基于車載自組網的AODV協議的改進

董 麗 ，藺永政

(1.山東醫學高等專科學校，山東 濟南250002；2.濟南大學 信息科學與工程學院，山東 濟南250022）

車載自組織網絡VANET(Vehicular Ad hoc Networks)作為移動自組織網絡MANET(Mobile Ad hoc Networks)的特例，既有MANET的一般特點，又有其特殊性[1]。自組織網絡是由一組帶有無線收發裝置的移動節點組成的無線通信網絡，它不依賴于預設的基礎設施而臨時組網，網絡中的移動節點利用自身的收發裝置交換信息，使網絡中的節點共享有用的信息。當彼此不在自己的通信范圍時，可以借助其他中間節點中繼來實現多跳通信。因此，自組網是一種無線分布式、多跳、自組織、無中心、可移動的網絡[2]。而VANET中各種各樣的汽車就是MANET中的移動節點。但是VANET中的節點移動速度很快，拓撲結構變化頻繁，運動軌跡可預測，不需要考慮節點的能量問題，這些特征使MANET中的許多技術(包括路由技術)很難直接移植到VANET中。這時就需要對MANET中的技術進行改進，使之適應VANET的需要。由于節點移動速度快，拓撲結構變化頻繁，而路由協議收斂速度緩慢，會使大量控制分組存在于鏈路上，占用網絡帶寬；數據分組因找不到合適的路由而延時等待，從而增加了時延，降低了分組交付率。當節點移動速度和拓撲結構變化達到一定程度時，一般的路由協議就會失去作用，而只能通過洪泛的方式達到傳遞數據分組的目的。針對VANET中節點移動的特點，提出了一種改進協議——AODV_BD，降低了分組時延。

1 AODV路由協議及其改進

在帶寬資源有限、拓撲結構不斷變化的自組織網中，沒有必要維護任意兩個節點之間的路由。快速變化的拓撲結構會使路由有效時間縮短，路由信息利用率下降。按需路由協議[3]（又稱反應式路由協議）就應運而生。

1.1 AODV路由協議

自組網按需距離矢量路由協議AODV[4](Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing)根據業務需求建立和維護路由，是動態源路由協議DSR(Dynamic Source Routing)和目的序列號距離矢量路由協議DSDV(Destination Sequence Distance Vector)的結合，并且是一種典型的按需路由協議。它采用了DSR協議的路由發現和維護的基礎；采用DSDV逐跳路由、順序編號以及路由維護階段的周期更新機制。

AODV協議使用源節點路由重建和本地修復兩種方式維護正在使用的路由。本地修復的原理：中間節點檢測到鏈路中斷時，先緩存來自源節點的數據分組，同時發送路由請求分組RREQ，如果目的節點收到該請求，則回復路由應答分組RREP，路由修復成功；否則，若在一定的時間內目的節點沒有收到RREP，則向源節點報告路由失效消息，由源節點進行相應的處理。

1.2 AODV路由協議的改進

從以上分析可知，當鏈路中斷時，本地修復通過發送路由請求分組和路由應答分組重新建立到達目的節點的路由，而此時的數據分組被緩存起來。當到達目的節點的路由建立后再發送數據分組，這樣不僅會增加時延，而且新建立的路由可能因為拓撲結構的變化而失效。AODV_BD通過本地修復時廣播帶有的控制信息數據分組來建立到目的節點的路由。

具體流程是：當節點檢測到鏈路中斷時，不再發送RREQ分組而是廣播一個被增加了控制信息分組頭的數據分組的拷貝。這個分組頭部與RREQ的分組頭部類似，也有建立反向路由和尋找路由的功能。當數據分組拷貝到達一個節點時，根據分組頭中的內容建立反向路由并判斷此節點是否為目的節點或此節點是否包含到目的節點的有效路由。反向路由的目的節點是發起路由修復的中間節點，下一跳節點是將數據分組發送給本節點的鄰節點。如果此節點是目的節點或此節點包含到目的節點的有效路由，就沿著反向路由發送一個RREP分組，并在此過程中建立到目的節點的正向路由，正向路由的目的節點是RREP的源節點，下一跳是將RREP發送給本節點的鄰節點。當RREP到達發起路由修復的中間節點時，此中間節點就將已發送的數據分組刪除，避免重復發送；否則，它再向周圍節點廣播此數據分組。這樣依次進行，直至到達目的節點或包含到目的節點有效路由的節點。這樣不僅建立了路由，而且減少了時延。

2 移動模型產生器

本文所使用的移動模型產生器是VanetMobiSim[4](Vehicular Ad Hoc Networks Mobility Simulator）。

VanetMobiSim的目的是使車輛移動模型更接近現實。VanetMobiSim可以設置模擬場景的大小、模擬時間的長短、節點個數和速度大小。它既允許用戶自己定義道路的拓撲結構，又可以隨機產生道路的拓撲結構，因此能夠很靈活地滿足用戶的不同需求。VanetMobiSim中還可以在十字路口處設置交通燈和交通燈的時間間隔，當紅燈時，車輛就會自動停下來；當變為綠燈時，車輛就會繼續前進。使用帶有十字路口管理的智能駕駛員模型IDM_IM(Intelligent Driver Model with Intersection Management)可以很真實地模擬節點的運動。它可以根據鄰居車輛的運動來控制車輛的速度（例如，當一前方車輛剎車時，隨后的車輛就會減速）。

