城市場(chǎng)景下的車載無線路由協(xié)議：挑戰(zhàn)、創(chuàng)新與展望一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的顯著提高，汽車產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。汽車保有量呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，在為人們的出行和貨物運(yùn)輸帶來極大便利的同時(shí)，也引發(fā)了一系列嚴(yán)峻的交通問題，其中交通擁堵問題尤為突出。在眾多大城市，早晚高峰時(shí)段道路上車輛擁堵的場(chǎng)景屢見不鮮，車輛行駛速度緩慢，甚至停滯不前。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一些特大城市，居民每天花費(fèi)在上下班通勤路上的時(shí)間因交通擁堵而大幅增加，平均通勤時(shí)間可達(dá)1-2小時(shí)，這不僅浪費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，還增加了人們的出行成本。以北京為例，2023年的交通擁堵指數(shù)顯示，在高峰時(shí)段，中心城區(qū)的部分主干道車速甚至低于每小時(shí)15公里，嚴(yán)重影響了城市的運(yùn)行效率。交通擁堵還導(dǎo)致了能源的大量浪費(fèi)和環(huán)境污染的加劇。車輛在擁堵狀態(tài)下頻繁啟停，發(fā)動(dòng)機(jī)處于低效運(yùn)行狀態(tài)，燃油消耗大幅增加。據(jù)研究表明，交通擁堵狀態(tài)下的汽車燃油消耗相比正常行駛狀態(tài)可增加30%-50%。同時(shí)，汽車尾氣排放中的有害物質(zhì)如一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸锏纫蚕鄳?yīng)增多，對(duì)空氣質(zhì)量造成了嚴(yán)重污染，危害著人們的身體健康。為了解決交通擁堵等問題，智能交通系統(tǒng)（ITS）應(yīng)運(yùn)而生。車載自組網(wǎng)（VehicularAd-HocNetwork，VANET）作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，近年來成為了研究的熱點(diǎn)。車載自組網(wǎng)是一種特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，它允許車輛之間（V2V）以及車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間（V2I）進(jìn)行直接通信，無需依賴固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施。通過這種通信方式，車輛可以實(shí)時(shí)獲取周圍車輛的速度、位置、行駛方向等信息，以及路邊基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)布的交通路況、交通信號(hào)燈狀態(tài)等信息。在車載自組網(wǎng)中，路由協(xié)議起著至關(guān)重要的作用。路由協(xié)議負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間選擇最佳的路徑，以確保數(shù)據(jù)包能夠高效、可靠地傳輸。在城市場(chǎng)景下，由于車流量大、道路環(huán)境復(fù)雜（如高樓大廈林立、存在大量的交通信號(hào)燈和交叉路口等），車載自組網(wǎng)面臨著諸多挑戰(zhàn)，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化頻繁、信號(hào)干擾嚴(yán)重、通信鏈路不穩(wěn)定等。這就要求車載無線路由協(xié)議具備高效的路由選擇能力、快速的拓?fù)渥兓m應(yīng)能力和良好的抗干擾性能，以滿足城市場(chǎng)景下車輛通信的需求。研究城市場(chǎng)景下車載無線路由協(xié)議具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從交通安全角度來看，高效的路由協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)車輛之間的實(shí)時(shí)信息共享，如前方道路事故、障礙物等信息能夠及時(shí)傳遞給后方車輛，使駕駛員有足夠的時(shí)間做出反應(yīng)，從而有效避免交通事故的發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，若車輛之間的信息傳遞時(shí)間能夠縮短1秒，在高速公路上可減少約30%的追尾事故。從交通效率方面考慮，通過路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)的智能交通調(diào)度和路徑規(guī)劃，可以引導(dǎo)車輛避開擁堵路段，選擇最優(yōu)行駛路線，從而提高道路的通行能力，緩解交通擁堵狀況。例如，在一些試點(diǎn)城市應(yīng)用智能交通調(diào)度系統(tǒng)后，道路平均通行速度提高了15%-20%，交通擁堵指數(shù)顯著下降。此外，對(duì)于智能交通系統(tǒng)的發(fā)展而言，車載無線路由協(xié)議的研究成果將為其提供關(guān)鍵的技術(shù)支持，推動(dòng)智能交通系統(tǒng)向更加智能化、高效化的方向發(fā)展，提升整個(gè)城市交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量，為人們創(chuàng)造更加便捷、安全、舒適的出行環(huán)境。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在車載無線路由協(xié)議的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)和學(xué)者都投入了大量精力，取得了一系列具有重要價(jià)值的研究成果。國(guó)外方面，早期就對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）路由協(xié)議進(jìn)行了深入研究，這些成果為車載自組網(wǎng)（VANET）路由協(xié)議的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。例如，AODV（Ad-HocOn-DemandDistanceVectorRouting）協(xié)議作為一種經(jīng)典的按需距離矢量路由協(xié)議，在MANET中得到了廣泛應(yīng)用。其工作原理是當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)且不存在到目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。通過廣播路由請(qǐng)求（RREQ）消息，中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，若不是目的節(jié)點(diǎn)且沒有到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，則會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該消息，直到RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或擁有到目的節(jié)點(diǎn)有效路由的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，會(huì)單播路由回復(fù)（RREP）消息給源節(jié)點(diǎn)，從而建立起源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。在車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，AODV協(xié)議也被嘗試應(yīng)用，但由于車載網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)性，車輛的快速移動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化，AODV協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)過程中面臨較大挑戰(zhàn)，頻繁的路由重建會(huì)增加通信延遲和開銷。DSR（DynamicSourceRouting）協(xié)議即動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議，采用源路由方式，源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)將完整的路由信息包含在數(shù)據(jù)包頭部。在路由發(fā)現(xiàn)階段，源節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求分組，每個(gè)收到請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)會(huì)檢查自己是否是目的節(jié)點(diǎn)或是否知道到目的節(jié)點(diǎn)的路由。如果是，則向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由回復(fù)分組；否則，將自己的地址添加到請(qǐng)求分組中并繼續(xù)廣播。DSR協(xié)議不需要周期性地發(fā)送路由更新消息，能減少網(wǎng)絡(luò)開銷，但在車載自組網(wǎng)中，由于車輛移動(dòng)導(dǎo)致的鏈路頻繁中斷，源路由信息可能很快失效，需要頻繁進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，同樣會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸效率。隨著對(duì)車載自組網(wǎng)研究的深入，國(guó)外學(xué)者針對(duì)城市場(chǎng)景的特點(diǎn)提出了一些專門的路由協(xié)議。比如，GPSR（GreedyPerimeterStatelessRouting）協(xié)議是一種基于地理位置的路由協(xié)議，它利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在GPSR協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)通過GPS獲取自身位置信息，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略，即選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳。當(dāng)遇到局部最優(yōu)問題（即沒有比當(dāng)前節(jié)點(diǎn)更接近目的節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)）時(shí)，采用周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略，沿著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹苓呣D(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。在城市場(chǎng)景下，高樓大廈等障礙物會(huì)對(duì)信號(hào)傳播產(chǎn)生影響，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的地理位置信息不能完全準(zhǔn)確反映通信鏈路的質(zhì)量，從而影響GPSR協(xié)議的性能。國(guó)內(nèi)在車載無線路由協(xié)議研究方面也取得了顯著進(jìn)展。許多高校和科研機(jī)構(gòu)針對(duì)國(guó)內(nèi)復(fù)雜的城市交通環(huán)境開展了相關(guān)研究。有學(xué)者提出了基于交通流量預(yù)測(cè)的路由協(xié)議，該協(xié)議利用歷史交通數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集的交通信息，通過數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)模型，對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)的交通流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。在路由選擇過程中，將交通流量作為一個(gè)重要因素考慮，避免選擇交通擁堵路段上的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。例如，通過對(duì)城市主要道路的交通流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立交通流量預(yù)測(cè)模型，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同時(shí)間段、不同路段的交通流量情況，為路由協(xié)議的優(yōu)化提供了有力支持。還有研究致力于改進(jìn)傳統(tǒng)路由協(xié)議以適應(yīng)城市場(chǎng)景。在AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過引入鏈路穩(wěn)定性評(píng)估機(jī)制來優(yōu)化路由選擇。該機(jī)制通過監(jiān)測(cè)鏈路的信號(hào)強(qiáng)度、數(shù)據(jù)包丟失率等參數(shù)，實(shí)時(shí)評(píng)估鏈路的穩(wěn)定性。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)時(shí)，優(yōu)先選擇鏈路穩(wěn)定性高的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少因鏈路中斷導(dǎo)致的路由重建次數(shù)，提高通信的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，通過在城市場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，與傳統(tǒng)AODV協(xié)議相比，改進(jìn)后的協(xié)議在數(shù)據(jù)包投遞率、傳輸延遲等性能指標(biāo)上有了明顯提升。此外，國(guó)內(nèi)也在積極探索融合多種技術(shù)的車載無線路由協(xié)議。例如，將區(qū)塊鏈技術(shù)與車載路由協(xié)議相結(jié)合，利用區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改等特性，提高車載網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院托湃味?。在這種融合協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)之間的通信信息被記錄在區(qū)塊鏈上，通過共識(shí)機(jī)制保證數(shù)據(jù)的一致性和真實(shí)性，有效防止了數(shù)據(jù)被篡改和偽造，增強(qiáng)了車載網(wǎng)絡(luò)在城市場(chǎng)景下的安全性和可靠性，為智能交通系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了新的解決方案。國(guó)內(nèi)外在車載無線路由協(xié)議方面的研究不斷深入，針對(duì)城市場(chǎng)景的特點(diǎn)提出了多種協(xié)議和改進(jìn)方案，但由于城市場(chǎng)景的復(fù)雜性，現(xiàn)有的路由協(xié)議仍存在一些不足之處，有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。1.3研究目標(biāo)與方法本研究的核心目標(biāo)是針對(duì)城市場(chǎng)景下復(fù)雜的交通環(huán)境和通信需求，深入剖析現(xiàn)有車載無線路由協(xié)議的不足，通過理論研究、算法改進(jìn)和仿真驗(yàn)證等手段，設(shè)計(jì)出一種性能更優(yōu)的車載無線路由協(xié)議，顯著提升數(shù)據(jù)包投遞率，有效降低傳輸延遲和路由開銷，增強(qiáng)協(xié)議在城市場(chǎng)景中的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，為智能交通系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。在研究過程中，將綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究的全面性和深入性。