戰場環境VANET的AODV和GPSR比較分析

王利，李海鑫，唐冰

戰場環境VANET的AODV和GPSR比較分析

王利，李海鑫，唐冰

VANET的戰場環境不同于城市環境，沒有交通道路的束縛，結點在運動中表現出更多的隨機特征。針對戰場環境的隨機特性，提出了一種車載自組織網絡模型。通過戰場區域的車流密度調整車輛行駛的速度，在不同的區域對節點的密度進行比較，通過節點密度的變化調整車輛運行的速度，對不同的運動場景進行了仿真，并比較了AODV和GPSR兩種典型的路由協議的參數。仿真結果表明，AODV協議在稀疏區域和快速拓撲變化的情況下性能相對較好，GPSR在結點密度較大的區域表現出良好性能。

車載自組織網；戰場環境；AODV；GPSR

0 引言

隨著計算機網絡技術和移動通信技術的發展，對無線通信的研究愈發深入。移動Ad-Hoc網絡的興起，開辟了無線通信新的紀元[1]。Ad-Hoc網絡不需要預先建立好的基礎設施，節點本身具有路由器和主機雙重身份，在戰場環境中受到廣泛關注。

VANET是Vehicular ad hoc networks的簡稱，譯為車載移動自組織網絡，是一種典型的移動Ad-Hoc網絡[2]。在復雜的戰場通信場景，由各種軍用車輛形成的VANET是C4ISR系統的一個重要組成部分，它的建立和完善，有助于提高陸軍信息化建設，在實現網絡快速展開，識別戰場態勢，提高通信鏈路抗毀性等方面具有重要意義。

本文提出了一種戰場運動模型，在不同的區域對節點的密度進行比較，通過節點密度的變化調整車輛運行的速度，對不同的運動場景進行了仿真，并對AODV和GPSR協議進行了比較，分析了兩個協議的性能參數，為進一步探索和研究相關內容提供有益參考。

1 概述

1.1 VANET移動模型

2002年，I Chisalita，N Shahmehri提出了車載Ad-hoc網絡的概念[3]，提出車聯網的體系結構。VANET按照約定的通信協議和數據交互標準，依靠短距離通信技術，實現車與車之間，車與互聯網之間的無線通信和信息交換。由于其節點體積較大、移動速度較快，很多學者都對VANET的移動模型進行了研究。比如隨機漫步模型[4]、隨機點路徑模型[5]、隨機方向模型[6]等。VANET移動模型通常可以分為宏觀模型和微觀模型。在宏觀模型中，通過統計量的方式，分析各個模型中車輛的平均速度、總體移動距離、總體移動時間、平均加速度等特征量；在微觀模型中，考慮各個節點的單次移動時間、單次移動距離、單次暫停時間和單次連接時間等特征量。在城市場景中，高速路模型與曼哈頓模型實現了一些車輛行駛運動所需要考慮的因素，道路和建筑物的存在很好的束縛了車輛的運動。而戰場環境復雜多變，軍用車輛運動的隨機性更強，沒有固定道路的存在，給運動模型的建立提出了挑戰。戰場移動自組織網絡，如圖1所示：

圖1 戰場移動自組織網絡示意圖

從圖1看出，戰場車輛自組織網絡存在著多種不同類型的通信設備，節點的移動速度差距較大。而復雜的電磁環境和地理環境又給戰場通信帶來了干擾。空曠的區域帶有極大的隨機性，如何保證節點的有效運動，提高網絡的可靠性和連通性，是戰場模型亟需解決的問題。

1.2 AODV協議

基于拓撲結構的路由協議可以分為主動式路由協議、按需路由協議和混合式路由協議。AODV是一種典型的按需路由協議。采用的節點序列號機制，確保了路由始終是開環的[7]。

AODV協議的主要思想是[8]：網絡中的源節點準備向目的節點發送消息時，如果沒有通信鏈路，則發送路由請求（RREQ）報文。RREQ以廣播形式發送，鄰近節點接收到RREQ，根據目的地址判斷目標節點是否為自己。如果是，則單播返回路由響應（RREP）報文；如果不是，則查找路由表中是否已經具有到達目標節點的路由，如果存在，同樣單播返回路由響應（RREP）報文，反之鄰近節點繼續轉發RREQ。AODV中的hello尋找路由主要在網絡層應用，RREQ、RREP、RRER主要在傳輸層應用。

1.3 GPSR協議

GPSR是Greedy Perimeter Stateless Routing協議的簡稱，譯為貪婪周邊無狀態無線路由，是一種基于位置的路由協議[9]。

GPSR協議的主要思想是：將貪婪轉發和邊界轉發結合起來，網絡節點都已經確定自身的地理坐標，當進行數據分組發送時，源節點尋找覆蓋范圍內距離目的節點最近的一個節點；若貪婪模式不成立，則進入到邊界轉發模式，構造平坦圖實現無交叉鏈接的網絡，然后通過右手定則進行周邊轉發[10]。

