基于Qualnet的城區場景中VANET機會路由仿真

熊聰聰，吳 瓊

(天津科技大學計算機科學與信息工程學院，天津 300222)

隨著配備短距離無線通信接口(dedicated short range communications)車輛的增加，又新提出了一個針對車輛之間快速短距離的通信結構 Wave．相對于傳統無線自組網(mobile ad-hoc network，MANET)，車輛自組網(vehicular ad-hoc network，VANET)利用車載傳感器收集車輛信息，通過無線傳輸在節點之間進行傳送，并廣泛應用在城市交通信息數據的共享與傳輸，可以提高城市交通安全性和信息效率，在實現城市一體化交通方面有廣闊的發展前景．

在實際的城區場景中，由于網絡拓撲結構快速變化、車輛節點分布密度不均勻和節點通信范圍的限制，通常造成鏈路的中斷，網絡被分割成多個不連通的子區域，傳統的 MANET路由交換機制不再適用．在上述間歇性連接的交通場景中，利用容遲網絡(delay-tolerant network，DTN)攜帶–存儲–轉發機制，節點隨機移動并攜帶通信消息，從而創造新的通信機會，最終期望以較高的成功連接率來實現移動節點之間的端到端通信[1]．DTN網絡中的路由通過對轉發消息的存貯攜帶以及優先級來對接收到的數據包進行處理，對存儲器和網絡延遲性能要求較高．為了在間歇性連接的 VANET中合理選擇低延遲路徑傳遞消息，Zhao等[2]提出VADD協議，利用車流量歷史統計信息計算消息在交通路口各方向上的傳遞概率以及消息通過各路段的傳輸延遲．在 VADD協議基礎上，Link等[3]提出 GeoDtn協議，利用車輛的交通軌跡信息來獲得更好的性能，然而其過于依賴導航系統，并不能在實際場景中準確應用．GeoOpp路由[4]是車載網絡中一種基于軌跡特性的機會路由協議，它結合了車輛交通模型特性和地理位置信息，但對車輛導航系統的依賴性較高．

針對上述問題，本文提出一種改進的基于機會轉發策略的路由協議，適用于車載容遲網．該路由協議在 VADD的基礎上增加基于節點位置信息的機會路由轉發策略，選擇合適的消息轉發節點，動態選擇合適的路由．在Qualnet無線仿真平臺上結合VanetMobiSim設置城區交通場景，并與傳統VANET路由對比，進行了仿真實驗．

1 車輛交通模型和DTN

1.1 城區傳播模型假設和場景描述

在VANET中，交通模型宏觀上包括城區傳播場景、節點移動模型以及網絡通信模型；微觀上包括路由設施、交換基站、終端傳感器等基礎設施．

對VANET城區通信場景作如下假設：

(1)移動車輛間通信通過 IEEE802.11無線信道進行傳輸(有效距離為 100～250,m)，城區場景中的建筑設施和道撲變化造成通信的暫時中斷．車輛節點移動采用 Street Microcell Propagation 模型，即位于同一條道路上移動節點采用視距通信傳輸(line of sight propagation)，車輛節點之間使用Wi-Fi通信．VANET城區場景架構如圖1所示．

圖1 VANET 城區場景架構圖Fig.1 VANET urban scenario map

(3)假設節點都配備了基于 IEEE802.11的車載終端和 GPS通信功能，節點預先安裝了具有城區道路和流量統計信息的數字地圖．車輛行駛到交叉路口時，按照各路段的車流量確定轉向概率．

1.2 DTN和機會路由

DTN通信結構適用于極端通信情況，利用中繼節點臨時存儲轉發分組來提高網絡容量．該體系在應用層和傳輸層中新加入束層(bundle layer)，以便在間歇性連接的通信過程中實現鏈路的連通以及異步消息的可靠傳輸．束層中的底層逐條消息確認機制及可選的端到端確認策略減少了消息的傳輸延遲．

圖2 DTN的束層協議棧Fig.2 Bundle layer protocol stack of DTN

DTN中的機會路由針對的是延時時間較長的延遲，通常大于幾分鐘．攜帶–存儲–轉發機制傳輸過程如圖 3所示．在1T時刻源節點 S希望將消息傳輸給目標節點 D，但 S和 D位于不同的連通域且沒有直接通信路徑．S首先將消息發送給檢測到的鄰居節點1，節點1暫時將消息在本地存儲并等待合適的傳輸機會[6]．

圖3 攜帶-存儲-轉發機制Fig.3 Carry-store-forwarding mechanism

在T1+ΔT時刻，節點1進入到節點4的通信范圍并轉發消息．在 T3時刻，消息傳輸給目標節點 D，完成數據傳輸，其中過程包括了消息副本數確定、數據傳輸、節點消息緩存管理等．