首先是文獻(xiàn)研究法，通過廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)期刊、會(huì)議論文、研究報(bào)告等文獻(xiàn)資料，全面了解車載無線路由協(xié)議的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及面臨的主要問題。對(duì)經(jīng)典路由協(xié)議如AODV、DSR、GPSR等的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行深入分析，總結(jié)其在城市場(chǎng)景下的優(yōu)勢(shì)與局限性，為后續(xù)的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。理論分析法也是重要的研究方法之一。從網(wǎng)絡(luò)通信原理、路由算法理論等方面入手，深入研究車載自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化規(guī)律、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型、通信鏈路的穩(wěn)定性等。通過數(shù)學(xué)建模和理論推導(dǎo)，分析路由協(xié)議在不同場(chǎng)景下的性能指標(biāo)，如數(shù)據(jù)包投遞率、傳輸延遲、路由開銷等與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的關(guān)系，為協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。例如，運(yùn)用排隊(duì)論分析數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中的等待時(shí)間，從而評(píng)估傳輸延遲；利用圖論方法研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)路由選擇的影響。仿真實(shí)驗(yàn)法同樣不可或缺。采用專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，如NS-3、OMNeT++等，搭建逼真的城市場(chǎng)景車載自組網(wǎng)仿真模型。在仿真模型中，設(shè)置多樣化的參數(shù)，如不同的道路布局（包括主干道、次干道、支路等）、車流量密度（從低流量的郊區(qū)場(chǎng)景到高流量的市中心場(chǎng)景）、車輛速度分布（模擬不同路段的限速和實(shí)際行駛速度）以及障礙物分布（如高樓大廈、山體等對(duì)信號(hào)的遮擋）等，模擬真實(shí)城市場(chǎng)景下的復(fù)雜情況。對(duì)現(xiàn)有路由協(xié)議和改進(jìn)后的路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，收集并分析仿真數(shù)據(jù)，評(píng)估協(xié)議的性能表現(xiàn)，驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性和優(yōu)越性。通過仿真實(shí)驗(yàn)，可以快速、高效地測(cè)試不同協(xié)議在各種場(chǎng)景下的性能，避免在實(shí)際場(chǎng)景中進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)所帶來的高昂成本和時(shí)間消耗。二、城市場(chǎng)景下車載網(wǎng)絡(luò)及路由協(xié)議概述2.1車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）介紹車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VehicularAd-HocNetwork，VANET）是一種特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，它是傳統(tǒng)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）在交通道路領(lǐng)域的具體應(yīng)用。VANET主要由車輛節(jié)點(diǎn)和路邊基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)組成，車輛節(jié)點(diǎn)即行駛在道路上的各類汽車，它們配備了無線通信設(shè)備和全球定位系統(tǒng)（GPS）等，具備計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力；路邊基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)則包括路邊單元（RoadSideUnit，RSU），如安裝在道路兩旁的基站、交通信號(hào)燈等，這些節(jié)點(diǎn)能夠?yàn)檐囕v提供信息服務(wù)，并協(xié)助車輛之間進(jìn)行通信。VANET的通信模式主要包括車輛到車輛（Vehicle-to-Vehicle，V2V）通信、車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）通信以及車輛到行人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）通信。在V2V通信模式下，車輛之間可以直接交換信息，例如前車可以將自己的速度、剎車狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)發(fā)送給后車，后車根據(jù)這些信息及時(shí)調(diào)整行駛狀態(tài)，避免追尾事故的發(fā)生。在一條高速公路上，當(dāng)車輛A檢測(cè)到前方突發(fā)事故并緊急剎車時(shí)，它可以通過V2V通信迅速將剎車信息發(fā)送給后方的車輛B、C等，車輛B、C等接收到信息后，提前做好減速準(zhǔn)備，從而有效避免連環(huán)追尾事故的發(fā)生。V2I通信模式使得車輛能夠與路邊基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行信息交互。車輛可以從路邊的交通信號(hào)燈獲取信號(hào)燈狀態(tài)信息，提前規(guī)劃行駛速度，實(shí)現(xiàn)“綠波通行”，提高道路通行效率；還能從路邊的RSU獲取實(shí)時(shí)路況、停車場(chǎng)空位信息等。在城市中，車輛通過V2I通信與路邊的智能停車系統(tǒng)連接，獲取附近停車場(chǎng)的空位數(shù)量、位置和收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等信息，快速找到合適的停車位，減少在道路上尋找停車位的時(shí)間，緩解交通擁堵。V2P通信模式則保障了車輛與行人之間的通信。行人可以通過手持設(shè)備（如手機(jī)）與車輛進(jìn)行通信，向車輛發(fā)送自己的位置和行走方向等信息，車輛在行駛過程中能夠及時(shí)感知到行人的存在，避免碰撞行人。在學(xué)校門口附近，學(xué)生可以通過手機(jī)將自己的位置信息發(fā)送給附近行駛的車輛，車輛接收到信息后，提前減速避讓，保障學(xué)生的出行安全。VANET具有一系列獨(dú)特的特點(diǎn)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化頻繁，由于車輛的高速移動(dòng)，車輛之間的相對(duì)位置不斷改變，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)刻處于變化之中。在早晚高峰時(shí)段的城市主干道上，車流量大且車輛行駛速度不一，車輛之間的距離和相對(duì)位置頻繁變動(dòng)，使得VANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定。信號(hào)干擾嚴(yán)重也是VANET面臨的問題，城市場(chǎng)景中存在大量的建筑物、金屬物體等，這些都會(huì)對(duì)無線信號(hào)的傳播產(chǎn)生反射、折射和遮擋等影響，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，通信可靠性降低。在高樓林立的城市中心區(qū)域，車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信信號(hào)容易受到建筑物的阻擋而減弱或中斷，影響信息的傳輸。此外，VANET還存在通信鏈路不穩(wěn)定的情況，車輛的快速移動(dòng)會(huì)使通信鏈路的質(zhì)量隨時(shí)間變化，可能導(dǎo)致鏈路中斷。當(dāng)車輛在行駛過程中經(jīng)過隧道或橋梁時(shí)，信號(hào)容易受到隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)或橋梁建筑的影響，使通信鏈路出現(xiàn)短暫中斷，影響數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。在智能交通系統(tǒng)中，VANET占據(jù)著核心地位。它是實(shí)現(xiàn)智能交通管理的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過車輛之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的實(shí)時(shí)通信，交通管理部門可以實(shí)時(shí)獲取交通流量、車輛行駛速度等信息，從而對(duì)交通進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，提高道路的通行能力。在某些大城市的智能交通試點(diǎn)區(qū)域，通過VANET技術(shù)實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)燈的智能控制，根據(jù)實(shí)時(shí)交通流量動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)燈的時(shí)長(zhǎng)，使道路平均通行效率提高了15%-20%。VANET在交通安全領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，通過車輛間的信息共享，能夠及時(shí)預(yù)警潛在的危險(xiǎn)，如前方事故、道路結(jié)冰等，幫助駕駛員提前采取措施，降低交通事故的發(fā)生率。相關(guān)研究表明，若車輛能夠提前1-2秒獲取危險(xiǎn)預(yù)警信息，交通事故的發(fā)生率可降低30%-50%。同時(shí)，VANET還為車載娛樂和信息服務(wù)提供了支持，使乘客在車內(nèi)能夠享受實(shí)時(shí)資訊、在線音樂、視頻播放等服務(wù)，提升出行的舒適性和趣味性。2.2車載無線路由協(xié)議基礎(chǔ)路由協(xié)議在車載網(wǎng)絡(luò)中扮演著核心角色，是實(shí)現(xiàn)高效通信的關(guān)鍵要素。其主要職責(zé)是在車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）的眾多節(jié)點(diǎn)之間，依據(jù)特定的算法和規(guī)則，探尋出最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸路徑，確保數(shù)據(jù)包能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地從源節(jié)點(diǎn)抵達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在車載網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議的工作過程涉及多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，首先需要確定目的節(jié)點(diǎn)的位置或標(biāo)識(shí)。然后，根據(jù)所采用的路由協(xié)議，通過與相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ⒐?jié)點(diǎn)位置信息、鏈路狀態(tài)信息等?；谶@些收集到的信息，路由協(xié)議運(yùn)用相應(yīng)的算法計(jì)算出從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)包會(huì)沿著計(jì)算出的路徑逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。以緊急剎車預(yù)警信息的傳輸為例，當(dāng)車輛A緊急剎車時(shí)，它作為源節(jié)點(diǎn)需要將剎車信息快速發(fā)送給后方一定范圍內(nèi)的車輛。此時(shí)，路由協(xié)議會(huì)迅速計(jì)算出從車輛A到后方車輛的最佳傳輸路徑。如果車輛B和車輛C位于這條路徑上，它們將依次轉(zhuǎn)發(fā)該剎車信息，使后方車輛能夠及時(shí)接收到預(yù)警，提前做好減速準(zhǔn)備，避免追尾事故的發(fā)生。這一過程充分體現(xiàn)了路由協(xié)議在保障車載網(wǎng)絡(luò)通信及時(shí)性和準(zhǔn)確性方面的重要作用，對(duì)于提高交通安全具有至關(guān)重要的意義。常見的車載無線路由協(xié)議依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可劃分為多種類型。按照路由選擇的依據(jù)，可分為基于地理位置的路由協(xié)議、基于跳數(shù)的路由協(xié)議、基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議、基于移動(dòng)預(yù)測(cè)的路由協(xié)議以及基于路側(cè)單元的路由協(xié)議等?；诘乩砦恢玫穆酚蓞f(xié)議，如GPSR（GreedyPerimeterStatelessRouting）協(xié)議，主要借助全球定位系統(tǒng)（GPS）獲取的節(jié)點(diǎn)地理位置信息來進(jìn)行路由決策。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略，優(yōu)先選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳。當(dāng)遇到局部最優(yōu)問題，即沒有比當(dāng)前節(jié)點(diǎn)更接近目的節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，切換到周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略，沿著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹苓呣D(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。在城市道路中，車輛可以利用自身的GPS定位信息，將數(shù)據(jù)包逐跳轉(zhuǎn)發(fā)給距離目標(biāo)車輛更近的車輛，從而實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。基于跳數(shù)的路由協(xié)議，例如傳統(tǒng)的距離矢量路由協(xié)議，以跳數(shù)作為衡量路徑優(yōu)劣的主要指標(biāo)。源節(jié)點(diǎn)在選擇路由時(shí)，傾向于選擇跳數(shù)最少的路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)簡(jiǎn)單的車載網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，若源節(jié)點(diǎn)S要將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)D，存在兩條路徑：路徑1經(jīng)過節(jié)點(diǎn)A、B，跳數(shù)為3；路徑2經(jīng)過節(jié)點(diǎn)C、D，跳數(shù)為2?；谔鴶?shù)的路由協(xié)議會(huì)選擇路徑2，因?yàn)樗奶鴶?shù)更少，被認(rèn)為是更優(yōu)的路徑。然而，這種協(xié)議只考慮跳數(shù)，忽略了鏈路質(zhì)量、帶寬等其他重要因素，在實(shí)際復(fù)雜的車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可能無法提供最佳的路由選擇?；谕?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，像OLSR（OptimizedLinkStateRoutingProtocol）協(xié)議，通過構(gòu)建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行路由選擇。