基于自編碼網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點篩選及其通達性路由構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明涉及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】 車聯(lián)網(wǎng)利用先進的傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新前沿技術(shù)，通過車與車、車與路邊基礎(chǔ) 設(shè)施以及車與用戶之間的信息傳輸，實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)間的實時交互。 車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)主要由車體域、物理空間域和信息空間域三部分組成。 (1) 車體域，主要由車內(nèi)各種傳感器和終端節(jié)點組成一個小型車體網(wǎng)絡(luò)，用來獲取車內(nèi) 信息和鄰近車輛的實時信息； (2) 物理空間域，主要由物理環(huán)境中的各種網(wǎng)絡(luò)組成，包括不同類型的路邊基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng) 絡(luò)、車體網(wǎng)以及移動通信網(wǎng)絡(luò)等； (3) 信息空間域，主要包括接入網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量、協(xié)議類型、網(wǎng)絡(luò)帶寬、終端 能力等。 傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)研究大部分只考慮車體域，而結(jié)合物理空間域、信息空間域的車聯(lián)網(wǎng)研 究才更具有實際意義。車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致了車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實現(xiàn)的困難，至今未出 現(xiàn)較為成功的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。 車聯(lián)網(wǎng)的目標和特性決定了車聯(lián)網(wǎng)是一個龐大、復(fù)雜、由不同的分層網(wǎng)絡(luò)組成的一個 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它的組成可能包含了感知網(wǎng)、無線網(wǎng)和接入網(wǎng)等多種基于不同協(xié)議和性能 及服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的獨立且不協(xié)調(diào)運行是影響車聯(lián)網(wǎng)通達性的根源之一。因此， 在新型車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)體系中，如何從整體角度出發(fā)，提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型及其計 算和分析方法，有效地分析在高動態(tài)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能，解決車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)通達性的 互連互通問題，是車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)進程演化理論模型所面臨的一個難點。 2. 1車聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)路由協(xié)議 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境是由無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和現(xiàn)實的道路情況相結(jié)合組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，需要考慮到 車輛狀態(tài)信息、移動軌跡以及移動模型，整體運行復(fù)雜。傳統(tǒng)的路由協(xié)議在一定程度上解決 了車聯(lián)網(wǎng)中部分問題，這些年研究人員也在其中取得了一定的成果，其研究內(nèi)容主要表現(xiàn) 在三類路由協(xié)議上，包括單播，地理組播和廣播路由 [1'2]。 1.單播路由 單播路由是將數(shù)據(jù)從一終端節(jié)點通過多跳或者攜帶轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)傳播到另一終端節(jié)點，源 節(jié)點與目的節(jié)點路徑上的所有節(jié)點需要具有迅速轉(zhuǎn)發(fā)信息的能力。單播路由一般可分為四 類：基于拓撲的路由、基于位置的路由、基于地圖的路由和基于路徑的路由。 (1)基于拓撲的路由 目的序列距離矢量路由（Destination-Sequenced Distance-Vector Routing, DSDV) [3]是基于Bellman-Ford算法的表驅(qū)動路由方案。DSDV中的路由信息通過不頻繁的完整路 由信息轉(zhuǎn)發(fā)和頻繁的增量路由信息轉(zhuǎn)發(fā)維持，DSDV通過在路由表中的每個條目加上一個序 列號解決了路由環(huán)路問題。 動態(tài)源路由協(xié)議M (Dynamic source routing protocol, DSR)是一個按需協(xié)議，它旨 在通過消除表驅(qū)動協(xié)議中的周期性的路由表更新消息來控制帶寬消耗。它與其它按需協(xié)議 最主要的區(qū)別是只需較少的Beacon包，因此不需要周期性的廣播心跳包來獲取鄰居信息。 在路由建立時，DSR是通過在網(wǎng)絡(luò)中洪泛路由請求包，DSR需要累計在路由發(fā)現(xiàn)過程中源、 目的地之間的每個設(shè)備的地址，目的節(jié)點接收到請求包后響應(yīng)，并將路徑信息附在響應(yīng)包 中。 