VANET路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)容量仿真分析*

譚方勇，方立剛，金志峰

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215104；2.吳江區(qū)公安局科信大隊(duì), 江蘇 蘇州 215200)

VANET路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)容量仿真分析*

譚方勇1，方立剛1，金志峰2

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215104；2.吳江區(qū)公安局科信大隊(duì), 江蘇 蘇州 215200)

針對(duì)車載自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度快、拓?fù)渥兓l繁以及無(wú)線信道質(zhì)量不穩(wěn)定的特點(diǎn)，提出了此類網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議必須綜合考慮業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)能力以及自組網(wǎng)本身的特點(diǎn)等因素的設(shè)計(jì)思想。分析了承載業(yè)務(wù)分為低速率的導(dǎo)頻信道和高速率的業(yè)務(wù)信道對(duì)傳輸速率的不同要求，研究了在選擇路由協(xié)議時(shí)的網(wǎng)絡(luò)容量上、下限問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)的可行吞吐量的上下限將隨著無(wú)線電波衰減系數(shù)和節(jié)點(diǎn)帶寬的增大而增大。在車載自組網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這種關(guān)系，從而提高節(jié)點(diǎn)的可行吞吐量。

車載自組網(wǎng) 無(wú)線自組網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)容量 路由協(xié)議 可行吞吐量 高速率

0 引 言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，道路上車輛的保有量在不斷地上升，很多地方和城市都出現(xiàn)了較為嚴(yán)重交通堵塞以及道路安全問(wèn)題，而且也成為人們?cè)絹?lái)越重視的問(wèn)題之一，因?yàn)樗粌H影響到人們的出行，還關(guān)系到每個(gè)人的人身安全問(wèn)題。而結(jié)合了無(wú)線Ad Hoc自組網(wǎng)以及無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的車載自組網(wǎng)(VANET, Vehicular Ad Hoc Networks)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛在行駛過(guò)程中，獲取其周邊車輛節(jié)點(diǎn)以及周邊道路基礎(chǔ)設(shè)施的信息，這些信息可以為本車輛的行駛方式做出相應(yīng)的決策判斷，這既可以有效地預(yù)防交通事故的發(fā)生，也可以為行車線路的選擇提供參考依據(jù)。因此，車載自組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)慢慢成為智能交通系統(tǒng)中的一個(gè)重要技術(shù)，正被越來(lái)越多研究人員研究和開(kāi)發(fā)，而與其路由協(xié)議相關(guān)的問(wèn)題也成為了近些年研究人員研究的主題和方向。如文獻(xiàn)[1-3]分別提出了一種多接口多信道VANET動(dòng)態(tài)信道分配算法、基于地理位置的車載自組網(wǎng)快速可靠廣播算法以及基于高可靠束路徑的車載自組網(wǎng)路由規(guī)劃算法，文獻(xiàn)[4-6]分別提出了基于多優(yōu)先級(jí)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議、基于實(shí)時(shí)車流密度信息的VANET路由協(xié)議以及基于位置的車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，文獻(xiàn)[7]提出了基于反饋方式的車輛間合作下載方法。這些研究在不同的角度、不同的場(chǎng)景下提出了車載自組網(wǎng)中路由協(xié)議算法的設(shè)計(jì)思路，具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值。在很多情況下，車輛移動(dòng)的速度相對(duì)較快，因此高速移動(dòng)的環(huán)境下車載自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化也非常快，這會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路的穩(wěn)定性較差，從而導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)的性能也會(huì)急劇下降。一旦發(fā)生交通事故，傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)IEEE802.11系列的協(xié)議以及傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都無(wú)法快速地將信息傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。因此，如何在高速移動(dòng)的環(huán)境中設(shè)計(jì)高性能的車載自組網(wǎng)路由協(xié)議是非常關(guān)鍵的，而網(wǎng)絡(luò)容量問(wèn)題則是其中的關(guān)鍵要素之一。

本文針對(duì)高速移動(dòng)車載自組網(wǎng)的特點(diǎn)提出了在設(shè)計(jì)車載自組網(wǎng)路由協(xié)議時(shí)需要考慮的網(wǎng)絡(luò)容量問(wèn)題，保證承載通信業(yè)務(wù)的低速率導(dǎo)頻信道和高速率的業(yè)務(wù)信道之間的協(xié)調(diào)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析證明，節(jié)點(diǎn)的可行吞吐量與無(wú)線電波衰減系數(shù)及節(jié)點(diǎn)帶寬之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，這可以為VANET中路由協(xié)議的設(shè)計(jì)提供參考。

1 車載自組網(wǎng)的特點(diǎn)及相關(guān)路由協(xié)議

1.1 特點(diǎn)