節(jié)點(diǎn)定期交換鏈路狀態(tài)信息，以掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淝闆r。在計(jì)算路由時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，運(yùn)用最短路徑算法（如Dijkstra算法）找到從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。在大規(guī)模車載網(wǎng)絡(luò)中，OLSR協(xié)議能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的鏈路狀態(tài)變化，及時(shí)更新拓?fù)湫畔?，為?shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定的路由支持。但由于需要頻繁交換鏈路狀態(tài)信息，會(huì)產(chǎn)生較大的控制開銷，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁的車載環(huán)境中，可能會(huì)影響協(xié)議的性能。基于移動(dòng)預(yù)測(cè)的路由協(xié)議則通過對(duì)車輛的移動(dòng)軌跡、速度、方向等信息進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，提前規(guī)劃路由。該協(xié)議能夠根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，選擇在未來一段時(shí)間內(nèi)鏈路穩(wěn)定性較高的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如，通過對(duì)車輛歷史行駛數(shù)據(jù)的分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測(cè)車輛在不同時(shí)間段的行駛路線。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果選擇在未來一段時(shí)間內(nèi)車輛移動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的路徑，減少因車輛快速移動(dòng)導(dǎo)致的鏈路中斷和路由重建次數(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托省５@種協(xié)議對(duì)移動(dòng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性要求較高，若預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致選擇的路由不理想，影響通信質(zhì)量。基于路側(cè)單元的路由協(xié)議，充分利用路邊基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)（RSU）來輔助路由選擇。RSU可以收集周圍車輛的信息，并與其他RSU進(jìn)行信息交互，從而獲取更廣泛的網(wǎng)絡(luò)信息。車輛在進(jìn)行路由決策時(shí)，可以參考RSU提供的信息，選擇更優(yōu)的路徑。在城市中，RSU可以實(shí)時(shí)獲取道路的交通狀況、車輛密度等信息。當(dāng)車輛需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，RSU可以根據(jù)這些信息為車輛推薦最佳的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，引導(dǎo)車輛避開擁堵路段，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。同時(shí)，RSU還可以作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的中繼節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)通信覆蓋范圍和可靠性。2.3城市場(chǎng)景對(duì)車載無線路由協(xié)議的獨(dú)特要求城市場(chǎng)景具有一系列獨(dú)特的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)車載無線路由協(xié)議提出了特殊的要求，深刻影響著路由協(xié)議的性能和設(shè)計(jì)。城市場(chǎng)景的車流量大，這是一個(gè)顯著的特征。在早晚高峰時(shí)段，城市主干道上車水馬龍，車輛密度極高。大量的車輛節(jié)點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得極為復(fù)雜。在這樣高密度的車輛環(huán)境下，路由協(xié)議面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，網(wǎng)絡(luò)擁塞的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，大量的車輛同時(shí)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)流量劇增，容易導(dǎo)致信道競(jìng)爭(zhēng)激烈，數(shù)據(jù)包沖突頻繁。當(dāng)多輛車同時(shí)試圖發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信道爭(zhēng)用，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)包傳輸失敗，需要重傳，從而增加了傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)開銷。路由協(xié)議需要具備高效的信道分配和沖突避免機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)能夠在高流量環(huán)境下順利傳輸。例如，可以采用時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）等技術(shù)，合理分配信道資源，減少?zèng)_突的發(fā)生。路由協(xié)議還需要快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化。車輛的不斷移動(dòng)使得節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系時(shí)刻改變，新的節(jié)點(diǎn)不斷加入網(wǎng)絡(luò)，部分節(jié)點(diǎn)又隨時(shí)離開。在交通擁堵路段，車輛的停停走走導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置頻繁變動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)瞬息萬變。路由協(xié)議若不能及時(shí)感知和適應(yīng)這些變化，就會(huì)導(dǎo)致路由失效，數(shù)據(jù)包無法準(zhǔn)確投遞。因此，路由協(xié)議需要具備快速的拓?fù)涓履芰?，能夠?qū)崟r(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，及時(shí)調(diào)整路由策略，確保數(shù)據(jù)包能夠沿著有效的路徑傳輸。例如，采用主動(dòng)式路由協(xié)議時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)增加路由更新的頻率；采用按需路由協(xié)議時(shí)，要優(yōu)化路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)機(jī)制，減少路由重建的時(shí)間。城市場(chǎng)景中的障礙物眾多，這也是影響車載無線路由協(xié)議性能的重要因素。高樓大廈、橋梁、山體等障礙物會(huì)對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的阻擋、反射和散射等影響，導(dǎo)致信號(hào)衰減、失真甚至中斷。在高樓林立的城市中心區(qū)域，車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信信號(hào)容易被建筑物阻擋，使得通信鏈路不穩(wěn)定。當(dāng)車輛行駛在高樓之間的狹窄街道時(shí)，信號(hào)可能會(huì)在建筑物之間多次反射，形成多徑效應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)干擾嚴(yán)重，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤率增加。路由協(xié)議需要考慮如何應(yīng)對(duì)障礙物對(duì)通信的影響。一種解決方法是通過信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)和鏈路質(zhì)量評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)受障礙物影響的鏈路。當(dāng)檢測(cè)到鏈路質(zhì)量下降時(shí)，路由協(xié)議可以選擇避開這些鏈路，尋找其他可靠的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。也可以利用多跳通信的方式，通過中間節(jié)點(diǎn)繞過障礙物，保持通信的連續(xù)性。例如，當(dāng)車輛A與車輛B之間的直接通信鏈路被障礙物阻擋時(shí)，可以通過中間車輛C進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)車輛A與車輛B之間的間接通信。在城市場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)受道路限制也是一個(gè)重要特點(diǎn)。車輛只能在道路上行駛，其移動(dòng)軌跡受到道路布局、交通規(guī)則等因素的約束。這與傳統(tǒng)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的自由移動(dòng)有很大不同。在十字路口，車輛需要按照交通信號(hào)燈的指示行駛，行駛方向受到限制。在單行道上，車輛只能沿規(guī)定方向行駛。這種受限的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方式對(duì)路由協(xié)議的性能有重要影響。一方面，路由協(xié)議可以利用車輛移動(dòng)的規(guī)律性來優(yōu)化路由選擇。通過分析道路地圖和交通規(guī)則，結(jié)合車輛的行駛方向和速度信息，預(yù)測(cè)車輛的未來位置，從而選擇在未來一段時(shí)間內(nèi)鏈路穩(wěn)定性較高的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在一條主干道上，車輛通常會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定的行駛方向和速度，路由協(xié)議可以根據(jù)這些信息，選擇沿著主干道上的車輛作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。另一方面，由于車輛移動(dòng)受道路限制，可能會(huì)出現(xiàn)通信空洞的情況。當(dāng)某條道路上車輛稀疏或者沒有車輛時(shí)，就會(huì)形成通信空洞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包無法通過該區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。路由協(xié)議需要具備有效的空洞處理機(jī)制，如采用周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略，當(dāng)遇到通信空洞時(shí)，沿著空洞的周邊尋找其他可行的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，確保數(shù)據(jù)包能夠繞過空洞，繼續(xù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。三、現(xiàn)有典型車載無線路由協(xié)議分析3.1基于地理位置的路由協(xié)議3.1.1GPSR協(xié)議解析GPSR（GreedyPerimeterStatelessRouting）協(xié)議作為基于地理位置路由協(xié)議的典型代表，在車載自組網(wǎng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。其核心原理是利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，無需維護(hù)復(fù)雜的路由表，大大降低了路由開銷。在GPSR協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)通過全球定位系統(tǒng)（GPS）獲取自身的精確地理位置信息，并通過周期性地廣播信標(biāo)消息，使鄰居節(jié)點(diǎn)能夠知曉其位置。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，它首先會(huì)根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略來選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略的基本思路是，在源節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)中，選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳。這種策略的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠在局部范圍內(nèi)快速找到一條可能的最優(yōu)路徑，使數(shù)據(jù)包朝著目的節(jié)點(diǎn)的方向逐步靠近。在一個(gè)簡(jiǎn)單的車載網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，若源節(jié)點(diǎn)A要將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)D，其鄰居節(jié)點(diǎn)有B、C。通過計(jì)算各鄰居節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D的距離，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B距離目的節(jié)點(diǎn)D更近，那么源節(jié)點(diǎn)A就會(huì)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)B。然而，在實(shí)際的城市場(chǎng)景中，由于道路布局的復(fù)雜性和車輛分布的不均勻性，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略可能會(huì)遇到局部最優(yōu)問題，即出現(xiàn)通信空洞。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都比源節(jié)點(diǎn)本身距離目的節(jié)點(diǎn)更遠(yuǎn)時(shí)，就意味著陷入了通信空洞，此時(shí)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略無法繼續(xù)進(jìn)行。在一條街道上，由于道路一側(cè)施工導(dǎo)致車輛無法通行，使得原本可以作為下一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)無法被選擇，從而形成通信空洞。為了應(yīng)對(duì)通信空洞問題，GPSR協(xié)議引入了周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略。當(dāng)遇到通信空洞時(shí)，協(xié)議會(huì)切換到周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式。周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略利用平面化算法（如Gabriel圖或相對(duì)鄰域圖算法）將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滢D(zhuǎn)化為平面圖，然后按照右手法則沿著平面圖的周邊進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。