Ad-hoc按需距離矢量路由（AODV)是一個基于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的單播路由協(xié)議。AODV的 路由過程分為路由請求、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護部分。只有當?shù)竭_某目的節(jié)點的路由不存在 時才會激活該協(xié)議發(fā)起路由請求，并且在每一個節(jié)點維護一個包含到達目的節(jié)點路由信息 的路由表，其中也通過使用節(jié)點序列號機制避免環(huán)路產(chǎn)生 [5]。路由發(fā)現(xiàn)過程如圖1所示。 1) 源節(jié)點廣播路由請求幀（RREQ); 2) 中間節(jié)點更新各自到源節(jié)點的路由表； 3) 如果收到RREQ的節(jié)點不是目的節(jié)點，并且當前節(jié)點路由表中沒有目的節(jié)點的有效 路徑時，轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ ; 4) 中間節(jié)點維護指向路由發(fā)起節(jié)點（源節(jié)點）的反向路由； 5) 若到達目的節(jié)點，或者當前節(jié)點路由表中存在到目的節(jié)點的有效路徑時，停止轉(zhuǎn)發(fā) RREQ，產(chǎn)生路由應(yīng)答幀（RREP); 6) RREP通過之前建立的反向節(jié)點單播至源節(jié)點； 7) 源節(jié)點收到RREP應(yīng)答幀，至此源節(jié)點可以向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。 路由維護過程是通過活躍路由鏈路監(jiān)測幀（HELLO)定時監(jiān)測活躍路徑上相鄰節(jié)點的 鏈接狀況，若某一鏈路失效，則發(fā)起一次指向該鄰居節(jié)點的局部修復(fù)，若局部修復(fù)超時，則 刪除該失效路徑上相應(yīng)的路由信息，等到路由發(fā)現(xiàn)過程再重新修復(fù)此路由信息 [6]。 (2) 基于位置的路由 GPCRm (Greedy Perimeter Coordinator Routing)沿著道路并根據(jù)車輛運動來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù) 據(jù)包。所有數(shù)據(jù)包的首要任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)到下一個連接節(jié)點再來確定下一跳，然而，GPCR無法 完全解決局域最大值問題。 針對移動自組織網(wǎng)絡(luò)，Karp和Kung提出了高效的響應(yīng)式路由協(xié)議GPSRm (Greedy Perimeter Stateless Routing)。不同于其他路由算法，GPSR使用圖中最短路徑和傳遞可 達性概念尋找路線，通過尋找地理位置與連通性之間的對應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合節(jié)點的位置信息 來轉(zhuǎn)發(fā)消息。GPSR采用貪婪方法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此信息轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳節(jié)點總是逐步接近目 的地。當在局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的這種貪婪路徑不存在時，此網(wǎng)絡(luò)區(qū)域被稱為網(wǎng)絡(luò)空洞，GPSR開 啟周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式，利用右手法則沿空洞周圍節(jié)點傳輸信息來跳出空洞。在GPSR的基礎(chǔ)上， Fabrizio Granelli結(jié)合車輛移動感知提出了增強GPSR路由協(xié)議--GPSR-Mm，它可以充 分利用節(jié)點的運動信息，如位置、速度等，從而提高了決定下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的效率。 (3) 基于地圖的路由 GSR[1°] (Geographic Source Routing)是最早被提出的基于地圖的路由協(xié)議。GSR根據(jù) 地圖上的坐標位置信息而計算出的轉(zhuǎn)發(fā)路徑來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，但當?shù)缆飞宪囕v密度很低時， 不能處理稀疏連接問題。 Nzouonta 等人提出了 RBVT[n] (road-based using vehicular traffic)路由協(xié)議。它 利用實時交通流信息來作為構(gòu)建路由的依據(jù)，針對擁塞的網(wǎng)絡(luò)，RBVT通過分析多重優(yōu)化函 數(shù)并利用基于目的節(jié)點位置的分布式方法選擇下一條節(jié)點來優(yōu)化了消息傳播的路徑選擇。 (4)基于路徑的路由 乂八00[12]是單播路由中基于路徑的一種協(xié)議。VADD采用了攜帶轉(zhuǎn)發(fā)機制，并充分利用 了節(jié)點的移動特性，并估計節(jié)點下一跳可能產(chǎn)生的傳輸延遲和信息送達率，來選擇下一條 節(jié)點。Zhao基于位置優(yōu)先、方向優(yōu)先和位置、方向混合式三種方法分別提出了 L-VADD、D_ VADD、H-VADD路由協(xié)議。如圖2所示，車輛A欲向車輛D發(fā)送信息，此時，采用L-VADD則將 消息轉(zhuǎn)發(fā)給了 B，而方向優(yōu)先和位置、方向混合式則將消息轉(zhuǎn)發(fā)給C。可以明顯看出，只通過 位置優(yōu)先發(fā)送將導(dǎo)致信息無法到達目的地，而通過實驗驗證了采用方向混合式方法具有更 高的效率。 2. 組播路由[13] 組播路由是一種基于位置的多播路由。