基于車隊行進場景的MANET移動模型研究

盧　山，宋志群，賈　倩

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

?

基于車隊行進場景的MANET移動模型研究

盧山，宋志群，賈倩

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：針對特定場景研究移動Ad Hoc網絡(MANET)是當前研究的重點，而移動模型是研究MANET的基礎，因此如何選擇或建立更貼近實際應用場景的移動模型成為了研究MANET的關鍵環節。通過對現有典型移動模型的研究和分析，提出了一種模擬車隊行進場景的移動模型，并利用NS2軟件在此移動模型基礎上對MANET性能進行仿真與分析，仿真結果表明，與傳統的移動模型相比，該模型能更好地貼近車隊行進場景。

關鍵詞：MANET；NS2；移動模型；實體移動模型

0引言

MANET具有靈活性強、覆蓋范圍大、系統容量高且有著高效自組織能力的特點[1]，可以適應各種復雜無線電環境，滿足即使沒有固定基礎設施也能保證通信性能的要求，因此MANET具有誘人的潛在應用前景。MANET的核心為路由協議，而模擬仿真是研究MANET路由協議必不可少的手段[2]，且在模擬仿真過程中移動模型是影響路由協議性能的關鍵性因素，因此，建立更貼近實際場景的移動模型是研究MANET路由協議的基礎。

在車隊行進過程中，車載通信范圍一般為兩個梯隊，當通信目的車輛超出電臺的通信范圍時需要經由其他車輛轉發，為了達到該目的需要引入MANET，因此需要針對該場景建立合適的移動模型。在該場景下，各節點的移動趨勢一致且隊形呈線狀分布，但是受地形、車輛狀態等條件影響，各節點間距離會隨著時間的改變而改變。

1移動模型研究

1.1　相關移動模型研究

移動模型是一種數學模型，用來描述網絡中節點的移動模式，主要包含節點的移動位置、移動速率和移動方向。現有的移動模型可根據節點移動特性分為四類：完全隨機的移動模型、具有時間相關性的移動模型、具有空間相關性的移動模型和具有地理環境相關性的移動模型[3，4]。

在現有移動模型中，隨機路點(Random Waypoint,RWP)移動模型[5]和參考點組(Reference Point Group,RPG)移動模型[6]得到了廣泛的應用。在隨機路點移動模型中，節點的移動都是獨立的，且移動狀態會發生突變[7]，但在實際場景中，節點的移動狀態和前一時刻有關，不會出現突變的情況，因此該模型與節點實際移動狀態有較大的偏差。參考點組移動模型雖然考慮了節點的時間相關性和空間相關性[8]，但是不同組之間的節點移動模式仍然是不相關的，然而在車隊行進場景下節點間的移動狀態是緊密相關的，且呈一定隊形的分布，因此上述移動模型均不能很好地描述該場景下節點的移動狀態。

1.2　隊列相對移動模型

在車隊行進場景下，為了更好地貼近實際應用場景，需要提出有針對性的移動模型。針對車隊行進場景中節點的移動特點，本文提出了一種新的移動模型：隊列相對移動模型(Relative Column Mobility model,RCM)。

類似于參考點組移動模型，隊列相對移動模型存在多個參考組，每個參考組有一個參考點和若干成員節點。參考組的移動趨勢由參考點確定，成員節點的移動趨勢和參考點保持一致，但在實現過程中，參考點的只起引導作用，沒有實體節點。其數學模型建立過程如下：

(1)首先確定參考點初始位置。在初始位置時，各參考點均在一條直線上，假設第i組的參考點i的初始位置為Pi，則Pi可以表示為：

Pi=(i+1)·L±αi·(L/2)，

(1)

(2)在移動開始后，參考點首先在距離等間距位置橫坐標為[-L/2,L/2]、縱坐標為[-l,l]的區域內選擇目的位置，其中l代表參考點在縱向上的最大偏移量。隨后在區間[v_min,v_max]中隨機選擇速率v，然后以速率v向目的位置移動，并在到達目的位置后從區間[t_min,t_max]中隨機選擇停頓一段時間。在完成停頓之后，參考點重新選擇新的目標位置，重復上述步驟，直至仿真時間結束。