具體來說，在周邊轉(zhuǎn)發(fā)過程中，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)沿著平面子圖的邊界，始終向右轉(zhuǎn)并嘗試將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)。如果右邊沒有鄰居節(jié)點(diǎn)，則繼續(xù)向左轉(zhuǎn)，直到找到一個(gè)可以轉(zhuǎn)發(fā)的鄰居節(jié)點(diǎn)。通過這種方式，數(shù)據(jù)包可以繞過通信空洞，繼續(xù)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸。在上述通信空洞的例子中，當(dāng)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)無法進(jìn)行時(shí)，源節(jié)點(diǎn)A將切換到周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式，按照右手法則，它會(huì)沿著道路的周邊尋找其他可行的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，如通過其他平行街道上的車輛節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包繞開施工區(qū)域，最終找到通向目的節(jié)點(diǎn)D的路徑。GPSR協(xié)議具有諸多優(yōu)點(diǎn)。由于其采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和周邊轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的策略，不需要維護(hù)全局路由信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需知道其鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息，因此具有較低的路由開銷，能夠適應(yīng)車載自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化。在車流量大、車輛移動(dòng)速度快的城市場(chǎng)景下，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡茉诙虝r(shí)間內(nèi)發(fā)生多次變化，GPSR協(xié)議能夠憑借其低開銷的特點(diǎn)，快速適應(yīng)這種變化，保證數(shù)據(jù)的持續(xù)傳輸。GPSR協(xié)議在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中具有較高的效率，能夠快速地將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。在緊急剎車預(yù)警信息的傳輸場(chǎng)景中，采用GPSR協(xié)議可以迅速將預(yù)警信息從源車輛節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到周邊車輛節(jié)點(diǎn)，使周圍車輛能夠及時(shí)做出反應(yīng)，避免追尾事故的發(fā)生。GPSR協(xié)議也存在一些不足之處。在復(fù)雜的城市場(chǎng)景中，信號(hào)容易受到建筑物、地形等因素的干擾，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)獲取的地理位置信息存在誤差。這種誤差可能會(huì)影響貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略的準(zhǔn)確性，使選擇的下一跳節(jié)點(diǎn)并非真正距離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，從而降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。?dāng)車輛在高樓林立的街道行駛時(shí)，GPS信號(hào)可能會(huì)受到建筑物的反射和遮擋，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)獲取的自身位置信息出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響路由決策。周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略雖然能夠解決通信空洞問題，但在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，數(shù)據(jù)包可能需要經(jīng)過較長(zhǎng)的路徑才能繞過空洞，這會(huì)增加傳輸延遲。在某些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如車輛的緊急制動(dòng)信息傳輸，較長(zhǎng)的傳輸延遲可能會(huì)導(dǎo)致信息的時(shí)效性降低，無法及時(shí)發(fā)揮作用。3.1.2其他類似協(xié)議對(duì)比除了GPSR協(xié)議，還有一些基于地理位置的路由協(xié)議，如GPCR（GreedyPerimeterCoordinatorRouting）協(xié)議和GPSrJ+協(xié)議等，它們與GPSR協(xié)議既有相似之處，也存在明顯的差異。GPCR協(xié)議是在GPSR協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它的工作原理與GPSR有一定的相似性，同樣利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息進(jìn)行路由選擇。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，GPCR協(xié)議也采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略，優(yōu)先選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳。然而，GPCR協(xié)議在處理通信空洞問題上與GPSR有所不同。GPCR協(xié)議引入了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的概念，當(dāng)遇到通信空洞時(shí)，不是像GPSR協(xié)議那樣直接采用周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略，而是通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)來協(xié)助數(shù)據(jù)包繞過空洞。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通常是預(yù)先選擇或動(dòng)態(tài)選舉出來的，它們具備更廣泛的網(wǎng)絡(luò)信息和更強(qiáng)的路由決策能力。在一個(gè)較大規(guī)模的車載網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，當(dāng)某一區(qū)域出現(xiàn)通信空洞時(shí)，GPCR協(xié)議會(huì)指定該區(qū)域內(nèi)的一個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過與周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，了解空洞周邊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r，然后根據(jù)這些信息為數(shù)據(jù)包規(guī)劃一條繞過空洞的路徑。它可能會(huì)引導(dǎo)數(shù)據(jù)包通過其他街道上的車輛節(jié)點(diǎn)，或者利用路邊基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)（如RSU）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而避開通信空洞，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的有效傳輸。與GPSR協(xié)議相比，GPCR協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的介入，能夠更智能地處理通信空洞問題，減少周邊轉(zhuǎn)發(fā)過程中可能出現(xiàn)的不必要的路徑迂回，降低傳輸延遲。在復(fù)雜的城市場(chǎng)景中，GPCR協(xié)議的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以利用其掌握的全局信息，快速找到繞過空洞的最優(yōu)路徑，而GPSR協(xié)議的周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略可能會(huì)因?yàn)槊つ康匕凑沼沂址▌t轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包經(jīng)過較長(zhǎng)的路徑才能繞過空洞。GPCR協(xié)議對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的依賴也可能成為其弱點(diǎn)。如果協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或通信中斷，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的路由出現(xiàn)問題，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在某些情況下，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的選舉和維護(hù)也需要消耗一定的網(wǎng)絡(luò)資源，增加了協(xié)議的復(fù)雜性。GPSrJ+協(xié)議則是一種結(jié)合了地理位置信息和鏈路質(zhì)量信息的路由協(xié)議。它在路由選擇過程中，不僅考慮節(jié)點(diǎn)的地理位置，還將鏈路質(zhì)量作為一個(gè)重要的決策因素。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，GPSrJ+協(xié)議會(huì)綜合評(píng)估鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置和與鄰居節(jié)點(diǎn)之間鏈路的質(zhì)量（如信號(hào)強(qiáng)度、丟包率等），選擇地理位置較優(yōu)且鏈路質(zhì)量較好的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳。在城市中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，它會(huì)檢測(cè)到多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)A距離目的節(jié)點(diǎn)較近，但與源節(jié)點(diǎn)之間的鏈路信號(hào)較弱，丟包率較高；節(jié)點(diǎn)B距離目的節(jié)點(diǎn)稍遠(yuǎn)，但鏈路信號(hào)穩(wěn)定，丟包率低。GPSrJ+協(xié)議會(huì)綜合考慮這些因素，可能會(huì)選擇節(jié)點(diǎn)B作為下一跳，以確保數(shù)據(jù)包能夠更可靠地傳輸。與GPSR協(xié)議相比，GPSrJ+協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠更好地適應(yīng)城市場(chǎng)景中復(fù)雜的通信環(huán)境。在城市場(chǎng)景中，信號(hào)干擾嚴(yán)重，鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定，單純基于地理位置的GPSR協(xié)議可能會(huì)因?yàn)檫x擇了鏈路質(zhì)量差的下一跳節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包頻繁丟失和重傳，降低傳輸效率。而GPSrJ+協(xié)議通過考慮鏈路質(zhì)量，能夠選擇更可靠的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)包的投遞率和傳輸效率。GPSrJ+協(xié)議需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鏈路質(zhì)量，這會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和通信開銷。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，頻繁的鏈路質(zhì)量監(jiān)測(cè)可能會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的資源造成較大壓力，影響節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。不同的基于地理位置的路由協(xié)議在城市場(chǎng)景下各有優(yōu)劣。GPSR協(xié)議具有低開銷、適應(yīng)拓?fù)渥兓斓奶攸c(diǎn)，但在處理通信空洞和應(yīng)對(duì)信號(hào)干擾方面存在一定不足；GPCR協(xié)議通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)更智能地處理通信空洞，但對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的依賴增加了協(xié)議的脆弱性和復(fù)雜性；GPSrJ+協(xié)議結(jié)合鏈路質(zhì)量信息提高了傳輸可靠性，但增加了節(jié)點(diǎn)的開銷。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的城市場(chǎng)景和應(yīng)用需求，選擇合適的路由協(xié)議。3.2基于跳數(shù)的路由協(xié)議3.2.1AODV協(xié)議分析AODV（Ad-HocOn-DemandDistanceVectorRouting）協(xié)議即按需平面距離向量路由協(xié)議，是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）中一種重要的按需路由協(xié)議，在車載自組網(wǎng)（VANET）中也有廣泛的應(yīng)用研究。其路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制基于按需原則，只有當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)且不存在有效路由時(shí)，才會(huì)觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)過程。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S需要向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)但沒有到D的路由時(shí)，S會(huì)廣播路由請(qǐng)求（RREQ）消息。RREQ消息中包含源節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)地址、廣播ID、源序列號(hào)、目的序列號(hào)等關(guān)鍵信息。其中，源序列號(hào)用于標(biāo)識(shí)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RREQ消息的新鮮度，目的序列號(hào)則用于目的節(jié)點(diǎn)或中間節(jié)點(diǎn)判斷到目的節(jié)點(diǎn)路由的有效性。廣播ID與源節(jié)點(diǎn)地址共同唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)RREQ消息，以防止節(jié)點(diǎn)重復(fù)處理相同的RREQ。中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ消息后，首先檢查自己是否是目的節(jié)點(diǎn)。若不是，再檢查是否收到過相同的RREQ（通過源地址和廣播ID判斷）。如果收到過，則丟棄該RREQ，以避免重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，減少網(wǎng)絡(luò)開銷。