一種多場(chǎng)景下的無(wú)線車聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議仿真實(shí)現(xiàn)

王頂，張濤，王磊

(西京學(xué)院 控制工程學(xué)院，陜西 西安 710123)

一種多場(chǎng)景下的無(wú)線車聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議仿真實(shí)現(xiàn)

王頂，張濤，王磊

(西京學(xué)院 控制工程學(xué)院，陜西 西安 710123)

在WAVE模式下得到認(rèn)可的具有代表性的路由協(xié)議主要有DSR、AODV和DSDV.針對(duì)以往的研究很少采用完整的WAVE通信模式以及仿真場(chǎng)景不全面的現(xiàn)狀，采用NCTUns6.0構(gòu)建逼真的道路，設(shè)計(jì)了多種場(chǎng)景，在WAVE模式下對(duì)路由協(xié)議DSDV、DSR、AODV進(jìn)行仿真分析，研究各種的路由協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)密度和移動(dòng)速度下的網(wǎng)絡(luò)性能，以期得到在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下WAVE車載通信的最佳路由方案.仿真結(jié)果表明DSDV不適合應(yīng)用在車載環(huán)境，DSR在低速低密度的路況中表現(xiàn)良好，AODV則在高速高密度環(huán)境下表現(xiàn)出較好的適應(yīng)能力.

通信與信息系統(tǒng)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；WAVE模式；車載網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議

0 引 言

車載環(huán)境中的無(wú)線存取(WAVE[1-2],Wireless Access in the Vehicular Environment)是由專用短程通信技術(shù)(DSRC，Dedicated Short Range Communications)發(fā)展而來(lái)，支持車車通信(V2V)、車路通信(V2R)，由于車載環(huán)境下節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)、傳輸多跳性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化、帶寬有限等，路由選擇至關(guān)重要[3].相比以往的路由協(xié)議仿真，本文主要研究WIBSS(WAVE Basic Service Set)通信模式，選用多跳的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)模型，利用NCTUns6.0，采用完整的WAVE模式以及設(shè)計(jì)全面的場(chǎng)景，對(duì)DSDV、AODV、DSR路由協(xié)議進(jìn)行仿真，研究了節(jié)點(diǎn)速度、節(jié)點(diǎn)密度在各路由協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)性能，最后得出結(jié)論.

1 WAVE系統(tǒng)架構(gòu)

WAVE包括IEEE802.11p和IEEE1609.X協(xié)議簇，其中802.11p[4]定義了物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層，直接依賴于802.11a中的OFDM機(jī)制和802.11e中的Qos服務(wù)質(zhì)量機(jī)制，IEEE1609定義了上層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，更適應(yīng)車載環(huán)境以及ITS應(yīng)用.其優(yōu)勢(shì)可從與其他無(wú)線通信技術(shù)相比較得出，如表1所示.

從表1可以看出，WAVE在性能上要優(yōu)于Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線通信技術(shù)，跟WiMax技術(shù)相比，在性能雖然差不多，但在實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和成本上，WAVE要比WiMax更具有優(yōu)勢(shì)，基于WAVE的應(yīng)用容易部署，更加適合商業(yè)模式，目前已有部分產(chǎn)品問(wèn)世，例如中國(guó)臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院的IWCU[5].

表1 WAVE與其他無(wú)線通信技術(shù)比較

2 車載網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

車載網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一種移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)是對(duì)等的，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不僅具有網(wǎng)絡(luò)終端的功能還有路由器的功能，節(jié)點(diǎn)可能隨時(shí)加入和離開(kāi)網(wǎng)路[6]，這種特性使得現(xiàn)有的有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議都不適合在WAVE環(huán)境中使用，本文主要對(duì)WAVE協(xié)議中得到認(rèn)可的具有代表性的路由協(xié)議DSR、AODV和DSDV進(jìn)行仿真.

DSR[7-8](Dynamic Source Routing)是一個(gè)基于源路由概念的按需自適應(yīng)路由協(xié)議.只有在需要傳送數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)起路由查找，當(dāng)節(jié)點(diǎn)路由緩存中找不到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)向全網(wǎng)廣播查找信息，找到節(jié)點(diǎn)后通過(guò)反向傳遞建立路由路徑 ，DSR每次數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，數(shù)據(jù)包頭將攜帶整條路由信息，路由中的每一跳節(jié)點(diǎn)無(wú)須保存該路由信息.

