城市车辆网络中多网卡多信道分配与数据分发算法研究

来源 :北京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tina_19830101
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随着汽车工业的快速发展,以车辆作为网络节点的城市车辆网络(VANET)越来越受到学术界和工业界的青睐,如美国的ITS[1]、欧洲的CAR2CAR[2]和SVC[3]等。城市车辆网络作为移动自组织网络(MANET)的一个分支,具有其自身的一些特殊属性:车辆节点受限在道路上运动、节点运动具有高速性、移动可预测性和车辆网络拓扑的快速变化等;另外,车辆网络也具有一般无线自组织网络的共同特点:无线网卡半双工工作模式和无线频谱的干扰冲突,以及信号衰减。保证车辆网络上层应用对于网络的带宽和延迟的要求是城市车辆网络研究的主要目标。基于车辆网络的特点,如何利用多网卡多信道的优势以及选择数据分发的策略来提高网络带宽和减少延迟是本文的研究重点。  由于无线信号的干扰冲突和衰减,网络性能的提升受到很大限制。在移动自组织网络中,利用多块网卡,使用多个正交信道可以减少无线链路干扰冲突,提高网络传送的并行度,从而进一步提高网络的性能,充分利用无线频谱的时空多样性。因此,无线网络中进行多网卡多信道研究有重要的意义。针对车辆网络,本文提出了三个多网卡多信道分配算法:第一个是城市车辆网络的基于道路划分的静态多网卡多信道分配算法(mimc-road)[4]。该算法按照道路划分进行多信道分配,利用车辆限制在道路上移动的特点,将一个二维网络的多信道分配问题化简为以一维空间为主的多信道分配问题,并将基于动态网络链路的多信道分配问题转化为基于静态道路的信道划分问题。算法实现简单,对比现有的多信道算法fix-switch[5],能显著的提高吞吐量(throughput),并且减少端到端延迟。该算法的不足是需要为每个城市定制一张全局的道路信道分配表;针对这个问题,我们在mimc-road算法的基础上进一步抽象出了一个基于地理位置信息进行信道分配的多网卡多信道算法(mimc-location),该算法不需要全局的道路信道分配表,车辆只需要根据GPS模块提供的位置信息通过哈希(hash)函数将其位置映射到对应的信道上,网卡据此hash函数来确定自己的工作信道。为了充分利用多网卡多信道资源,我们进一步提出了基于信道发包率的动态多信道分配算法(mimc-chan-usage)。该算法基于节点在信道上的发包率,周期性计算各个信道的冲突率指标(用来指示信道冲突大小),当网卡目前所在信道冲突率指标大于信道切换门限值时,网卡选择切换到冲突小的信道上,以便充分利用可用信道资源。  在城市车辆网络中,数据分发是研究中的另一个重点。针对不同的上层应用数据分发可以分为广播分发和地域性组播分发(geocast)。结合前面的基于发包率的多信道分配算法,在现有数据分发算法的基础上,我们提出了基于广播的多网卡多信道分发算法(mimc-broadcast)和基于地理位置信息的多网卡多信道地域性组播分发算法(mimc-geocast)。这两个多信道数据分发算法利用多信道提供的资源综合考虑信道冲突和节点相对位置来选择能够稳定接收且能高效转发的下一跳转发(forward)节点。针对车辆网络的间歇连通性(DTN[6]),我们采用了大部分文献中提到的存储-转发(carry and forward)策略。  我们在网络模拟器ns2[7]上实现了以上多网卡多信道分配和数据分发算法,并考虑了网卡信道切换延迟和车辆网络间歇性连通特性。针对多信道分配算法我们设计了单个流节点静止和多个流节点运动的实验场景,并与现有算法fix-switch[5]和传统的单网卡单信道模式(SISC)进行对比分析,实验结果表明我们提出的多信道分配算法能够显著提高网络吞吐量并减少包的延迟;针对多信道广播算法,也设计了对应的模拟实验场景,并与传统的泛洪算法(flood)、基于概率的泛洪算法(flood-p)和多网卡多信道泛洪算法(mimc-flood)对比分析,实验结果表明我们提出的多信道数据分发算法能在提高包送达率,保证覆盖率的同时减少延迟,而且不会带来显著地算法开销,从而更好地满足上层应用需求。  
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