若未收到過，中間節(jié)點(diǎn)會(huì)記錄反向路由信息，即記錄發(fā)送RREQ的上游節(jié)點(diǎn)地址，以便后續(xù)將路由回復(fù)消息（RREP）沿此路徑返回源節(jié)點(diǎn)。然后，中間節(jié)點(diǎn)會(huì)將RREQ消息中的跳數(shù)計(jì)數(shù)器加1，并繼續(xù)廣播該RREQ消息給其鄰居節(jié)點(diǎn)。當(dāng)RREQ消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D或擁有到目的節(jié)點(diǎn)有效路由的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，路由發(fā)現(xiàn)過程進(jìn)入路由回復(fù)階段。目的節(jié)點(diǎn)或擁有有效路由的中間節(jié)點(diǎn)會(huì)單播RREP消息給源節(jié)點(diǎn)。RREP消息中包含目的節(jié)點(diǎn)地址、目的序列號(hào)、下一跳地址等信息。RREP消息沿著之前記錄的反向路由逐跳返回源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)收到RREP后，就建立起了到目的節(jié)點(diǎn)的正向路由，從而可以開始數(shù)據(jù)傳輸。在路由維護(hù)方面，AODV協(xié)議通過鏈路層反饋機(jī)制來檢測(cè)鏈路狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)發(fā)現(xiàn)鏈路失效（例如連續(xù)多次發(fā)送數(shù)據(jù)包失?。瑫?huì)向使用該鏈路的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由錯(cuò)誤（RERR）消息。RERR消息中包含失效鏈路所涉及的目的節(jié)點(diǎn)地址等信息。鄰居節(jié)點(diǎn)收到RERR后，會(huì)更新其路由表，將與該目的節(jié)點(diǎn)相關(guān)的路由表項(xiàng)標(biāo)記為無效。如果鄰居節(jié)點(diǎn)的路由表中存在到該目的節(jié)點(diǎn)的其他有效路由，則數(shù)據(jù)傳輸可以繼續(xù)使用其他路由；否則，鄰居節(jié)點(diǎn)需要重新啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程，以尋找新的到目的節(jié)點(diǎn)的路由。在車載網(wǎng)絡(luò)中，AODV協(xié)議的性能表現(xiàn)受到多種因素的影響。由于車載網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)性，車輛的快速移動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化。當(dāng)車輛快速行駛時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置迅速改變，鏈路可能會(huì)頻繁中斷。在城市快速路或高速公路上，車輛的高速行駛使得節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路很不穩(wěn)定，可能在短時(shí)間內(nèi)多次出現(xiàn)中斷和重建的情況。這會(huì)導(dǎo)致AODV協(xié)議頻繁地進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)操作。頻繁的路由發(fā)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生大量的RREQ和RREP控制消息，增加網(wǎng)絡(luò)開銷，占用寶貴的帶寬資源。頻繁的路由重建也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲增加，降低數(shù)據(jù)包的投遞率。當(dāng)一條路由在數(shù)據(jù)傳輸過程中突然中斷，源節(jié)點(diǎn)需要重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，這期間數(shù)據(jù)傳輸會(huì)被暫停，直到新的路由建立成功，從而導(dǎo)致傳輸延遲顯著增加。AODV協(xié)議在城市場(chǎng)景下還面臨著信號(hào)干擾和多徑傳播的問題。城市場(chǎng)景中存在大量的建筑物、金屬物體等，這些都會(huì)對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生反射、折射和遮擋等影響。信號(hào)干擾會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失或錯(cuò)誤接收，使得AODV協(xié)議在鏈路檢測(cè)和路由維護(hù)過程中產(chǎn)生誤判，進(jìn)一步影響協(xié)議的性能。多徑傳播會(huì)使信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間和強(qiáng)度發(fā)生變化，增加了通信的復(fù)雜性，也對(duì)AODV協(xié)議的路由決策產(chǎn)生不利影響。在高樓林立的城市中心區(qū)域，無線信號(hào)會(huì)在建筑物之間多次反射，形成復(fù)雜的多徑傳播環(huán)境，這可能導(dǎo)致AODV協(xié)議選擇的路由并非最優(yōu)，甚至?xí)霈F(xiàn)路由錯(cuò)誤的情況。3.2.2與其他基于跳數(shù)協(xié)議的比較除了AODV協(xié)議，基于跳數(shù)的路由協(xié)議還包括DSR（DynamicSourceRouting）協(xié)議和DSDV（Destination-SequencedDistance-VectorRouting）協(xié)議等，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)開銷、拓?fù)溥m應(yīng)性等方面與AODV存在顯著差異。DSR協(xié)議是一種源路由協(xié)議，它采用源路由方式，源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)將完整的路由信息包含在數(shù)據(jù)包頭部。在路由發(fā)現(xiàn)階段，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)且沒有有效路由時(shí)，會(huì)廣播路由請(qǐng)求（RREQ）分組。RREQ分組中包含源節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)地址、廣播ID等信息。中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，若不是目的節(jié)點(diǎn)且沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，則將自己的地址添加到RREQ分組的路由記錄中，并繼續(xù)廣播。當(dāng)RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或擁有到目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由回復(fù)（RREP）分組，RREP分組中包含完整的路由信息。源節(jié)點(diǎn)收到RREP后，就獲取了到目的節(jié)點(diǎn)的完整路由，并將其存儲(chǔ)在路由緩存中，后續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)直接使用該路由。與AODV協(xié)議相比，DSR協(xié)議不需要中間節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由表，減少了中間節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)開銷。由于每個(gè)數(shù)據(jù)包都攜帶完整的路由信息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，只要源節(jié)點(diǎn)的路由緩存中存在有效的路由，就可以繼續(xù)使用該路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要像AODV那樣重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，因此在拓?fù)渥兓惶l繁的情況下，DSR協(xié)議的路由維護(hù)開銷相對(duì)較低。在一些相對(duì)穩(wěn)定的車載網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，如車輛行駛在車流量較小、道路相對(duì)空曠的郊區(qū)道路時(shí)，DSR協(xié)議能夠較好地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，減少路由發(fā)現(xiàn)的次數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)開銷。在拓?fù)渥兓l繁的車載網(wǎng)絡(luò)中，DSR協(xié)議的性能會(huì)受到較大影響。由于車輛的快速移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡茉诙虝r(shí)間內(nèi)多次變化，源節(jié)點(diǎn)緩存的路由信息可能很快失效。當(dāng)路由失效時(shí)，源節(jié)點(diǎn)需要重新廣播RREQ分組進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，這會(huì)產(chǎn)生大量的控制消息，增加網(wǎng)絡(luò)開銷。DSR協(xié)議的源路由方式使得數(shù)據(jù)包頭部攜帶的路由信息較長(zhǎng)，會(huì)增加數(shù)據(jù)包的傳輸開銷，降低數(shù)據(jù)傳輸效率。在城市場(chǎng)景下，車流量大，車輛移動(dòng)速度快，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，DSR協(xié)議頻繁的路由發(fā)現(xiàn)和較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包頭部會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能明顯下降。DSDV協(xié)議是一種表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一張路由表，記錄到網(wǎng)絡(luò)中所有可能目的節(jié)點(diǎn)的路由信息。節(jié)點(diǎn)通過周期性地廣播路由更新消息來交換路由信息，以保持路由表的一致性和時(shí)效性。路由更新消息中包含目的節(jié)點(diǎn)地址、跳數(shù)、目的序列號(hào)等信息。節(jié)點(diǎn)在接收到路由更新消息后，會(huì)根據(jù)消息中的信息更新自己的路由表。如果發(fā)現(xiàn)到某個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的更好路由（例如跳數(shù)更少或路由更穩(wěn)定），則更新路由表項(xiàng)。與AODV協(xié)議相比，DSDV協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠?qū)崟r(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都定期更新路由信息。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)穩(wěn)定的情況下，DSDV協(xié)議能夠快速地選擇最佳路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少路由發(fā)現(xiàn)的延遲。在一些相對(duì)穩(wěn)定的車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如車輛在交通流量穩(wěn)定的高速公路上行駛時(shí)，DSDV協(xié)議可以通過定期更新的路由表，迅速為數(shù)據(jù)包選擇最優(yōu)路徑，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。DSDV協(xié)議的缺點(diǎn)也很明顯。由于需要周期性地廣播路由更新消息，會(huì)產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò)開銷，占用大量的帶寬資源。在車載網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)帶寬資源有限，大量的路由更新消息會(huì)導(dǎo)致其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的帶寬受到擠壓，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。DSDV協(xié)議的路由收斂速度相對(duì)較慢。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要通過多次交換路由更新消息才能使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由表達(dá)到一致狀態(tài)，在這個(gè)過程中可能會(huì)出現(xiàn)路由不一致的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失或傳輸延遲增加。在城市場(chǎng)景下，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，DSDV協(xié)議的高開銷和慢收斂速度使其不太適合應(yīng)用，可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能嚴(yán)重下降。不同的基于跳數(shù)的路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)開銷、拓?fù)溥m應(yīng)性等方面各有優(yōu)劣。AODV協(xié)議在拓?fù)渥兓l繁時(shí)路由維護(hù)開銷大，但按需路由的特點(diǎn)使其在平時(shí)能夠減少不必要的路由開銷；DSR協(xié)議不需要中間節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由表，但源路由方式在拓?fù)漕l繁變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多開銷；DSDV協(xié)議能夠?qū)崟r(shí)掌握拓?fù)渥兓?，但周期性的路由更新消息?huì)帶來較大的網(wǎng)絡(luò)開銷和較慢的路由收斂速度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)車載網(wǎng)絡(luò)的具體場(chǎng)景和需求，選擇合適的路由協(xié)議。四、城市場(chǎng)景帶來的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略4.1通信空洞問題及解決算法4.1.1空洞形成原因分析在城市場(chǎng)景下，車載自組網(wǎng)中通信空洞的形成是由車載節(jié)點(diǎn)的自由移動(dòng)和道路結(jié)構(gòu)的限制共同作用導(dǎo)致的。車載節(jié)點(diǎn)的自由移動(dòng)是通信空洞形成的關(guān)鍵因素之一。車輛在道路上行駛時(shí)，其速度和方向具有不確定性，這使得節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置不斷變化。在交通高峰期，車輛的行駛速度時(shí)快時(shí)慢，頻繁變道，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的距離和連接關(guān)系不穩(wěn)定。當(dāng)車輛快速行駛時(shí)，原本相鄰的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)迅速拉開距離，超出通信范圍，從而使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化。在高速公路上，車輛以較高速度行駛，若前方車輛突然加速或變道，后方車輛可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)與前方車輛失去通信連接，形成通信空洞。道路結(jié)構(gòu)的限制也對(duì)通信空洞的產(chǎn)生起到了重要作用。城市道路布局復(fù)雜，存在大量的交叉路口、單行道和死胡同。這些道路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制了車輛的行駛路徑和位置分布。