2 改進的路由協議

綜上所述，VADD路由協議根據車流密度的歷史統計信息計算車輛在十字路口各路段的延遲，在轉發決策中并沒有綜合考慮多個車輛節點的位置信息．本文在 VADD協議的基礎上引入機會路由轉發策略，結合車輛的上下文信息，提出了一種改進的車載容遲網絡路由算法．

2.1 路由設計和改進

在VANET模型中，傳輸路徑jT上移動節點k的平均速度為,kjv ，在傳輸路徑長度上，λ為矯正系數[7]，鏈路傳輸延遲為

式中：c為基于先驗知識的常量．

若車輛節點k攜帶消息駛向路徑i所在的十字路口,ije ，j為路口,ije 處可選路徑，在當前節點出現傳遞信息請求時，根據傳輸延遲計算消息沿著各路段傳輸的優先級為

式中：ip為車輛k行駛至路口時選擇第i條道路的概率．將式(1)中的傳輸延遲,kjD 代入式(2)迭代計算，得到消息在路口,ije 的新路段方向優先級,ijU ，從而使消息沿著具有最低延遲期望的路段傳遞．在十字路口時車輛節點檢測周圍的可轉發節點車輛，車輛節點不再自身攜帶信息，以便能盡快將剩余的消息副本數傳遞給相鄰節點，使消息傳遞出去．改進算法結合了 VADD中的路段傳輸概率和機會轉發策略，進而計算轉發節點和報文傳輸目標的關系，轉發節點和報文傳輸的目標之間的距離計算公式為

算法流程如下：

(1)轉發節點廣播 Hello數據包，如果沒有發現鄰居節點，則直接攜帶消息駛向下一個路口．如果當前節點在選擇的下一個十字路口沒有與其他節點相遇，則繼續攜帶信息行駛．

(2)如果下一路段為多個轉發節點，通過角度計算公式判斷各節點之間的轉發角度，選擇最小角度的節點執行轉發過程．通過接受 Beacon消息，處于連通的各車輛可以交換效用值并更新位置方向．消息的傳輸規則是，消息總是傳遞至連通域內的具有最低效用值的車輛．當節點移動進入彼此通信范圍時，節點之間須在連接時間內交換信息．

2.2 路徑選擇和緩存管理

文中提出改進的機會路由協議中，數據報文的傳輸發生在十字路口選擇階段，不再分為直路模式和路口模式[8]．數據報文的傳輸綜合考慮轉發節點的位置和路段延遲綜合評測，車輛節點行駛至十字路口時，周期性發送 Hello消息感知相鄰街道的節點，并計算節點角度，判斷是否存在合適的轉發機會．該算法盡可能有效地在低延遲路徑上將數據報文向前傳輸給距離終點最近的車輛．

考慮到城區環境中會突發如交通事故等緊急信息，為了均衡利用網絡資源和提高預警消息傳播速率，本文采用的緩存機制如下：根據消息的緊急程度決定消息在節點緩存隊列中的排序，以便在通信連接恢復時優先發出．設消息傳輸路徑上的普通等級消息的轉發優先級為 U，若緊急消息產生，則優先級記為maxU ，排在隊列首位優先發出，優先級越高，則消息被優先傳輸的可能性越大．消息緩存示意如圖 4所示，優先級 U和數據包KTTL依次進入緩存隊列，在消息傳輸過程中KTTL值按遞減進行傳遞．

圖4 消息緩存隊列Fig.4 Message buffer management

道路行駛中車輛節點攜帶信息轉發路徑如圖 5所示．

圖5 車輛信息轉發路徑示意圖Fig.5 Path of vehicle message forwarding

若攜帶信息車輛的運動方向與路由路徑期望方向相反時，車輛攜帶信息繼續前行，否則優先選擇路由路徑上更接近于目標的車輛．

若相遇車輛為多個且為同向行駛，則源節點S會先傳遞數據包到距離路口最近的節點IV，若鄰居中沒有節點比自己更接近目標，則IV在路段 Ic會傳遞數據到行駛方向與期望方向相同的鄰居 A，而不是地理位置更接近的B，雖然A的位置沒有B優越，但由于其同向的運動方向，隨著時間變化最終將超過B．

3 仿真實驗

3.1 網絡仿真平臺

VANET中車輛交通模型仿真是基于VanetMobiSim的節點運動模型和 Qualnet平臺的網絡性能仿真的結合．Vanetmobisim是對Canumobisim的擴展，Canumobisim 是通用交通仿真器，能夠為不同的網絡仿真軟件產生移動跟蹤(trace)文件．采用不同的宏觀和微觀移動模型，聯合使用該平臺上所得到的 trace文件，可以通過定制場景來仿真不同的交通場景[9]．

Qualnet是 UCLA開發的離散事件仿真器，通過配置模型庫文件及相關各組件屬性可以對無線和有線通信網絡進行建模，適用于大規模無線移動網絡節點的仿真[9]，仿真速度大幅度提高．

3.2 車輛交通模型與配置

VanetMobiSim使用 Tigereader.xml提取城區地圖模型信息，配置運動節點位置信息、采樣時間間隔和節點數目，仿真輸出.mobility和.nodes文件，作為模型的trace文件導入后者．