3 仿真過程

本文使用NS2[5](Network Simulation 2)作為仿真平臺進行研究。NS2是一款免費的、面向對象的、離散事件驅動的網絡仿真軟件，由Otcl和C++兩種語言編寫而成。它具有開放性好、擴展性強、適用于Windows和Linux系統平臺的特點，是一款出色的研究網絡拓撲結構、分析網絡傳輸的模擬軟件。

3.1 網絡性能指標及其計算方法

本文將使用以下兩個性能指標對仿真結果進行分析：

(1)分組交付率（Packet Delivery Ratio）：到達目的節點應用層的數據分組數目與源節點應用層發送的數據分組數目的比值。它反映了路由協議的可靠性和完整性。

(2)端到端時延（End-to-End Delay）：數據分組到達目的節點應用層的時間減去源節點發送此數據分組的時間。

3.2 網絡參數

本文使用NS2-2.30進行仿真實驗，天線通信范圍為250 m，主要網絡參數如表1所示。

表1 主要網絡參數表

3.3 數據流產生器

本文所使用的數據流產生器是NS2自帶的cbrgen工具。它可以指定所產生的數據流的類型（包括cbr流和tcp流）、節點數、隨機種子數、節點間的最大連接數以及每對節點間數據的發送頻率等。

3.4 模擬場景

本文所使用的模擬場景由上述的VanetMobiSim所產生，共有兩個模擬場景，分別如表2和表3所示。

表2 場景1參數設置

3.5 仿真結果分析

在上述兩種場景下，數據分組的交付率、端到端時延與節點的移動速度、數據分組的發送頻率之間的關系如圖1～如圖4所示。

從圖1可以看出AODV協議的時延比AODV_BD協議的時延要大，且這兩個協議的時延隨速度的起伏基本一致。AODV協議的最小時延約為0.013 s，最大時延約為 0.04 s；而 AODV_BD協議的最小時延約為 0.008 s，最大時延約為0.027 s。這兩個協議的時延曲線基本不受速度的影響，呈鋸齒狀分布。當節點檢測到鏈路斷開時，采用廣播帶有路由請求的數據分組，盡早完成部分數據分組的轉發，并且完成了到達目的節點的鏈路的修復，在一定程度上減少了時延。

從圖2可以看出AODV協議的時延比AODV_BD協議要大，AODV協議的最小時延約為0.008 s，最大時延約為0.064 s；而AODV_BD協議的最小時延約為 0.011 s，最大時延約為0.049 s。總體上，這兩個協議的時延都隨著分組發送頻率的增加而增加，這是因為數據分組在單位時間內的數量增加，從而引起路由查詢的次數增加進而導致路由查詢的時間加大。AODV協議時延起伏較大，這是由此協議的工作原理造成的；而AODV_BD協議的起伏較平緩，隨著分組及交付率的增大而緩慢上升。

從圖3可以看出，AODV協議的分組交付率與AODV_BD協議的分組交付率幾乎一樣，受移動速度的影響很小。當速度達到18 m/s時，這兩個協議的分組交付率降到最低點。

從圖4可以看出，AODV協議分組交付率與AODV_BD協議的分組交付率差別很小。當分組發送頻率小于3.5 p/s時，這兩個協議的分組交付率隨發送頻率的增加逐漸變大，最大值可達0.997；當分組發送頻率大于3.5 p/s時，兩個協議的分組交付率隨發送頻率的增加迅速變小，而AODV_BD協議的交付率優于AODV協議的交付率。

本文主要通過NS2對按需路由協議AODV及其改進的協議AODV_BD進行仿真，分析評價其分組交付率和分組時延。通過使用移動模型產生器VanetMobiSim，較為真實地模擬了車輛的移動和道路的布局，對VANET的仿真研究具有一定的參考價值。通過仿真結果可以看出，AODV_BD協議在一定程度上減少了分組時延，達到了預定的目的。

[1]常促宇，向勇，史美林.車載自組織網的現狀與發展[J].通信學報,2007，28(11)：116-126.

[2]于宏毅.無線移動自組織網[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3]張順亮，葉澄清，李方敏.移動Ad Hoc網絡路由協議綜述[J].計算機科學，2003，30(12)：27-30.

[4]陳模科，陳勤，張旻.基于hello消息的AODV路由協議的改進[J].計算機仿真，2009，26(8)：143-146.

[5]方路平，劉世華，陳盼.NS-2網絡模擬基礎與應用[M].北京：國防工業出版社，2008.