車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真與研究
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引 言
車載自組織網(wǎng)絡(luò)因具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?、無線信道不可靠、節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行規(guī)律可預(yù)測等特點(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)議的性能是對其改進(jìn)的基礎(chǔ)。本文基于NS2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)置仿真場景，然后編寫 TCL 腳本并調(diào)用網(wǎng)絡(luò)場景文件，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 |
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，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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