基于OMNET++的VANET無線鏈路性能仿真

熊 飚， 朱桌爾

0 引言

車載自組網(VANET , Vehicle Ad Hoc Network)是應用于道路交通的一種特殊的無線自組網，旨在實現車輛之間(V2V,Vehicle to Vehicle)，車輛與路邊節點之間（V2I, Vehicle to Infrastructure）能夠通過多跳的方式實現互聯通信[1-2]。一方面，車輛間的通信如同人與人之間的相互交流，能夠提高道路交通的安全性與高效性；另一方面，車輛與路邊節點之間通信，旨在實現將VANET網絡方便、快速地接入現有固定或者移動通信網絡，以提供更豐富的娛樂、遠程協助及車內辦公等服務，極大地提高了用戶出行的舒適性及方便性。

目前，世界各國都在積極開展關于VANET的研究，如6家歐洲汽車制造商合作展開的C2C-CC[3]，其基于無線局域網WLAN技術，致力于為VANET建立一個公開的歐洲標準，以保障歐洲范圍內不同制造商的車輛能正常通信。同時，IEEE標準會議提出了專門用于車輛間通信的802.11p標準以實現車輛間、車輛與路邊節點間等這樣的通信[4]。該協議是在分析VANET網絡獨特特性，如車輛節點的雙高速移動，車輛運行軌跡的可預見性等的基礎上，對現有的802.11協議的改進，還需要進行更深入的研究與設計，而這些都需要首先對其無線鏈路質量進行準確的評估。

VANET網絡由于其雙移動節點，導致其多普勒效應不同于傳統的但移動節點的無線蜂窩網絡，文獻[5-6]表明無線電波在移動-移動節點鏈路間的傳播特性不同于傳統的移動-固定節點間鏈路。麻省理工學院和卡耐基·梅隆大學的合作項目專門對在802.11b協議下的信道鏈路質量進行了研究，指出多普勒效應是在某些特殊范圍內高丟包率的主要原因，并更深一步討論了和MAC層的聯系與路由協議設計[7]。

現提出 1種以物理層模型（無線信道傳播模型、節點移動模型及運行環境模型等）為基礎，通過 OMNET++來仿真VANET網絡無線鏈路丟包率(PLR， Packet Level Ratio)的方法。

1 仿真原理

OMNET++是一款面向對象的離散事件網絡仿真工具[8]，用C++編程，支持OSI七層網絡結構，與NS-2[9]、OPNET[10]等流行網絡仿真軟件相比較，OMNET++能運行于多個操作系統平臺，可自主定義網絡拓撲結構，支持仿真節點的移動性。這里利用OMNET++的這些特性，通過該軟件仿真VANET網絡無線鏈路丟包率，圖 1給出仿真節點配置框。應用層模塊控制節點數據包的發送；網絡層負責路由功能的實現；MAC層模塊主要負責各種通信協議；物理層模塊的功能包括：車輛運行場景模擬、車速控制等功能，是所提方法的重點，圖2給出了其詳細的結構。其中節點移動模塊控制節點的移動，包括速度及方向；計算接收信號功率模塊由現有的無線信道傳播模型設置；判決模塊主要依據信噪比。

圖1 節點配置框

圖 2 節點配置物理層模塊

2 仿真模型建立及仿真結果分析

這里仿真典型城區環境下VANET網絡中雙移動節點間鏈路丟包率，涉及2個節點，1個作為發送節點；1個作為接收節點，初始位置固定，做同向勻速直線運動，速度設為54 km/h，應用層每秒發送100個UDP，鏈路層采用802.11b協議。采用符合高斯隨機過程背景噪聲，同時依據文獻[11]中介紹的綜合信道模型作為計算接收信號功率的依據。給出節點間距離分別為20 m，30 m，40 m時鏈路層丟包率的概率密度函數(PDF, Probability Density Function)及累計概率分布(CDF, Cumulative Distribution Function)的仿真結果。

圖3和圖4分別給出了不同節點距離時PLR的PDF與CDF仿真結果。分析可知，PLR隨著雙移動節點之間的距離增大而增大，其中當車輛間距離為 20 m時，PLR取值[0,0.122]，而當車輛間距離為40 m時，PLR取值[0, 0.59199]。這也表明，在VANET網絡中，車輛間通信質量和車輛之間的距離有關系。

圖3 不同節點距離時PLR的PDF結果

圖4 不同節點距離時PLR的CDF結果

3 結語

VANET網絡在道路交通中的應用能夠提高道路交通的有效性及高效性，同時能夠滿足旅客出行要求的舒適性，具有很高的商業應用前景，而關于VANET網絡技術的研究也吸引了越來越多的研究機構，成為近15年研究的熱門課題。這里提出1種以無線傳播信道模型為基礎，仿真VANET網路無線鏈路丟包率的方法，并仿真了典型城區環境下VANET網絡中雙移動節點間無線鏈路的丟包率。一方面，通過該方法可以分析車輛運行場景對VANET網路無線鏈路質量的影響；另一方面，依據對VANET網絡現實場景的分析，可以配置仿真實際場景下VANET網路無線鏈路丟包率，對VANET網路無線信道的網絡體系設計及各層協議的研究有很高的借鑒意義。

[1]WILLKE T L, TIENTRAKOOL P, MAXEMCHUK N F. A Survey of Inter-Vehicle Communication Protocols and Their Applications[J].IEEE Cumunications Surveys and Tutorials,2009,11(02): 3-20.

[2]NZOUONTA J, RAJQURE N, WANG G. VANET Routing on City Roads Using Real-Time Vehicle Traffic Information[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology In Vehicular Technolory,2009,58(07):3609-3626.

[3]C2C-CC Manifesto. Car-to-Car Communications Consortium Manifesto[EB/0L].(2007-08-28)[2011-7-23].http://www.Car-to-car.org/index.php?id=3.

[4]閆躍龍. IEEE成員美國聚會標準字母游戲錯亂交織——直擊美國波特蘭 IEEE802標準組高層聚會[J]. 通信世界, 2004,116(08):52-53.

[5]張燕，王玉皞. 三維開闊區車輛間通信的無線信道模型[J]. 通信技術，2009，42(09):29-31.

[6]熊飚, 張小橋. VANET網絡中小尺度衰落信道仿真[J]. 通信技術，2010, 43(12)：56-58.

[7]AGUAYO D, BICKET J, BISWAS S. Link-level Measurements from an 802.11b Mesh Network[C]. USA:ACM. 2004:5-9.

[8]User Manual.OMNET++Use Guidel[EB/0L].(2010-06-07) [2011-07-23].http://wenku.baidu.com/view/b1f5e3d233d4b14e85246878.html/.

[9]Wang Jianping.NS-2 Tutorial(1)[EB/0L].(2004-09-10)[2011-07-23].http://www.isi.edu/nsnam/ns/.

[10]Jarmo Prokkola. OPNET User Manual[EB/0L]. (2006-04-19)[2011-07-23]. http://cn.opnet.com/solutions/.

[11]WANG Yuhao, ZHANG Yan. An Integrated Propagation Model for VANET in Urban Scenario[C]. USA:ACM, 2010:6-9.