除此之外，在車隊行進過程中可能會存在某個車輛因為故障或任務脫離車隊的情況，為了模擬這種情況，在隊列相對移動模型中，節點會以概率p快速脫離隊列，此時離開的節點將不能和其余節點進行通信。

(2)

2實現與仿真

2.1　隊列相對移動模型實現

在MANET仿真中，移動模型的使用都是以場景文件實現[9]。本文中隊列相對移動模型場景文件生成軟件是通過在Linux系統下使用GCC編譯工具完成，且在該軟件的設計過程中設置了如下參數：參考組數量、成員節點數量、參考點間距、節點與參考點最大距離、仿真空間、仿真時間、停頓時間和相對移動速率，以保證該移動模型的可擴展性。

本文移動模型的參數如表1所示。

表1　仿真場景參數值

在移動開始前，各參考點首先按照式(1)確定初始位置，然后各組成員節點可由式(2)確定該成員節點的位置。在此次仿真中，參考組數目為16，每組成員節點數量為1，則各成員節點初始位置如圖1所示。

圖1　隊列相對移動模型初始場景

在確定初始位置后，各參考點開始按照該模型數學建模步驟2的方法選擇自己的目的位置，并在確定目的位置后選擇合適的速率向目的參考點開始移動。和初始位置不同的是，此時參考點在到達目的位置后，除橫坐標的偏移量以外，縱坐標也有一定的偏移量。由此時的參考點的位置可以計算出對應成員節點的位置，如圖2所示。

圖2　隊列相對移動模型移動后場景

當發生參考點脫離隊列的情況時，成員節點會跟隨參考點快速地移動到仿真區域邊緣，此時該成員節點將不能和其他成員節點進行通信，如圖3中成員節點5所示。

圖3　隊列相對移動模型節點脫離場景

2.2　隊列相對移動模型分析與驗證

移動模型的建立是為路由協議的仿真做好鋪墊，因此，移動模型的分析與驗證也需要建立在路由協議的仿真基礎上。本節將按照表1參數生成50組隊列相對移動模型和參考點組移動模型的場景樣本，并在此基礎上對按需距離矢量路由協議[10，11]進行仿真與分析，如圖4、圖5和圖6所示，其中橫坐標為業務數量，縱坐標分別為傳輸層平均時延、路由開銷和包投遞率[12，13]，其坐標值取50組樣本的平均值。

圖4　業務數量與傳輸　圖5　業務數量與　圖6　業務數量與　層平均時延關系　路由開銷關系　投遞率關系

如圖4所示，在參考點組移動模型條件下，傳輸層平均時延均小于隊列相對移動模型條件下的傳輸層平均時延，這是因為在隊列相對移動模型中，節點呈線狀分布，節點間的通信往往需要更多的路由跳數才能達到目的節點，因而導致了傳輸層平均時延較長。在車隊行進的場景中，隨著業務數量的增加，節點存在到達目的節點路由的可能性增加，因而減少了路由發現的時間，降低了傳輸層平均時延，由此驗證了該模型業務數量與傳輸層平均時延曲線的正確性。

如圖5所示，在參考點組移動模型條件下，路由開銷均小于隊列相對移動模型條件下的路由開銷，這是因為在隊列相對移動模型中，節點的鄰居節點數量較少，在一定程度上降低了發現目的節點的概率，因而導致了路由開銷較高。在車隊行進的場景中，隨著業務數量的增加，節點應有更大的概率存在到達某一節點的路由，因而減少了路由發現的次數，降低了路由開銷，由此驗證了該模型業務數量與路由開銷曲線的正確性。

如圖6所示，在參考點組移動模型條件下，投遞率均大于隊列相對移動模型條件下的投遞率，這是因為在隊列相對移動模型中，源節點與目的節點間的可選路由路徑較少，一旦出現路由斷開的情況則很難啟動路由修復過程，因而導致了投遞率較低。在車隊行進的場景中，雖然業務數量增加，但由于相鄰節點數目較少，在MAC層并沒有出現大量的碰撞現象，因而投遞率的變化并不明顯，由此驗證了該模型業務數量與投遞率曲線的正確性。