AODV[9](Ad Hoc on-Demand Distance Vector Routing)是 DSR和DSDV的綜合，AODV協(xié)議的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)路由表，保存下一跳節(jié)點(diǎn)的信息，因此數(shù)據(jù)分組頭部不再需要攜帶完整的路由.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)并且S節(jié)點(diǎn)路由表中沒(méi)有到達(dá)該D節(jié)點(diǎn)的有效路由時(shí)，S點(diǎn)就會(huì)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)PPEQ包，鄰居節(jié)點(diǎn)檢查、判斷后對(duì)RREQ包進(jìn)行相應(yīng)的處理(丟棄或轉(zhuǎn)發(fā))，如此下去，直到找到D節(jié)點(diǎn)或存儲(chǔ)了一條到達(dá)D節(jié)點(diǎn)的中間節(jié)點(diǎn)為止，D節(jié)點(diǎn)收到RREQ包后，向S節(jié)點(diǎn)反向發(fā)送RREP包，S節(jié)點(diǎn)收到RREP包后，路由路徑便建立.

DSDV[10](Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)協(xié)議是一種點(diǎn)到點(diǎn)距離向量路由協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)周期性地將本地路由表信息傳送給鄰居節(jié)點(diǎn)，或當(dāng)其路由表的內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)也會(huì)將路由信息傳送給鄰居節(jié)點(diǎn)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不需要啟動(dòng)路徑尋找便可立即發(fā)送，表中包括所有有效的目的節(jié)點(diǎn)地址、到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的度量值(常用跳數(shù)來(lái)度量)和目的節(jié)點(diǎn)路由序列號(hào)等信息，鄰居節(jié)點(diǎn)收到包含修改的路由表信息后，比較目的節(jié)點(diǎn)路由序列號(hào)的大小，接收路由序列號(hào)大的路由信息，刪除序列號(hào)小的路由信息，如果序列號(hào)相同，則以某種最佳機(jī)制(如跳數(shù)最小)來(lái)選擇最優(yōu)路由.

3 NCTUns與仿真流程

3.1仿真環(huán)境以及搭建

NCTUns[11-14]是一款新型的網(wǎng)絡(luò)模擬仿真軟件，支持多種功能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， NCTUns6.0是NCTUns開(kāi)源的最后一個(gè)版本， 與NS2及其他網(wǎng)絡(luò)模擬軟件相比，NCTUns直接使用真正Linux內(nèi)核的TCP/IP協(xié)議棧，產(chǎn)生真實(shí)的數(shù)據(jù)包，并且可以使用現(xiàn)有的應(yīng)用程序.NCTUns5.0及以上版本實(shí)現(xiàn)了IEEE802.11p和1609協(xié)議棧，成為了第一批支持完整WAVE協(xié)議棧的仿真器.

本文使用NCTUns6.0，基于 Fedora 11操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為2.6.31.6，安裝后重啟后以新的內(nèi)核運(yùn)行，在控制臺(tái)打開(kāi)三個(gè)終端，依次運(yùn)行調(diào)度器dispatcher、協(xié)調(diào)器coordinator、客戶端nctunsclient，如圖1為NCTUns6.0的GUI界面，選取2 km長(zhǎng)的雙向多車道(交叉路口含紅綠燈等交通設(shè)備)道路，車輛節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在道路上，車輛節(jié)點(diǎn)選擇NCTUns6.0中裝備有802.11p接口的ITS OBU.

圖1 在GUI界面上構(gòu)建道路并添加車輛節(jié)點(diǎn)

3.2 仿真結(jié)果與分析

主要的參數(shù)設(shè)置如表2所示，

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

參數(shù)名稱參數(shù)值仿真工具NCTUns6．0仿真范圍2km?2km車輛個(gè)數(shù)15-90發(fā)射范圍300m路由協(xié)議DSDV、AODV、DSRMAC協(xié)議802．11p數(shù)據(jù)包大小1000bytes數(shù)據(jù)率6Mbps仿真時(shí)間100s車道數(shù)2，4雙向最大移動(dòng)速度8-48m/s紅綠個(gè)數(shù)1(SA控制)

NCTUns運(yùn)行時(shí)即可將吞吐量、丟包個(gè)數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)存放在*.result目錄下相應(yīng)的文件中.為了減少偶然因素帶來(lái)的影響，使仿真結(jié)果更加可靠，所取數(shù)據(jù)為重復(fù)10次仿真實(shí)驗(yàn)之后的平均數(shù)據(jù).本文從節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)如圖2和移動(dòng)速度如圖3兩個(gè)方面分析WAVE模式下各路由協(xié)議的性能，仿真結(jié)果如下圖所示.