車載自組網(wǎng)是當(dāng)前的無(wú)線自組網(wǎng)Ad Hoc具有極高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的一項(xiàng)技術(shù)，它將在道路交通領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用價(jià)值，如，它可以應(yīng)用在交通運(yùn)輸管理、道路交通安全、交通疏導(dǎo)管理、行車途中車輛的娛樂(lè)通信等[8-9]。車載自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在運(yùn)動(dòng)的車輛之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間建立一個(gè)車載自組網(wǎng)的通信平臺(tái)，這有助于提高道路交通的效率，減少擁堵的發(fā)生，也對(duì)為車輛行駛提供預(yù)判，從而減少道路安全事故的發(fā)生，還能夠?yàn)檐囕v之間的娛樂(lè)通信提供便利性。車載自組網(wǎng)技術(shù)是將一定范圍內(nèi)車輛節(jié)點(diǎn)以及道路周邊的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)自動(dòng)地組建成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，提高單一數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍，使得各個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行安全、高效的信息交流，車輛之間傳遞的各種信息按照規(guī)定的信息格式，實(shí)時(shí)、自動(dòng)、保密地進(jìn)行傳輸與交換，從而實(shí)現(xiàn)信息資源共享，為指揮系統(tǒng)迅速、正確地決策提供整個(gè)區(qū)域統(tǒng)一、及時(shí)和準(zhǔn)確的態(tài)勢(shì)感知。

車載自組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可以分為車輛與車輛之間通信(V2V，Vehicle-to-Vehicle)和車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信(V2R，Vehicle-to-Roadside)兩個(gè)部分。通常情況下，車載自組網(wǎng)主要是車輛之間通過(guò)多跳的方式進(jìn)行互連，但在必要的時(shí)候還需要借助一些基礎(chǔ)設(shè)施(如GPS)來(lái)組建網(wǎng)絡(luò)。

1.2 相關(guān)路由協(xié)議

車載自組網(wǎng)路由協(xié)議是車載自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間通信的關(guān)鍵技術(shù)，也是各類上層應(yīng)用可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。但在車載自組網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)必須得考慮車載自組網(wǎng)中車輛節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度快、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁等特點(diǎn)，此外，在車載自組網(wǎng)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)時(shí)，還需要綜合考慮業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)能力等因素，從而實(shí)現(xiàn)路由協(xié)議的基本功能。業(yè)務(wù)需求決定了路由協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求，可以從不同角度設(shè)計(jì)多種類型的路由協(xié)議。目前，在移動(dòng)自組網(wǎng)中使用的路由協(xié)議主要可以分為四大類[9]，分別是①先應(yīng)式(Proactive)路由協(xié)議，代表協(xié)議有DSR、OLSR等；②反應(yīng)式(Reactive)路由協(xié)議，代表協(xié)議有AODV；③集群路由協(xié)議，代表協(xié)議有CGSR；④基于GPS 輔助的路由協(xié)議，代表協(xié)議有GSR和GPSR。

2 車載自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量問(wèn)題分析

在高速運(yùn)動(dòng)的車載自組織網(wǎng)絡(luò)中，承載業(yè)務(wù)分為低速率的導(dǎo)頻信道和高速率的業(yè)務(wù)信道，低速率的導(dǎo)頻信道要求實(shí)時(shí)性很高，高速率的業(yè)務(wù)信道要求傳輸速率很高；因此在選擇路由協(xié)議時(shí)需要考慮車載自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量問(wèn)題。

假定網(wǎng)絡(luò)模型有n個(gè)節(jié)點(diǎn)任意的分布在單位圓平面上；節(jié)點(diǎn)任意選擇目的節(jié)點(diǎn)，以任意的速率發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)；且每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇任意的發(fā)射功率。

可行吞吐量：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為n，按照一定的時(shí)空分配方案，在[(i-1)T,iT] 時(shí)間段內(nèi)(T<)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到相應(yīng)目的節(jié)點(diǎn)的比特?cái)?shù)為T(mén)λ(n)，那么稱該網(wǎng)絡(luò)的可行吞吐量為λ(n)比特/秒。

為了便于分析，現(xiàn)做如下假設(shè)：

1)n個(gè)節(jié)點(diǎn)任意的分布在單位圓平面上。

2)在T時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)上傳輸了λnT比特?cái)?shù)據(jù)。

5)節(jié)點(diǎn)僅在時(shí)隙τ內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)(這個(gè)假設(shè)不是必需的，僅是為了方便論述)。

設(shè)Xi為節(jié)點(diǎn)i的位置坐標(biāo)，同時(shí)也表示該節(jié)點(diǎn)本身。設(shè){Xk;k∈Υ,Υ≤n}為在給定時(shí)間內(nèi)使用相同子信道發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)集合。在有其它節(jié)點(diǎn)Xk(k∈Υ,k≠i)同頻干擾的情況下，若節(jié)點(diǎn)Xj能成功接收到節(jié)點(diǎn)Xi(i∈Υ)發(fā)送的數(shù)據(jù)，必須滿足以下條件

(1)

