基于移动模型的车载自组织网络连通的方法

　　0 引言
　　车载自组织网络（Vehicular Ad Hoc Network， VANET）是一种特殊的无线Ad Hoc网络[1]，可以适应不断变化的网络拓扑结构，为道路车辆之间、车辆与路边固定接入点之间提供通信。VANET作为智能交通系统（Intelligent Transport Systems， ITS）的一个重要组成部分，由于其具有巨大的经济价值和社会价值引起了各国职能部门、科研和工业研究机构的高度关注[2]。通过VANET可实现车辆协同安全驾驶、交叉路口决策支持、区域交通智能调度、实时交通信息发布、无限增值信息服务，以及诸如对等网络（Peer to Peer， P2P）文件共享、视频传输、在线游戏等交互式流媒体通信方面的应用。
　　VANET作为一种新型的移动自组织网络，它既具有传统自组织网络的特点，如拓扑结构动态变化、自组织无中心、低带宽等，又有自己的特点：比如快速移动性、拓扑变化频繁、间歇连通性、网络规模大、充足的能量供应等。动态的网络拓扑结构直接影响着VANET连通特性，再加上无线信道的恶劣环境，使网络连通性问题研究十分复杂。连通性是VANET对用户提供可靠服务的先决条件，意义格外重要。
　　文献从链路连接特性、网络连通性和网络中心性等三个方面分析网络连通特性。　　上述研究中存在一些问题：在理论分析中，假设车流服从指数分布，然而，真实车辆的时空分布及其运动绝不可能是完全随机的，而且都是建立在节点具有固定通信半径的理想路径损耗信道模型的基础之上。在仿真研究中，采用的移动模型可能与真实车辆交通环境相差甚远，比如随机路点模型、曼哈顿模型等。这与现实车载自组织网络中真实的环境存在较大差异，从而导致这些研究结论只能为实际的VANET部署提供有限的指导意义。另外，大部分研究中都没有考虑移动网络的动态时空特性，仅仅研究了网络的部分静态特征。事实上，VANET为含有时间的复杂网络，也称为动态网络。
　　移动模型被广泛应用于VANET相关协议和算法的性能评价中。智能驾驶模型（Intelligent Driver Model， IDM）由Treiber等，因此，本文采用IDMLC研究车载自组织网络的动态连通特征。
　　1 IDMLC
　　其中：al-a为当前车辆移动变道后的加速度增量，acur-alcur为当前车道尾随车辆加速度的损失，anew-alnew为候选车道车辆加速度的损失。当车辆向右变换车道时将加上abias，而向左变换车道时则减去abias，p为礼貌参数。athr表示变道最小加速度增益阈值，车辆变道后要保证车道上后面的车辆不需要明显的刹车行为，即减速度必须大于安全值asafe。
　　3.2 VANET连通特征分析
　　仿真实验中车辆数的初始值为200，仿真时间为500s，考虑到系统初始时存在的不稳定性，对100s以后的数据进行分析研究。图1（a）～（d）分别为t=100s、200s、300s和400s，通信半径为220m时网络拓扑的瞬时结构，图1中可连通节点用线段连接。
　　连通分支的数目是刻画网络连通性能的主要参数，图2为不同通信半径下的连通分支数随时间的变化。由图2可知当通信半径比较小时，网络连通分支数较多，网络分割现象较为严重，无法形成较大规模的连通分支；  本文由WwW. 提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及发表论文服务，欢迎光临随着网络半径的增大，连通分支数减少，且当通信半径比较大时，连通分支数变化率会急剧下降。利用QQ图鉴别样本数据是否近似于正态分布，检验结果如图3（a）～（d）所示，QQ图上的点近似地在一条直线附近，同时用T检验进一步验证得出连通分支数服从正态分布。
　　图4（a）～（d）分别为不同半径时连通分支数的累积分布函数F（x），当通信半径为60m时，网络的连通分支数大于75的占80%，这时网络分割严重，存在大量孤立节点，很多节点之间无法通信；当半径增大为300m时，连通分支数大于13的占10%，这充分说明了通信半径对网络连通性的影响。图5为平均连通分支数与通信半径之间的关系，用指数函数拟合得到曲线为（r）=-97.84r0.1821+285.7，各参数95%的置信区间、和方差（Sum of Squares for Error， SSE）、确定系数Rsquare、均方根误差（Root Mean Square Error， RMSE）的值如表2所示，Rsquare=0.9995，说明拟合效果很好。
　　在网络受到持续的攻击时，最大连通子图（分支）规模大小是测量网络连通功能一个重要的量。在这个子图内所包含的节点比其他子图的都多，并且任意两个节点之间都存在连接通路，通常用节点数来表示这种最大连通分支规模，它与网络连通性长度，共同作为复杂网络连通性和稳定性的一种度量。图6为不同通信半径时最大连通分支的规模的变化，当半径为60m、140m、220 m和300m时，其均值分别为12.0375，23.9600，61.9700和128.2800，标准差分别为4.9042，6.8341，21.1698和21.2213，变异系数为0.4074，0.2852，0.3416和0.1654，可见当半径较小时，变异系数越大，其相对变化率越大；反之则最大连通分支规模的变化率越小。由图7知，连通率随传输半径增加而增大，特别是半径较大时，曲线变化很快，可以达到较高的连通率。通信半径和连通率之间的关系可用高斯函数表示（r）=2.186e-（r-551.4255.1）2，其余拟合参数如表2所示。
　　当网络频繁分割时，可用网络连通性长度来描述其连通特征，图8给出了不同通信半径时连通性长度随时间的变化曲线；图9为平均连通性长度图9为平均连通性长度随通信半径的变化曲线此处语句不太通顺，请作相应调整。  本文由WwW. 提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及发表论文服务，欢迎光临。通信半径较小时，网络连通性长度很大，这是由于网络严重分割，故拓扑结构很不稳定，网络的连通性得不到保证；随着通信半径的增加，连通性长度迅速减小，当半径大于200m时，趋于平稳。通信半径和连通性长度之间的关系可用函数（r）=3306r-0.8603-18.33近似表示，其余参数如表2所示，确定系数的值接近于1，表明该函数能较好地描述通信半径与平均连通性长度直接之间的关系。
　　4 结语
　　在VANET中，连通性对于分析整个网络性能来说十分重要，尤其是在增强安全性和舒适性方面的应用。本文基于IDMLC对车载自组织网络动态连通特征作了研究，仿真结果分析表明当通信半径比较小时，网络分割研究严重此处语句不通顺，请作相应调整。，连通性差，增加通信半径可有效改善VANET的连通性；另外，研究了网络连通分支数的统计特征。真实车载自组织网络拓扑连通性呈现怎样的特征？根据连通特征，建立合理的连通性数学模型，为VANET路由协议设计、数据分发机制、移动性管理等方面的研究提供理论支撑，这些将是下一步工作。　参考文献：
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