其目的是從源節(jié)點將數(shù)據(jù)包傳送到一個指定的 地理區(qū)域中的所有節(jié)點，這個區(qū)域稱為關(guān)聯(lián)區(qū)（Zone of ReleVanCe，ZOR)，它適用于很多車 聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。Bachir和Benslimane提出了一個車間組播路由協(xié)議IVG(Inter-Vehicles Geocast) [14]。在高速公路環(huán)境中，IVG利用延遲時間算法將廣播報警信息及時發(fā)送給所有 處在危險區(qū)域之中車輛。MaihSIbr和Eberhardt [15]提出了在組播轉(zhuǎn)發(fā)方案中增加緩存的 路由協(xié)議Cached Geocast，從而提高選擇鄰居節(jié)點的處理速度。其主要思想是當由于存 在局部最優(yōu)的問題導(dǎo)致節(jié)點不能轉(zhuǎn)發(fā)信息時，在路由層增加一個小的緩存來保存這些數(shù)據(jù) 包。Joshi等人 [16]提出了一種針對車輛間通信的分布式魯棒組播協(xié)議（DRG)，它的目標是 將數(shù)據(jù)包傳送到位于特定的靜態(tài)地理區(qū)域的車輛，車輛對消息的轉(zhuǎn)發(fā)完全取決于它所在的 位置。 3. 廣播路由[17] 車聯(lián)網(wǎng)中廣播是一種常用的路由方法，如共享交通、天氣、緊急狀態(tài)、車輛之間的道 路信息，并可以提供廣告和公告。廣播也可用于單播路由協(xié)議（路由發(fā)現(xiàn)階段），以找到 一個有效的到達目的地的路線。Durresi等人 [18]提出了基于地理位置的緊急廣播協(xié)議 BROADCOMM。BR0ADC0MM通過傳感器實時采集周邊信息，一旦發(fā)現(xiàn)緊急情況即開始廣播消息， 能及時的將道路上的緊急信息傳播出去，實驗驗證該協(xié)議在傳播延遲和路由開銷方面比傳 統(tǒng)的廣播路由有一定的優(yōu)勢，但它基于地理位置路由信息并只適用于高速公路場景。城市 多跳廣播協(xié)議（UMB) [19]是為了解決廣播風(fēng)暴、隱藏節(jié)點和市區(qū)多跳廣播的可靠性問題而提 出的。在UMB中，每個節(jié)點廣播信息時盡可能將消息傳播到最遠的車輛，當遇上十字路口 時，由路口的中繼器重新計算并初始化新的廣播，該路由協(xié)議在一定程度上提高了消息傳 播效率。 一般情況下，在單播協(xié)議中，基于地圖和基于路徑的路由協(xié)議，因為考慮了地圖信息與 實時交通流，所以比其他單播路由協(xié)議更加有效和實用。組播和廣播路由在特定的環(huán)境下 也是被大量應(yīng)用的。然而，路由協(xié)議的性能很大程度上依賴于車輛移動模式、行駛環(huán)境、網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境、車輛密度和許多其他因素。因此，實現(xiàn)一個對所有車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景通用的路由解決 方案是非常困難的，傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)路由若需要實際應(yīng)用還需要很多問題亟待解決。 2. 2車聯(lián)網(wǎng)混合路由協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和信道接入技術(shù)對車聯(lián)網(wǎng)有著很大影響。V2V(Vehicle to Vehicle) 通常使用IEEE802. Ilp作為物理層和MC層協(xié)議，而V2I (Vehicle to Infrastructure) 可米用 WiFi、專用短程通信技術(shù)（Dedicated Short Range Communications，DSRC)、 WiMX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)和 LTEd 由于每種接入技術(shù) 都有限制，混合使用反而對V2I和V2V通信更有幫助。 文獻首次將WiMX技術(shù)應(yīng)用于車輛通信網(wǎng)絡(luò)，為車輛及其用戶進行車載移動寬帶 無線接入。在2006年，Sherman[22]等人擴展了 IEEE 802. 16標準以方便移動自組織mesh網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議可以與WiMAX的交互操作。這是第一次將兩個異構(gòu)系統(tǒng)合并來擴展WiMAX協(xié)議，并 讓車載應(yīng)用程序中使用來提供互聯(lián)網(wǎng)接入。文獻 [23]針對垂直切換技術(shù)普遍不能支持WAVE、 WiMAX和3G間的垂直切換這一問題，提出了一種基于貝葉斯決策的垂直切換算法，仿真實 驗結(jié)果表明，該算法不僅有效地實現(xiàn)WAVE、WiMAX和3G無線接入技術(shù)之間的垂直切換，而 且避免了乒乓效應(yīng)，保證了網(wǎng)絡(luò)及時更新。Doyle等人 [24]給出了為車輛提供互聯(lián)網(wǎng)接入的 WiMAX和DSRC整合網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計（如圖3所示）。通過分析了純WAVE和純WiMAX的固有缺 陷和優(yōu)勢，取長補短，提出了一種混合解決方案，不僅利用了 WiMAX的距離優(yōu)勢進行長距離 通信，也利用了 DSRC的短距離內(nèi)創(chuàng)建的便捷性。 文獻[25]提出了 WiMX與WAVE新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的車載移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。車車通信采用 WAVE來實現(xiàn)，車與RSU通信采用WiMX實現(xiàn)。文獻[26]提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自 適應(yīng)導(dǎo)航方法，采用WiMX多跳中繼網(wǎng)絡(luò)用于V2V通信，以提高車輛間通信的可靠性和有效 性。文獻 [27]對比研究了 V2I使用W