式中，N是信道背景噪聲，β表示節(jié)點(diǎn)Xj能成功接收數(shù)據(jù)包所需的最小信噪干擾比SIR，α為無(wú)線電波衰減系數(shù)(α>2)，Pk表示節(jié)點(diǎn)Xk(k∈Υ)發(fā)射功率。

在上述網(wǎng)絡(luò)模型和傳輸模型下，單位圓內(nèi)網(wǎng)絡(luò)容量的上限為

(2)

網(wǎng)絡(luò)容量下限為

(3)

在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍Am2時(shí)，網(wǎng)絡(luò)容量上限為

(4)

則節(jié)點(diǎn)可行吞吐量上限為

(5)

網(wǎng)絡(luò)容量下限為

(6)

則節(jié)點(diǎn)可行吞吐量下限為

(7)

3 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

在本次車載自組網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)中，無(wú)線通信系統(tǒng)參數(shù)采用2.4 GHz工作頻段，CSMA/CA多址接入方式，最大通信速率19.2 kb/s，物理層保護(hù)機(jī)制為RTS/CTS，RF功率為20 mW，無(wú)線增益為2 dbi，調(diào)制方式采用OFDM，安全性能支持支持64/128位WEP算法數(shù)據(jù)加密。

本次實(shí)驗(yàn)采用NS2仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間保持平均500～1 000 m的距離，仿真參數(shù)如表1所示，其中仿真中相應(yīng)的參數(shù)符號(hào)取值如表2所示。

表1 仿真參數(shù)

表2 參數(shù)符號(hào)取值范圍

圖1 節(jié)點(diǎn)的可行吞吐量 VS α

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可知，在高速移動(dòng)的場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆绊懖淮螅?jié)點(diǎn)的可行吞吐量也能滿足要求，因此，選擇路由協(xié)議時(shí)可選擇先應(yīng)式路由協(xié)議，如OLSR協(xié)議等。

圖2 節(jié)點(diǎn)的可行吞吐量 VS W

4 結(jié) 語(yǔ)

在車載自組網(wǎng)中，高速車輛之間的通信必然要求路由有較高的健壯性和反應(yīng)快速性，因此，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)尤為重要。但是根據(jù)車載自組網(wǎng)本身所具有的特點(diǎn)，在其路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，需要解決高速率的業(yè)務(wù)信道與低速率的導(dǎo)頻信道通信的不一致問(wèn)題，這是提高車載自組網(wǎng)性能的關(guān)鍵要素。本文在指定的網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行仿真分析，并得到了節(jié)點(diǎn)的可行吞吐量與無(wú)線電波衰減系數(shù)及節(jié)點(diǎn)帶寬之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這可以為其他研究和設(shè)計(jì)車載自組網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的研究和開(kāi)發(fā)人員提供理論和實(shí)踐的參考依據(jù)。

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TAN Fang-yong(1976-),male, M.Sci., associate professor, mainly engaged in wireless network technology and network security.

方立剛(1980—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)技術(shù);

FANG Li-gang(1980-),male, Ph.D., associate professor, mainly engaged in wireless network technology.

金志峰(1978—)，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全。

JIN Zhi-feng(1978-),male, B.Sci., engineer, majoring in network security.

Project supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41201338); The natural science foundation of Jiangsu Province(No.BK2012164); This research was supported by Science and Technology Plan Project of Suzhou (No.SGZ2014011);This research was supported by Labor and Social Security Bureau plan of Suzhou(No.GJNZ201412)

Network Capacity Simulation in Design of VANET Routing Protocol

TAN Fang-yong1, FANG Li-gang1，JIN Zhi-feng2

(1.Department of Computer Engineering,Suzhou Vocational University, Suzhou Jiangsu 215104,China;2.Technology and Information Detachment of Wujiang Public Security Bureau,Wujiang District,Suzhou Jiangsu 215200,China)

Aiming at VANET (Vehicular Ad-hoc Networks) characteristics of fast moving nodes, frequently varying topological structures and instable wireless channel quality, this paper proposes a design idea that the factors such as business demands, network abilities and VANET features should be considered comprehensively in the design of VANET routing protocol. Various demands of transmission rate for loading business low-rate pilot channel and high-rate traffic channel are analyzed, and meanwhile the upper and lower bounds of network capacity in choosing routing protocol are explored. Simulation results show that the practical bound of the node throughput increases with the growth of radio waves attenuation coefficient and node bandwidth. This situation should be considered in the design of the VANET routing protocols, so as to improve the viable throughput of the nodes.

VANET; Ad Hoc; network capacity; routing protocol; feasible throughput; high rate

date:2014-10-10；Revised date：2015-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41201338)；江蘇省自然科學(xué)基金(No.BK2012164)；蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.SGZ2014011); 蘇州市高技能人才培養(yǎng)研發(fā)市級(jí)重點(diǎn)課題(No.GJNZ201412)

TP391.9

A

1002-0802(2015)03-0325-05

譚方勇(1976—)，男，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)安全;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.03.015

2014-10-10；

2015-01-18