在交叉路口，車輛需要等待信號(hào)燈，不同方向的車輛匯聚和分散，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)分布不均勻。在某些情況下，交叉路口可能會(huì)出現(xiàn)車輛擁堵，而相鄰路段車輛稀少，從而在車輛稀少的路段形成通信空洞。在單行道上，車輛只能單向行駛，若某一方向的車輛流量較小，就容易出現(xiàn)通信空洞。當(dāng)某條單行道上只有少量車輛行駛時(shí)，這些車輛之間的通信可能會(huì)因?yàn)槿狈χ虚g節(jié)點(diǎn)而受到阻礙，形成通信空洞。通信空洞的存在會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。它會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包傳輸失敗，當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸過程中遇到通信空洞時(shí)，由于無法找到合適的下一跳節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包無法繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，最終導(dǎo)致傳輸失敗。通信空洞還會(huì)增加傳輸延遲，為了繞過通信空洞，數(shù)據(jù)包可能需要選擇更長(zhǎng)的路徑進(jìn)行傳輸，這會(huì)大大增加傳輸延遲。在緊急剎車預(yù)警信息的傳輸中，如果遇到通信空洞，預(yù)警信息無法及時(shí)傳遞給后方車輛，可能會(huì)導(dǎo)致追尾事故的發(fā)生。通信空洞還會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的連通性和可靠性，影響整個(gè)車載自組網(wǎng)的性能。4.1.2基于極大角信息反饋算法的提出為了有效解決城市場(chǎng)景中的通信空洞問題，基于極大角信息反饋算法應(yīng)運(yùn)而生。該算法的核心原理是通過巧妙地選擇中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，使數(shù)據(jù)分組能夠成功繞開通信空洞，順利到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在該算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播包含自身位置、速度、方向等信息的信標(biāo)消息。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送時(shí)，它會(huì)首先獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，并根據(jù)這些信息計(jì)算出每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的角度。在計(jì)算角度時(shí)，利用節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，通過三角函數(shù)等數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確計(jì)算出角度值。然后，源節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇與目的節(jié)點(diǎn)之間夾角最大的鄰居節(jié)點(diǎn)作為中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。這是因?yàn)檫x擇夾角最大的節(jié)點(diǎn)，能夠使數(shù)據(jù)分組在轉(zhuǎn)發(fā)過程中盡可能地遠(yuǎn)離通信空洞，從而提高繞開空洞的成功率。當(dāng)中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)分組后，它會(huì)重復(fù)上述過程。首先，中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)會(huì)更新自身的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，獲取最新的鄰居節(jié)點(diǎn)位置、速度等信息。然后，計(jì)算自己與目的節(jié)點(diǎn)之間的角度，以及自己的鄰居節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的角度。再次選擇夾角最大的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。這個(gè)過程會(huì)不斷重復(fù)，直到數(shù)據(jù)分組成功繞過通信空洞，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，基于極大角信息反饋算法具有諸多優(yōu)勢(shì)。它具有較低的平均跳數(shù)。由于該算法能夠選擇更優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，使數(shù)據(jù)分組能夠更直接地繞過通信空洞，避免了不必要的迂回，從而減少了數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)所經(jīng)過的跳數(shù)。這不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，還降低了傳輸延遲。在一個(gè)復(fù)雜的城市場(chǎng)景仿真實(shí)驗(yàn)中，與傳統(tǒng)的路由算法相比，基于極大角信息反饋算法的平均跳數(shù)降低了20%-30%，傳輸延遲明顯減少。該算法對(duì)空洞變化具有較好的適應(yīng)性。在城市場(chǎng)景下，通信空洞的位置和大小可能會(huì)隨著車輛的移動(dòng)而不斷變化?；跇O大角信息反饋算法通過實(shí)時(shí)更新鄰居節(jié)點(diǎn)信息和動(dòng)態(tài)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，能夠及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)路徑，適應(yīng)空洞的變化。當(dāng)空洞位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)，算法能夠迅速感知到變化，并重新選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)分組能夠繼續(xù)繞開空洞傳輸。這使得該算法在城市場(chǎng)景中具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，能夠有效保障車載自組網(wǎng)的通信質(zhì)量。4.2障礙物導(dǎo)致的通信問題及策略4.2.1障礙物對(duì)信號(hào)的影響在城市場(chǎng)景下，障礙物對(duì)車載自組網(wǎng)的通信信號(hào)具有顯著的影響，極大地制約了網(wǎng)絡(luò)的性能。城市場(chǎng)景中存在著各種各樣的障礙物，高樓大廈、橋梁、山體等都是常見的障礙物類型。這些障礙物的存在會(huì)導(dǎo)致無線信號(hào)的傳播受到阻礙，無法順利地在車載節(jié)點(diǎn)之間傳輸。高樓大廈作為城市場(chǎng)景中最為常見的障礙物之一，對(duì)無線信號(hào)的阻擋作用十分明顯。當(dāng)車輛行駛在高樓林立的街道時(shí)，信號(hào)在傳播過程中會(huì)遇到建筑物的阻擋，無法直接到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)。信號(hào)可能會(huì)被建筑物反射、折射或吸收，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度大幅衰減。當(dāng)信號(hào)遇到建筑物的墻面時(shí)，部分信號(hào)會(huì)被反射回去，只有一小部分信號(hào)能夠繞過建筑物繼續(xù)傳播，這使得接收節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度。橋梁和山體等障礙物同樣會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。橋梁通常由金屬和混凝土等材料構(gòu)成，這些材料對(duì)無線信號(hào)具有較強(qiáng)的屏蔽作用。當(dāng)車輛在橋梁上行駛時(shí)，信號(hào)很難穿透橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳播，導(dǎo)致通信中斷或信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降。山體的地形復(fù)雜，信號(hào)在傳播過程中容易受到山體的阻擋和散射，使得信號(hào)傳播的路徑變得復(fù)雜多變，增加了信號(hào)傳輸?shù)牟淮_定性。在山區(qū)道路行駛的車輛，信號(hào)可能會(huì)因?yàn)樯襟w的阻擋而頻繁中斷，影響車輛之間的通信。障礙物對(duì)信號(hào)的影響會(huì)導(dǎo)致車載節(jié)點(diǎn)無法正常通信，進(jìn)而對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。信號(hào)強(qiáng)度的衰減會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失率增加。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度低于一定閾值時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)無法正確解析數(shù)據(jù)包，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。在高樓密集的區(qū)域，由于信號(hào)受到建筑物的阻擋和衰減，數(shù)據(jù)包丟失率可能會(huì)高達(dá)20%-30%，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。信號(hào)傳播的延遲也會(huì)增加。由于信號(hào)需要繞過障礙物傳播，其傳播路徑變長(zhǎng)，導(dǎo)致信號(hào)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間延遲增加。在一些復(fù)雜的城市場(chǎng)景中，信號(hào)傳播延遲可能會(huì)達(dá)到幾十毫秒甚至上百毫秒，這對(duì)于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，如車輛的緊急制動(dòng)信息傳輸，是無法接受的。長(zhǎng)時(shí)間的延遲可能會(huì)導(dǎo)致信息的時(shí)效性降低，無法及時(shí)發(fā)揮作用，從而增加交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。障礙物還可能導(dǎo)致信號(hào)干擾和多徑傳播。信號(hào)在遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射和散射，形成多個(gè)傳播路徑，這些路徑上的信號(hào)會(huì)相互干擾，導(dǎo)致接收信號(hào)出現(xiàn)失真和誤碼。在城市中心區(qū)域，多徑傳播現(xiàn)象較為嚴(yán)重，信號(hào)干擾會(huì)使得通信質(zhì)量進(jìn)一步下降，增加了通信的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。4.2.2基于障礙物模型的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略為了有效應(yīng)對(duì)城市場(chǎng)景中障礙物對(duì)通信的影響，基于障礙物模型的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略應(yīng)運(yùn)而生。該策略的關(guān)鍵在于建立精確的障礙物模型，通過對(duì)障礙物的形狀、位置、材質(zhì)等信息進(jìn)行詳細(xì)分析，準(zhǔn)確評(píng)估障礙物對(duì)信號(hào)的阻礙程度。在建立障礙物模型時(shí)，需要充分考慮多種因素。對(duì)于建筑物等大型障礙物，要獲取其精確的三維坐標(biāo)信息，包括建筑物的高度、長(zhǎng)度和寬度等。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)和三維建模技術(shù)，可以構(gòu)建出逼真的建筑物模型。還要了解建筑物的材質(zhì)，不同的材質(zhì)對(duì)信號(hào)的衰減程度不同。金屬材質(zhì)的建筑物對(duì)信號(hào)的屏蔽作用較強(qiáng)，而混凝土材質(zhì)的建筑物對(duì)信號(hào)的衰減相對(duì)較小。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析，確定不同材質(zhì)的信號(hào)衰減系數(shù)，將其納入障礙物模型中。根據(jù)障礙物對(duì)信號(hào)的阻礙程度來判斷是否選取某個(gè)節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)是該策略的核心步驟。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，它會(huì)首先獲取周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，包括鄰居節(jié)點(diǎn)的位置、信號(hào)強(qiáng)度以及與障礙物的相對(duì)位置關(guān)系。然后，源節(jié)點(diǎn)利用建立的障礙物模型，計(jì)算每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)與自己之間的信號(hào)傳播路徑上的障礙物阻礙程度。如果信號(hào)傳播路徑上存在大型障礙物，且障礙物對(duì)信號(hào)的阻礙程度超過一定閾值，那么源節(jié)點(diǎn)會(huì)認(rèn)為該鄰居節(jié)點(diǎn)不太適合作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樾盘?hào)在傳輸過程中很可能會(huì)受到嚴(yán)重的衰減或中斷。在實(shí)際應(yīng)用中，該策略通常與GPSR協(xié)議相結(jié)合。在GPSR協(xié)議的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)階段，除了考慮鄰居節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的距離外，還會(huì)引入障礙物阻礙程度這一因素。源節(jié)點(diǎn)會(huì)綜合評(píng)估鄰居節(jié)點(diǎn)的距離和障礙物阻礙程度，選擇距離目的節(jié)點(diǎn)較近且障礙物阻礙程度較低的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)城市街道場(chǎng)景中，源節(jié)點(diǎn)A要將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)D，鄰居節(jié)點(diǎn)B距離目的節(jié)點(diǎn)D較近，但信號(hào)傳播路徑上有一座高樓，障礙物阻礙程度較高；鄰居節(jié)點(diǎn)C距離目的節(jié)點(diǎn)D稍遠(yuǎn)，但信號(hào)傳播路徑相對(duì)較為暢通，障礙物阻礙程度較低。基于障礙物模型的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略會(huì)選擇鄰居節(jié)點(diǎn)C作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以確保數(shù)據(jù)包能夠更可靠地傳輸。當(dāng)遇到通信空洞或障礙物阻擋嚴(yán)重的情況時(shí)，該策略會(huì)借鑒GPSR協(xié)議的周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略。利用平面化算法將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滢D(zhuǎn)化為平面圖，然后按照右手法則沿著平面圖的周邊進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。在周邊轉(zhuǎn)發(fā)過程中，同樣會(huì)考慮障礙物的影響，盡量選擇信號(hào)傳播路徑上障礙物阻礙程度較低的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而繞過障礙物，保障數(shù)據(jù)的傳輸?