車輛個(gè)數(shù) 車輛個(gè)數(shù) 圖2(a) 節(jié)點(diǎn)速度固定為18 m/s 圖2(b) 節(jié)點(diǎn)速度固定為18 m/s

車輛個(gè)數(shù) 移動(dòng)速度/(m/s) 圖2(c) 節(jié)點(diǎn)速度固定為18 m/s 圖3(a) 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)固定為40

移動(dòng)速度/(m/s) 移動(dòng)速度/(m/s) 圖3(b) 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)固定為40 圖3(c) 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)固定為40

從圖2(a)(b)可以看到，隨著車輛節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，各路由協(xié)議丟包個(gè)數(shù)先逐漸減少，后來(lái)又有所增加，吞吐量則表現(xiàn)為先逐步增加后來(lái)有所降低，這主要是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)傳輸范圍有限，當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)間通信距離縮短，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)能建立穩(wěn)定的通路，就算有節(jié)點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，也能迅速找到替補(bǔ)的路徑；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到80個(gè)左右時(shí)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度較大，這樣容易造成信道擁擠，導(dǎo)致丟包，所以丟包個(gè)數(shù)有所上升.并且可以看到節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)小于45時(shí)，DSR優(yōu)于AODV，DSDV表現(xiàn)最差，這是因?yàn)榘葱杪酚葾ODV、DSR能很快適應(yīng)拓?fù)溲杆僮兓珼SR采用源路由機(jī)制，很快能找到路徑.但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，即網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，源路由機(jī)制就表現(xiàn)出了劣勢(shì)，因?yàn)镈SR協(xié)議每個(gè)分組頭部都需要攜帶完整的路由信息，會(huì)造成額外的開(kāi)銷.AODV協(xié)議采用DSR協(xié)議的路由建立和路由維護(hù)，同時(shí)借用了DSDV協(xié)議的多跳、目的節(jié)點(diǎn)序列等機(jī)制，表現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性.

從圖3(c)可看到，隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，各路由協(xié)議的延時(shí)特性先有所減小后來(lái)又逐漸增大，節(jié)點(diǎn)數(shù)小于60時(shí)，DSDV延時(shí)最低，這是DSDV路由機(jī)制的緣故，從節(jié)點(diǎn)維護(hù)的路由表中可以直接找到最佳通信路徑.網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時(shí)，DSDV路由表更需要新花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間.按需路由AODV在延時(shí)方面要優(yōu)于DSDV，DSR協(xié)議表現(xiàn)次于AODV.

從圖3(a)和圖3(b)可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)速度的增加，三種協(xié)議的丟包個(gè)數(shù)增多，吞吐量降低，AODV和DSR變化比較緩慢，DSDV表現(xiàn)最為嚴(yán)重，從圖3(a)可以看到，當(dāng)速度達(dá)到48 m/s時(shí)，DSDV協(xié)議的吞吐量降低了70%，這也表明按需路由較表驅(qū)動(dòng)路由更適應(yīng)拓?fù)漕l繁變化的環(huán)境，高速環(huán)境中DSDV路由已經(jīng)不能再使用，從圖3(c)得出延時(shí)方面，速度小于8 m/s，DSDV延時(shí)最小，DSR次之，隨著速度的增加，DSDV延時(shí)急劇上升，這是由于節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)導(dǎo)致拓?fù)漕l繁變化，DSDV源路由表路徑已經(jīng)失效，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要重新更新路由表，非常耗時(shí)，AODV延時(shí)變化不是很大.

4 結(jié) 論

WAVE協(xié)議是未來(lái)智能交通方面一個(gè)重要的應(yīng)用，本文利用NCTUns6.0在WAVE模式下對(duì)認(rèn)可的路由協(xié)議進(jìn)行仿真，結(jié)果表明DSDV性能受節(jié)點(diǎn)速度影響較大，不適合高速車載環(huán)境，DSR在低速低密度的情況下表現(xiàn)良好，AODV則在高速高密度環(huán)境下有較好的適應(yīng)能力.但在WAVE環(huán)境中，為了保證行車安全，車車通信能快速正確的收到信息，需要更高性能的路由協(xié)議，這也是現(xiàn)在和未來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn).

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[責(zé)任編輯：王軍]

A multi-scenario implementation of routing protocol simulation in WAVE

WANG Ding, ZHANG Tao,WANG Lei

(Institute of Control Engineering,Xijing University,Xi’an 710123,China)

The representative of routing protocol which is approved and primary in WAVE communication mode is DSDV,DSR and AODV.Aiming at the shortage of including the WAVE communication mode and incomplete use of simulation scenes in the former literatures, the paper builds realistic city road environment and designed several scenes through NCTUns6.0 and simulates routing protocol DSDV, DSR, AODV in WAVE communication mode so that it can research the network performance of node density and node speed under different routing protocols .The results show that DSDV is not suitable WAVE environment, DSR has better performance in low-speed and low-density environment, AODV has better adaptability in high-speed and density environments.

communication and information system; wireless network; WAVE mode; vehicle network; routing protocol.

2015-07-14；

2015-09-01

王 頂(1988-)，男，河南商丘人，西京學(xué)院碩士研究生，主要從事嵌入式開(kāi)發(fā)的研究.

TP393

A

1672-3600(2015)12-0046-05