車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真與研究

趙寧　陳丹

摘 要：為了分析車載自組織網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議的性能，綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS 2和交通仿真軟件VanetMobiSim。通過trace文件查看數(shù)據(jù)包傳遞路徑，通過數(shù)據(jù)資料提取工具Gawk，定量分析GPSR性能指標(biāo)，得出當(dāng)節(jié)點(diǎn)車輛的平均行駛速度增大時(shí)，GPSR路由協(xié)議的平均端到端傳輸時(shí)延增大，平均送達(dá)率下降的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：車載自組織網(wǎng)絡(luò)；GPSR路由協(xié)議；貪婪轉(zhuǎn)發(fā)；trace文件

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

車載自組織網(wǎng)絡(luò)因具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓臁o線信道不可靠、節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行規(guī)律可預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，使路由技術(shù)成為了VANET中的挑戰(zhàn)[1，2]。近年來，大量的國內(nèi)外學(xué)者和研究人員，針對(duì)VANET的路由協(xié)議進(jìn)行了深入的、卓有成效的工作。PBR[3]、Taleb[4]等人根據(jù)車輛移動(dòng)特性預(yù)測(cè)路由的生命周期。北京郵電大學(xué)開發(fā)了一種網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 V-SARP，彌補(bǔ)了AODV 協(xié)議的不足；南京郵電大學(xué)開發(fā)出一種新的鄰居節(jié)點(diǎn)選擇下一跳的策略。合理分析現(xiàn)有路由協(xié)議的性能是對(duì)其改進(jìn)的基礎(chǔ)。本文基于NS 2路由協(xié)議仿真平臺(tái)，聯(lián)合交通仿真軟件VanetMobiSim進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析GPSR路由的性能，為改善GPSR路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。

1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是一種自組織、結(jié)構(gòu)開放的車輛間通信網(wǎng)絡(luò)。VANET網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要分為兩部分：一是車輛間的通信，二是車輛與固定設(shè)施的通信。各個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)都具有收發(fā)器和路由器的功能，車輛之間自動(dòng)連接可搭建起一個(gè)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。路邊單元主要負(fù)責(zé)車載單元的接入。在VANET發(fā)揮作用的同時(shí)，VANET路由協(xié)議為其提供重要的數(shù)據(jù)通信支持，因此，路由協(xié)議很大程度上決定了VANET的性能[5]。

2 GPSR路由協(xié)議

GPSR路由協(xié)議中，其轉(zhuǎn)發(fā)策略是將貪婪轉(zhuǎn)發(fā)與周邊轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的路由算法[6]。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S要向目的節(jié)點(diǎn)D傳遞數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)S在鄰居列表中選擇距離節(jié)點(diǎn)D最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)包傳遞給它。該過程一直重復(fù)，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點(diǎn)D。但當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)中沒有任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)比源節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)近，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)無法繼續(xù)，即發(fā)生局部最優(yōu)化現(xiàn)象。GPSR通過周邊轉(zhuǎn)發(fā)方式解決貪婪轉(zhuǎn)發(fā)失效時(shí)產(chǎn)生的鏈路割斷問題。

3 GPSR仿真環(huán)境搭建

本文運(yùn)用源代碼開放的NS 2路由協(xié)議的仿真平臺(tái)，聯(lián)合交通仿真軟件VanetMobiSim進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析GPSR路由的性能。具體的做法是，先在NS 2中添加GPSR路由協(xié)議，設(shè)置仿真場(chǎng)景，然后編寫TCL腳本并調(diào)用網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景文件，就可以在NS 2下進(jìn)行仿真和分析結(jié)果。