；谡系K物模型的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略通過建立精確的障礙物模型，綜合考慮障礙物對(duì)信號(hào)的阻礙程度和節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，能夠更合理地選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，有效解決城市場(chǎng)景中存在較多障礙物的問題，提高車載自組網(wǎng)在復(fù)雜城市場(chǎng)景下的通信可靠性和網(wǎng)絡(luò)性能。五、改進(jìn)與創(chuàng)新的車載無線路由協(xié)議設(shè)計(jì)5.1新型協(xié)議設(shè)計(jì)思路在深入剖析城市場(chǎng)景下車載自組網(wǎng)的特性以及現(xiàn)有路由協(xié)議的優(yōu)劣后，提出一種綜合考慮多種因素的新型車載無線路由協(xié)議設(shè)計(jì)理念，旨在顯著提升協(xié)議在復(fù)雜城市場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)。該新型協(xié)議設(shè)計(jì)將節(jié)點(diǎn)密度作為關(guān)鍵考慮因素之一。在城市場(chǎng)景中，不同區(qū)域的節(jié)點(diǎn)密度差異顯著，在交通樞紐、商業(yè)中心等區(qū)域，車流量大，節(jié)點(diǎn)密度高；而在一些偏遠(yuǎn)的郊區(qū)道路或非高峰時(shí)段的部分路段，節(jié)點(diǎn)密度較低。節(jié)點(diǎn)密度的變化會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生重要影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度過高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)容易出現(xiàn)擁塞，信道競(jìng)爭(zhēng)激烈，數(shù)據(jù)包沖突頻繁，導(dǎo)致傳輸延遲增加和數(shù)據(jù)包投遞率下降。在早晚高峰時(shí)段的城市主干道，大量車輛同時(shí)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)流量劇增，信道資源緊張，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。而節(jié)點(diǎn)密度過低時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)通信空洞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包無法順利傳輸。在車流量稀少的偏遠(yuǎn)道路上，由于節(jié)點(diǎn)分布稀疏，可能會(huì)形成通信空洞，使得數(shù)據(jù)包在傳輸過程中找不到合適的下一跳節(jié)點(diǎn)。新型協(xié)議設(shè)計(jì)充分考慮節(jié)點(diǎn)密度的變化。當(dāng)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)密度過高時(shí)，協(xié)議會(huì)采取一系列措施來緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。它會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整信道分配策略，采用更高效的多址接入技術(shù)，如正交頻分多址（OFDMA）或時(shí)分多址（TDMA）的優(yōu)化版本，合理分配信道資源，減少節(jié)點(diǎn)之間的競(jìng)爭(zhēng)沖突。協(xié)議還會(huì)優(yōu)化路由選擇，避免選擇節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，選擇相對(duì)空閑的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在節(jié)點(diǎn)密度較低的情況下，協(xié)議會(huì)啟動(dòng)通信空洞處理機(jī)制，利用周邊轉(zhuǎn)發(fā)策略或基于位置預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)發(fā)策略，確保數(shù)據(jù)包能夠繞過空洞，找到有效的傳輸路徑。鏈路穩(wěn)定性也是新型協(xié)議設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的因素。城市場(chǎng)景中，由于車輛的快速移動(dòng)和信號(hào)干擾，通信鏈路的穩(wěn)定性較差，鏈路中斷的情況時(shí)有發(fā)生。在車輛高速行駛時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置迅速改變，導(dǎo)致通信鏈路的質(zhì)量隨時(shí)間變化，容易出現(xiàn)鏈路中斷。信號(hào)受到建筑物、金屬物體等障礙物的反射、折射和遮擋，也會(huì)導(dǎo)致鏈路不穩(wěn)定。為了提高鏈路穩(wěn)定性，新型協(xié)議設(shè)計(jì)引入了鏈路質(zhì)量評(píng)估機(jī)制。節(jié)點(diǎn)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間鏈路的信號(hào)強(qiáng)度、數(shù)據(jù)包丟失率、延遲抖動(dòng)等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)動(dòng)態(tài)評(píng)估鏈路的質(zhì)量。當(dāng)鏈路質(zhì)量下降到一定閾值時(shí)，協(xié)議會(huì)及時(shí)調(diào)整路由，選擇鏈路質(zhì)量更好的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳。協(xié)議還會(huì)利用移動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)，根據(jù)車輛的行駛速度、方向和歷史軌跡等信息，預(yù)測(cè)鏈路在未來一段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性。在路由選擇過程中，優(yōu)先選擇預(yù)測(cè)鏈路穩(wěn)定性較高的路徑，減少因鏈路中斷導(dǎo)致的路由重建次數(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。信?hào)干擾在城市場(chǎng)景中普遍存在，嚴(yán)重影響車載無線路由協(xié)議的性能。建筑物、橋梁、高壓線等都會(huì)對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致信號(hào)衰減、失真和多徑傳播等問題。在高樓林立的城市中心區(qū)域，無線信號(hào)在建筑物之間多次反射，形成復(fù)雜的多徑傳播環(huán)境，導(dǎo)致信號(hào)干擾嚴(yán)重，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤率增加。新型協(xié)議設(shè)計(jì)針對(duì)信號(hào)干擾問題采取了多種應(yīng)對(duì)策略。它采用信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)，如增加發(fā)射功率、使用高增益天線等，提高信號(hào)的強(qiáng)度和抗干擾能力。協(xié)議會(huì)利用干擾檢測(cè)和避讓機(jī)制，通過監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境中的信號(hào)干擾情況，及時(shí)調(diào)整通信頻率或信道，避開干擾源。在遇到嚴(yán)重干擾時(shí)，協(xié)議會(huì)采用多徑傳輸技術(shù)，將數(shù)據(jù)包分成多個(gè)子包，通過多條不同的路徑進(jìn)行傳輸，降低單個(gè)路徑上信號(hào)干擾對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)挠绊懀岣邤?shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?。通過綜合考慮節(jié)點(diǎn)密度、鏈路穩(wěn)定性和信號(hào)干擾等多種因素，新型車載無線路由協(xié)議設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)更高效、可靠的路由選擇，提高數(shù)據(jù)包投遞率，降低傳輸延遲和路由開銷，增強(qiáng)協(xié)議在城市場(chǎng)景下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，為智能交通系統(tǒng)中的車載通信提供更優(yōu)質(zhì)的支持。5.2具體改進(jìn)措施與算法實(shí)現(xiàn)在路由發(fā)現(xiàn)階段，針對(duì)城市場(chǎng)景下車輛移動(dòng)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化。傳統(tǒng)的AODV協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求（RREQ）消息，這種方式在城市場(chǎng)景下會(huì)產(chǎn)生大量的廣播風(fēng)暴，增加網(wǎng)絡(luò)開銷。為了減少廣播風(fēng)暴，采用了一種基于鄰居節(jié)點(diǎn)信息的受限廣播路由發(fā)現(xiàn)算法。源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送RREQ消息之前，會(huì)先收集其鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，包括鄰居節(jié)點(diǎn)的位置、速度、方向以及與目的節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系等。根據(jù)這些信息，源節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，僅向那些有可能通向目的節(jié)點(diǎn)且處于有效通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREQ消息。通過這種方式，可以有效地減少RREQ消息的傳播范圍，降低網(wǎng)絡(luò)開銷。在計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系時(shí)，利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，通過計(jì)算向量夾角等方法，判斷鄰居節(jié)點(diǎn)是否在目的節(jié)點(diǎn)的大致方向上。如果鄰居節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的夾角超過一定閾值，說明該鄰居節(jié)點(diǎn)不太可能通向目的節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)將不會(huì)向其發(fā)送RREQ消息。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，結(jié)合基于極大角信息反饋算法和基于障礙物模型的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略，提出了一種綜合的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)算法。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，首先會(huì)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息和障礙物模型，評(píng)估每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳的可行性。源節(jié)點(diǎn)會(huì)計(jì)算每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的極大角信息，選擇夾角最大的鄰居節(jié)點(diǎn)作為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)之一。同時(shí)，利用障礙物模型，分析候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)傳播路徑上的障礙物阻礙程度。如果阻礙程度超過一定閾值，說明該候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)不太適合作為下一跳，源節(jié)點(diǎn)會(huì)重新選擇其他候選節(jié)點(diǎn)。在選擇最終的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，還會(huì)考慮節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況。優(yōu)先選擇負(fù)載較輕的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以避免節(jié)點(diǎn)因負(fù)載過重而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲增加或數(shù)據(jù)包丟失。通過綜合考慮極大角信息、障礙物阻礙程度和節(jié)點(diǎn)負(fù)載情況，能夠選擇出更優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率和可靠性。在路徑維護(hù)方面，引入了一種基于鏈路質(zhì)量預(yù)測(cè)的路徑維護(hù)機(jī)制。節(jié)點(diǎn)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間鏈路的信號(hào)強(qiáng)度、數(shù)據(jù)包丟失率、延遲抖動(dòng)等參數(shù)，并利用這些參數(shù)建立鏈路質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。通過對(duì)歷史鏈路質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等），建立鏈路質(zhì)量與時(shí)間的預(yù)測(cè)模型。根據(jù)預(yù)測(cè)模型，節(jié)點(diǎn)可以提前預(yù)測(cè)鏈路在未來一段時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量變化情況。當(dāng)預(yù)測(cè)到鏈路質(zhì)量即將下降到一定閾值以下時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)提前尋找備用路徑，而不是等到鏈路完全中斷后才進(jìn)行路由重建。在尋找備用路徑時(shí)，采用與路由發(fā)現(xiàn)階段類似的算法，但會(huì)優(yōu)先選擇那些鏈路質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定且與當(dāng)前路徑不同的路徑。這樣可以確保在主路徑失效時(shí)，能夠迅速切換到備用路徑，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛鄷r(shí)間，提高路徑維護(hù)的效率和可靠性，保障數(shù)據(jù)的持續(xù)穩(wěn)定傳輸。六、仿真實(shí)驗(yàn)與性能評(píng)估6.1仿真環(huán)境搭建為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)估所提出的新型車載無線路由協(xié)議的性能，本研究借助專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2和車輛移動(dòng)性仿真工具VanetMobiSim搭建了高度逼真的仿真環(huán)境，以模擬真實(shí)城市場(chǎng)景下的車載自組網(wǎng)通信情況。NS2（NetworkSimulatorversion2）是一款廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的面向?qū)ο?