在 Qualnet中導入 trace文件，生成網絡模型和節點運動場景，鏈路匯聚區域為節點，其余為移動路線坐標．

在Qualent中使用urban_grid.pl文件產生城區建筑物模型，配置場景文件 Node Placement：通過工具欄導入 Tiger地圖和地形文件，實現車輛運動軌跡的仿真．城區場景中的 Pathloss model配置為使用Street microcell模型．

Mobility And Placement配置如下：

Node-position-file Opportunity.nodes

Mobility files NONE

Mobility-position-granularity 1.0

節點無線子網和網絡接口參數格式配置如下：

Subnet N8-169.0.0.0 {0 thru 40} default

[N8-169.0.0.0] PHY-RX-model PHY802.11b

NETWORK-PROTOCOL IP

實驗中其他配置參數見表 1．仿真中還設置了緩沖器存貯容量和相遇時轉發的廣播包信息協議棧．

表1 仿真實驗參數Tab.1 Simulation parameters

3.3 結果分析

實驗仿真場景如圖6所示，節點移動所產生的路徑軌跡在圖中用旗幟符號標識．

圖6 Qualnet實驗仿真圖Fig.6 Simulation scenario of Qualnet

向網絡中注入不同的節點數據，考察網絡中節點數據的變化對路由算法性能的影響，并與 AODV和GPSR協議比較，主要從分組投遞率和消息傳輸的延遲時間兩方面進行評估．

從圖 7(a)可以看出，改進協議的數據包分組投遞率高于 AODV和 GPSR協議．車輛速度較低時，AODV的分組投遞率表現最好．但車載自組網是一種間歇性連接的網絡，通過地理位置信息和節點移動形成的連接概率增加使得更多的節點參與消息的轉發，因此改進機會路由協議和模型能夠達到較高的分組投遞率．AODV協議隨著車輛速度的增加會造成鏈路的頻繁中斷，導致重復路由修復．GPSR則因為位置信息的更新和車輛速度的增加不成比例，傳輸質量下降．

從圖7(b)可以看出，3種協議的數據包的平均端到端傳輸延遲是車輛節點移動速度的相關函數．在相同數據包投遞率的情況下比較，本文路由協議表現出較好的性能，隨著車輛速度的增加，節點的運動加快，車輛之間帶來的通信機會增多，所以加快了數據包的傳遞，端到端延遲有遞減趨勢．GPSR在低速度時根據地理位置信息選擇最近節點作為數據分組的轉發節點，隨著車輛速度增大，其延遲時間的變化并不明顯．AODV在速度較高時，由于查找路由出現頻繁錯誤導致延遲增大．

圖7 車輛速度對投遞率和延遲的影響Fig.7 Packet delivery ratio and the delay of vehicle speed

4 結 語

本文對在城區環境中的車輛交通模型和傳播損耗模型進行分析，結合 DTN的機會路由轉發機制改進消息在十字路口的緩存和轉發機制，提高間歇性連接的車載網中的數據包傳遞率．仿真結果表明，相對于傳統的 AODV、GPSR協議，機會路由轉發策略VANET城區通信環境數據傳輸性能有較大提高，減少了端到端的延遲．

［1］ 宋超，劉明，龔海剛，等. 基于分布式實時信息的車載網絡路由協議[J]. 軟件學報，2011，22(3)：466–480.

［2］ Zhao Jing，Cao Guohong. VADD：Vehicle-assisted data delivery in vehicular Ad hoc networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2008，57(3)：1910–1922.

［3］ Link J A B，Schmitz D，Wehrle K. GeoDTN：Geographic routing in disruption tolerant networks[C]//Proceedings of 2011 IEEE Global Telecommunications Conference，GLOBECOM 2011. New York：IEEE Inc.，2011：1–5.

［4］ Leontiadis I，Mascolo C. GeOpps：Geographical opportunistic routing for vehicular networks[C]//2007 IEEE International Symposium on a World of Wireless，Mobile and Multimedia Networks，WOWMOM. Piscataway：IEEE Computer Society，2007：1-6.

［5］ Wisitpongphan N，Bai F，Mudalige P. Routing in sparse vehicular ad hoc wireless networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communication，2007，25(8)：1538–1566.

［6］ 張國慶，幕德俊，洪亮，等. 城市場景下VANET路由協議大規模仿真研究[J]. 計算機仿真，2009，26(8)：249–252.

［7］ 馬濤，單洪. 基于 Qualnet的移動自組網建模與仿真[J]. 電光與控制，2009，16(4)：60–64.

［8］ 姜飛. 車載 Ad-hoc網絡按需路由協議的改進及仿真[D]. 北京：北京郵電大學，2010.

［9］ 杜昱宏，秦華標. 城市非連通車載自組網中低時延路由協議[J]. 計算機工程，2010，36(15)：111–113.