2.3　仿真結果分析

綜上可知，在隊列相對移動模型下，路由性能隨業務數量的變化曲線與車隊行進場景中的實際情況相符，因此驗證了該模型的正確性。在參考點組移動模型下，路由協議的各性能指標均優于在隊列相對移動模型下的指標，這反映了不同移動模型條件下對路由協議性能影響很大，驗證了針對不同場景建立不同移動模型的必要性。

3結束語

針對特定場景研究MANET是當前研究的重點，而研究特定場景的MANET離不開移動模型，因此針對特定場景建立移動模型是值得研究的問題。針對車隊行進場景節點的移動特點進行建模，得到了一種新的移動模型，并驗證了其正確性，為在類似固定隊形移動的場景下移動模型的建立提供了參考。

參考文獻

[1]史美林，英 春.自組網路由協議綜述[J].通信學報，2001，22(11):93-103.

[2]趙金晶.AdHoc網絡移動模型及其應用[J].計算機工程與科學，2005,27(5):15-16.

[3]CampT,BolengJ，DaviesV.ASurveyofMobilityModelsforAdHocNetworkResearch[J].WirelessCommunicationsandMobileComputing(WCMC):SpecialIssueonMobileadhocNetworking:Research,TrendsandApplications,2002,2(5):483-502.

[4]YoonJ,LiuM，NobleB.SoundMobilityModels[C]∥Proc.oftheACM/IEEEInt'lConf.MobileComputingandNetworking,2003:205-216.

[5]RFC3561.AdHocOn-DemandDistanceVector(AODV)Routing[S],July2003.

[6]Johnson D,Maltz D.Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks.Mobile Computing [J].MA:Kluwer Academic Publishers,1996:153-181.

[7]Hong X,Gerla M,Pei G,et al.A Group Mobility Model for Ad Hoc Wireless Networks[J].Proceedings of ACM/IEEE MSWiM'99,1999:53-60.

[8]時銳，楊孝宗.自組網Random Waypoint移動模型點空間概率分布的研究[J].計算機研究與發展,2005,42(12):2056-2062.

[9]張行文，孫寶林.Ad Hoc網絡移動模型研究[J].計算機工程與應用，2006,29:126-128.

[10]楊成恩.稀疏車輛Ad Hoc 網絡移動模型研究[J].通信技術，2011,44(5):88-91.

[11]RFC3561.Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing[S]，2003.

[12]李秀朋，李少輝.一種Ad Hoc自組織網絡系統的設計與實現[J].無線電工程，2014,44(8):8-10.

[13]王寶璽，文運豐，馬鵬飛等.一種適用于自組織網的動態時隙分配算法[J].無線電工程，2014,44(10):47-51.

[14]陳川.基于NS2的太湖藍藻監控系統網絡分析及評估[J].無線電工程，2014,44(9):8-11.

Study on MANET Mobility Model in Vehicle Group Scenario

LU Shan,SONG Zhi-qun,JIA Qian

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The mobile Ad Hoc networks (MANET) for a specific scene is the focus of current research.The mobility model is the foundation of MANET.Therefore how to select or develop a mobility model which is closer to the real scenarios becomes the key in MANET research.A new mobility model for a vehicle group is proposed and simulated with NS2 by studying and analyzing the existing typical mobility model.The simulation results show that the new mobility model can be closer to the real application scenarios compared withthe traditional mobility model.

Key words：MANET;NS2;mobility model;entity mobility model

作者簡介：盧山(1989—)，男，在讀研究生，主要研究方向：無線通信、路由協議。宋志群(1963—)，男，研究員，主要研究方向：無線通信。

基金項目：國家自然科學基金項目(61371068)

收稿日期：2015-09-15

中圖分類號：TN911

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)01-09-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.02

引用格式：盧 山，宋志群，賈 倩.基于車隊行進場景的MANET移動模型研究[J].無線電通信技術,2016,42(1):09-11，17.