居失效后,其两跳邻居节点很有可能仍然可用并提供到达目的地的新路线。然而,如果处理不得当,二跳节点局部修复可能导致节点发送错误信息,例如节点在局部修复过程中,没有将整个路由的源节点作为源,而是将上一跳节点作为,那么这个节点最后就只会向修复节点发送反馈信息,而不会向整个路由的源节点发送,因此只有修复节点和目的节点之间的节点更新了如跳数等路由信息。如果节点向目的节点发送了一个路由修复请求,那么就像是一条新路由链路的建立请求并等待路由建立,在大多数机制中,如果这一步发生错误,修复节点会向源节点广播错误信息,并在有需要的情况下建立一条新的路由,这就增加了发生广播风暴与高丢包率的可能性。除了上述的路由失效的问题,在 AODV的实验中表明,由于无关节点发送的广播信息,接收信息产生的路由开销与发送的消息相比成指数增长,这个现象没有在现有文献中提到过。  为了缓解上述问题,我们提出了一种混合的修复方案,该方案将两跳局部修复与目的节点修复相结合。这种修复路由的方法首先做一次两跳局部修复的尝试,若修复成功,则继续传输数据,否则采用目的节点修复。为实现这一修复机制,首先需要对传统 AODV作的一些改变,即:在路由建立的过程中,路由表中需要记录两跳范围的路由区域。本文也在 AODV的反馈信息中嵌入了地址信息,邻居节点可以将该地址信息再发送给邻居的邻居的节点,以确定两跳范围的路由信息,这个过程在目的节点对源节点的反馈信息中来进行。本文还提出了在路由修复过程中用于建立路由的修复信息(Under Repair Message,RUR),这个消息是对所提出机制的一个要求,当中间节点初始化一个目的节点的局部修复时,他们需要向源节点发送一个单播的路由修复信息(RUR),用来建立上游路线。当源节点收到该消息后,就对修复时间进行估算,如果在修复时间之后仍未修复该线路,且该线路又是必须的,则源节点需要重新建立一条路径。在这种方式下,通常会产生的大量额外控制信息和路由广播消息得到减少,降低了广播风暴的可能性。此外,源可以减少被发送的数据的大小,以降低中间节点缓存区溢出的可能性以及节省带宽和能耗。本文实现了上述路由修复机制,为了与 AODV相区分,称之为混合修复的AODV机制(Hybrid Repair AODV,HR-AODV),NS2仿真运行在 Windows7系统下的virtual-box虚拟机中安装的32位操作系统Ubuntu3.25,实验结果表明,该机制在数据发送开销、丢包率以及包交付率等方面比传统 AODV协议平均优化了约10%的性能。虽然在上述方面的改善与AODV协议相比并不大,但该机制的主要改进在于数据接收的开销,在超过50个节点的网络中,该性能优化了约50%。
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