、離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器，能夠?qū)Ω鞣N網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行模擬和分析，為本次研究提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)仿真支持。VanetMobiSim則是專門針對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性擴(kuò)展工具，用于模擬VANET中的車輛動(dòng)態(tài)行為和通信環(huán)境，可精確地模擬車輛在道路上的行駛軌跡、速度變化以及車輛間的交互等，為構(gòu)建真實(shí)的城市場(chǎng)景提供了關(guān)鍵支撐。在搭建仿真環(huán)境時(shí)，首先利用VanetMobiSim創(chuàng)建了一個(gè)具有代表性的城市場(chǎng)景。具體操作如下：定義了一個(gè)面積為5km×5km的矩形模擬區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)包含了多種類型的道路，如主干道、次干道和支路，形成了復(fù)雜的道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過導(dǎo)入真實(shí)的城市地圖數(shù)據(jù)，使道路布局更加貼近實(shí)際情況。在道路網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置了多個(gè)交叉路口，并配置了交通信號(hào)燈，以模擬真實(shí)的交通規(guī)則和流量控制。在添加車輛節(jié)點(diǎn)方面，根據(jù)不同區(qū)域的交通流量特點(diǎn)，設(shè)置了不同的車輛密度。在市中心區(qū)域，車輛密度較高，平均每平方公里設(shè)置200輛車；在郊區(qū)區(qū)域，車輛密度相對(duì)較低，平均每平方公里設(shè)置50輛車。通過這種方式，模擬了城市場(chǎng)景中不同區(qū)域的交通狀況。為了使車輛的移動(dòng)更加真實(shí)，為每輛車設(shè)置了隨機(jī)的初始位置和行駛方向，并采用了基于現(xiàn)實(shí)交通數(shù)據(jù)的移動(dòng)模型，如考慮了車輛在路口的轉(zhuǎn)彎概率、在不同路段的速度限制等因素。車輛的速度在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化，例如在主干道上，車輛速度范圍為30-60km/h；在次干道上，速度范圍為20-40km/h，以更真實(shí)地反映車輛在城市場(chǎng)景中的實(shí)際行駛情況。在完成城市場(chǎng)景和車輛節(jié)點(diǎn)的設(shè)置后，將VanetMobiSim生成的車輛移動(dòng)軌跡文件導(dǎo)入到NS2中。在NS2中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)配置。設(shè)置了無線通信的頻率為5.8GHz，通信范圍為200m，以模擬真實(shí)的車載無線通信環(huán)境。選擇IEEE802.11p作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，該協(xié)議是專門為車載環(huán)境設(shè)計(jì)的無線接入?yún)f(xié)議，能夠適應(yīng)車輛高速移動(dòng)的特點(diǎn)，提供可靠的通信保障。在NS2中，對(duì)仿真時(shí)間進(jìn)行了設(shè)置，每次仿真運(yùn)行時(shí)間為1000s，以確保能夠收集到足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行了多次仿真，取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過以上步驟，成功搭建了一個(gè)高度真實(shí)的城市場(chǎng)景車載自組網(wǎng)仿真環(huán)境，為后續(xù)的性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。6.2性能指標(biāo)設(shè)定為了全面、客觀地評(píng)估改進(jìn)后的新型車載無線路由協(xié)議在城市場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)，選取了一系列具有代表性的性能指標(biāo)，包括數(shù)據(jù)包交付率、傳輸時(shí)延、路由開銷和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等。這些指標(biāo)能夠從不同角度反映路由協(xié)議的性能優(yōu)劣，為協(xié)議的評(píng)估和改進(jìn)提供有力的數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)包交付率是衡量路由協(xié)議可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，它表示成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)量與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)之比，反映了協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性和穩(wěn)定性。在車載自組網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包交付率直接關(guān)系到車輛之間信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和完整性。在緊急剎車預(yù)警信息的傳輸中，只有當(dāng)數(shù)據(jù)包交付率足夠高時(shí)，后方車輛才能及時(shí)接收到預(yù)警信息，從而采取相應(yīng)的制動(dòng)措施，避免追尾事故的發(fā)生。若數(shù)據(jù)包交付率較低，就可能導(dǎo)致部分車輛無法及時(shí)獲取預(yù)警信息，增加交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算公式為：數(shù)據(jù)包交付率=（成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量/發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)）×100%。傳輸時(shí)延也是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，指數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出到被目的節(jié)點(diǎn)成功接收所經(jīng)歷的時(shí)間，包括發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延等。在車載自組網(wǎng)中，傳輸時(shí)延對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，如車輛的緊急制動(dòng)信息傳輸、交通信號(hào)燈狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取等，具有至關(guān)重要的影響。在車輛高速行駛的情況下，緊急制動(dòng)信息的傳輸時(shí)延過長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致后方車輛來不及做出反應(yīng)，引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。傳輸時(shí)延的計(jì)算公式為：傳輸時(shí)延=接收時(shí)間-發(fā)送時(shí)間。路由開銷用于衡量路由協(xié)議在運(yùn)行過程中所消耗的網(wǎng)絡(luò)資源，包括路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等過程中產(chǎn)生的控制數(shù)據(jù)包數(shù)量以及占用的帶寬等。在車載自組網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)資源有限，過高的路由開銷會(huì)占用大量的帶寬資源，影響數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。頻繁的路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)操作會(huì)產(chǎn)生大量的控制數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸會(huì)占用寶貴的帶寬，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率下降。路由開銷的計(jì)算公式為：路由開銷=（控制數(shù)據(jù)包的總大小/數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的總大?。?00%。網(wǎng)絡(luò)吞吐量是指在單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，反映了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸能力。在車載自組網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)吞吐量直接影響到車輛能夠獲取的信息數(shù)量和質(zhì)量。在車輛需要實(shí)時(shí)獲取大量交通路況信息的情況下，較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量能夠保證車輛及時(shí)獲取最新的路況信息，為駕駛員提供準(zhǔn)確的路線規(guī)劃建議，提高出行效率。網(wǎng)絡(luò)吞吐量的計(jì)算公式為：網(wǎng)絡(luò)吞吐量=成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量/傳輸時(shí)間。6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在不同的車輛密度場(chǎng)景下，對(duì)改進(jìn)后的新型車載無線路由協(xié)議與傳統(tǒng)的AODV協(xié)議、GPSR協(xié)議進(jìn)行了數(shù)據(jù)包交付率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。當(dāng)車輛密度較低時(shí)，三種協(xié)議的數(shù)據(jù)包交付率相對(duì)較為接近。隨著車輛密度的逐漸增加，新型協(xié)議的優(yōu)勢(shì)開始凸顯。在高車輛密度場(chǎng)景下，新型協(xié)議的數(shù)據(jù)包交付率明顯高于AODV協(xié)議和GPSR協(xié)議，相較于AODV協(xié)議提升了約20%，相較于GPSR協(xié)議提升了約15%。這是因?yàn)樾滦蛥f(xié)議通過綜合考慮節(jié)點(diǎn)密度、鏈路穩(wěn)定性和信號(hào)干擾等因素，在路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中能夠選擇更優(yōu)的路徑，有效避免了因網(wǎng)絡(luò)擁塞和鏈路中斷導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失，從而提高了數(shù)據(jù)包交付率。傳輸時(shí)延方面，在低車輛密度時(shí)，三種協(xié)議的傳輸時(shí)延差異不大。隨著車輛密度的增大，AODV協(xié)議和GPSR協(xié)議的傳輸時(shí)延顯著增加，而新型協(xié)議的傳輸時(shí)延增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。在高車輛密度場(chǎng)景下，新型協(xié)議的傳輸時(shí)延相較于AODV協(xié)議降低了約30%，相較于GPSR協(xié)議降低了約25%。這得益于新型協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段采用的基于鄰居節(jié)點(diǎn)信息的受限廣播算法，減少了廣播風(fēng)暴，降低了路由發(fā)現(xiàn)的時(shí)間開銷；在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，綜合考慮多種因素選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，避免了因選擇不佳導(dǎo)致的傳輸延遲增加。在路由開銷上，新型協(xié)議同樣表現(xiàn)出色。在不同車輛密度場(chǎng)景下，新型協(xié)議的路由開銷始終低于AODV協(xié)議和GPSR協(xié)議。在高車輛密度場(chǎng)景下，新型協(xié)議的路由開銷相較于AODV協(xié)議降低了約40%，相較于GPSR協(xié)議降低了約30%。這主要是因?yàn)樾滦蛥f(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)過程中，通過優(yōu)化機(jī)制減少了不必要的控制數(shù)據(jù)包傳輸，從而降低了路由開銷，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。網(wǎng)絡(luò)吞吐量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在低車輛密度時(shí)，三種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量較為接近。隨著車輛密度的增加，新型協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量增長(zhǎng)更為明顯。在高車輛密度場(chǎng)景下，新型協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量相較于AODV協(xié)議提高了約25%，相較于GPSR協(xié)議提高了約20%。新型協(xié)議通過優(yōu)化路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，使得在高負(fù)載情況下仍能保持較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。通過對(duì)不同場(chǎng)景下改進(jìn)前后協(xié)議及其他典型協(xié)議的性能指標(biāo)對(duì)比分析，可以得出，改進(jìn)后的新型車載無線路由協(xié)議在數(shù)據(jù)包交付率、傳輸時(shí)延、路由開銷和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠更好地適應(yīng)城市場(chǎng)景下復(fù)雜的通信環(huán)境，有效提升車載自組網(wǎng)的通信性能。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本研究深入剖析了城市場(chǎng)景下車載自組網(wǎng)的特性以及現(xiàn)有車載無線路由協(xié)議的工作原理、優(yōu)勢(shì)與不足，針對(duì)城市場(chǎng)景的獨(dú)特挑戰(zhàn)，提出并設(shè)計(jì)了新型車載無線路由協(xié)議，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了一系列具有重要價(jià)值的研究成果。在協(xié)議分析方面，對(duì)基于地理位置的GPSR協(xié)議以及基于跳數(shù)的AODV協(xié)議等典型車載無線路由協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)解析。明確了GPSR協(xié)議利用節(jié)點(diǎn)地理位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和周邊轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的策略，能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，但在處理信?hào)干擾和通信空洞導(dǎo)致的傳輸延遲方面存在不足。AODV協(xié)議基于按需路由原則，在路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)過程中，受車載網(wǎng)絡(luò)高動(dòng)態(tài)性影響，頻繁的拓?fù)渥兓瘜?dǎo)致路由開銷大，傳輸延遲增加，數(shù)據(jù)包投遞率降低。通過對(duì)這些協(xié)議的深入分析，為后續(xù)的改進(jìn)和創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)的