在仿真中，具體仿真參數(shù)配置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)配置表

屬性 參數(shù)設(shè)置 屬性 參數(shù)設(shè)置

MAC 協(xié)議 EEE 802.11DCF 停留時(shí)間 0 s

仿真場(chǎng)景 200×200 m2 傳輸范圍 250 m

路由協(xié)議 GPSR 分組類型 CBR

節(jié)點(diǎn)速度 20/30/40/50/60 km/h 仿真時(shí)間 300 s

節(jié)點(diǎn)數(shù)目 100 數(shù)據(jù)包長 32 B

4 GPSR仿真及分析

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

將交通仿真軟件VanetMobiSim產(chǎn)生的trace文件導(dǎo)入NS 2后，運(yùn)行Tcl腳本文件，調(diào)用 Nam 文件可以看到仿真場(chǎng)景。截取的一段trace文件數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 截取的trace文件

從圖1顯示的trace文件片斷可以看出，節(jié)點(diǎn)正在維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息。82節(jié)點(diǎn)和8節(jié)點(diǎn)發(fā)送GPSR控制分組給周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)，使鄰居節(jié)點(diǎn)得到82節(jié)點(diǎn)和8節(jié)點(diǎn)的位置信息，并將這些信息存儲(chǔ)在自己的鄰節(jié)點(diǎn)列表，這個(gè)過程就做初始化。初始化完成后，節(jié)點(diǎn)就會(huì)根據(jù)GPSR的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，由源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。圖2就是初始化完成后節(jié)點(diǎn)98向節(jié)點(diǎn)0發(fā)送數(shù)據(jù)包的軌跡。

圖2 節(jié)點(diǎn)98向節(jié)點(diǎn)0的轉(zhuǎn)發(fā)軌跡

4.2 指標(biāo)分析

通過數(shù)據(jù)提取工具Gawk，定量分析GPSR協(xié)議中的端到端延遲平均延遲和數(shù)據(jù)包分組送達(dá)率。此處設(shè)置使用CBR數(shù)據(jù)包流，并有節(jié)點(diǎn)發(fā)送，每一條每秒送出10個(gè)數(shù)據(jù)包，在此情況下進(jìn)行仿真，統(tǒng)計(jì)仿真數(shù)據(jù)，求出平均值作為結(jié)果。平均端到端時(shí)延和平均送達(dá)率隨著節(jié)點(diǎn)速度增加而變化的仿真數(shù)據(jù)見表2。

表2 仿真數(shù)據(jù)

節(jié)點(diǎn)速度/km·h-1 平均端到端時(shí)延/S-1 平均送達(dá)率/%100

20 2.334 46

30 2.924 41

40 3.326 37

50 3.645 34

60 4.364 27

從表2中可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)車輛的平均行駛速度增大時(shí)，GPSR路由協(xié)議的平均端到端傳輸時(shí)延呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，平均送達(dá)率下降。整個(gè)路由協(xié)議的性能隨著車輛節(jié)點(diǎn)速度的增加而呈現(xiàn)一定程度的變差，以下幾點(diǎn)是造成路由協(xié)議性能下降的原因：

（1）節(jié)點(diǎn)車輛在城市環(huán)境中移動(dòng)時(shí)，不可避免地受到建筑物、樹木等影響，從而造成兩節(jié)點(diǎn)通信質(zhì)量下降，平均投遞率下降；

（2）節(jié)點(diǎn)車輛的快速移動(dòng)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁、鏈路連通時(shí)間短；

（3）周邊轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的應(yīng)用導(dǎo)致數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)增多，使路由冗余度增加，從而造成端到端時(shí)延增加。

5 結(jié) 語

本文在NS 2中添加GPSR路由協(xié)議，配置仿真參數(shù)，運(yùn)行TCL文件。通過解讀trace文件，了解場(chǎng)景中100個(gè)節(jié)點(diǎn)的相互通信的情況下，GPSR路由協(xié)議的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。GPSR路由協(xié)議存在當(dāng)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)失效而采用周邊轉(zhuǎn)發(fā)而造成路由冗余度增加的現(xiàn)象，因此，GPSR路由協(xié)議依然有需要改進(jìn)的地方。

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