對于不同場景不同的路由協議表現出不同的性能，通過對路由協議的設計和改進，能有效形成高效、快捷的VANET，具有很好的理論研究價值和工程應用意義。

2 戰場模型

野戰場景不同于城市場景，戰車節點具有移動方向不確定、移動速度帶有更大的隨機性。在1000m*1000m的野戰場景中，節點進行隨機運動。本文提出的野戰場景示意圖，如圖2所示：

圖2 一種野戰場景示意圖

在圖2中，將整個場景分成4個象限，統計每個象限的節點數目，象限內節點的數目決定了當前象限內節點的運動速度。節點數量越大，則當前象限內節點的最大隨機運動速度越小。例如，圖2所示的第IV象限的節點數目明顯大于第II象限的節點數目，所以第IV象限節點的最大移動速度小于第II象限節點的最大移動速度，如公式（1）：

每一個車輛節點假設為圓型，半徑為rn，直徑為車輛間的平均距離為sn，定義為公式（2）：

其中ρ為象限內節點數量。

車輛間的平均時間間隔為nτ，定義為公式（3）：

平均車流為fn，定義為公式（4）：

因此，節點的運動過程描述如下：在一個速度范圍內如公式（5）：

隨機選擇一個速度，勻速直線運動一段時間，然后在可以選擇的最大時間間隔內隨機選擇一個時間長度t，原地停留t時間段為公式（6）：

然后再隨機選擇一個速度和方向，繼續運動。

定義其中ρ和最大車速的平方成反比，t和平均車流成反比如公式（7）、（8）：

其中Ko取整個概率分布和的1/4，即Ko=0.25。

在戰場空間中，節點的快速移動，會分割原本連接的網絡拓撲，大大降低網絡的性能，甚至造成網絡無法通信。而象限的區分可以有效定義不同區域，有助于對戰場重點區域和節點級別進行分類。

3 協議仿真

3.1 仿真實驗環境

本文采用ns-2軟件對移動模型和路由協議進行仿真。ns-2是一種開源的仿真軟件，結合了C++和OTCL兩種編程語言。C++語言作為一種典型的編譯型程序設計語言，能很好的處理協議的報文、消息和數據；OTCL語言是一種腳本語言，能隨時配置和改變網絡的仿真參數和網絡環境[11]。仿真參數配置，如表1所示：

表1 仿真參數

3.2 仿真結果分析

運行網絡仿真文檔*.tcl后，得到了兩種文件腳本，其中*.man能動態展示網絡圖形變化，*.tr文件記錄了每一個時刻的結果記錄。最大速度10m/s，節點數目為60個節點的運動狀態圖，如圖3所示：

圖3 一種情況運動狀態示意圖

通過gawk工具解析生成的結果文件*.tr，得到網絡的時延。在最大速度10m/s，節點數目逐漸增加的過程中，通信節點的端到端時延比較，如圖4所示：

圖4 端到端平均時延隨車輛數目增加變化

從圖4中可以看出，整個運動過程中，隨著車輛移動速度的增加，AODV協議的端到端延遲從0.348254s增長到2.698420s；GPSR的端到端延遲從5.15354s下降到1.821740s。AODV協議采取廣播發送RREQ，節點密度較大時增加了轉發次數。而GPSR協議，在節點數目相對較少的場景中多采用周邊轉發，影響了建立鏈路的成功率，在節點數目相對較大的場景中多采用貪婪轉發，容易形成源節點到目的節點的有效路徑。

節點數目固定不變，為60個運動節點，車輛速度分別取，5m/s，10m/s，15m/s，20m/s，25m/s，30m/s。隨著車輛速度的增加，端到端平均時延比較，如圖5所示：

圖5 端到端平均時延隨車輛速度增加變化

從圖5中可以看出，隨著車輛速度的增加，端到端的平均時延都有所增加。AODV協議的時延從0.548210s增加到0.942747s，GPSR協議的時延從3.688231s增加到6.29320s。在當前情況下，AODV顯示出較好的網絡性能。在野戰場景中，軍用車輛移動速度大于30m/s的情況并不常見，此種討論具有一定的指導意義。

從上述仿真的效果圖可以看出，AODV協議適合于運動速度快、節點稀疏的場景，GPSR協議更適合于運動速度慢、節點密集的場景。

4 總結

本文提出了一種戰場環境下的VANET運動模型，并對當前典型的基于拓撲的路由協議AODV和基于位置信息的路由協議GPSR進行了仿真比較。計算出了網絡端到端平均時延，分析了不同情況下的網絡性能。研究VANET運動場景的研究是一項重要的課題，車載自組織網絡在智能交通、戰場感知等領域有著重要的應用價值，是無線通信的有效發展[12]。隨著研究的深入，還需要對戰場環境中車輛隨機運動模型進一步研究，以期對VANET的關鍵技術提供有益參考。

[1]王笑京.智能交通系統研發歷程與動態評述[J].城市交通,2008,1(6):6-11.

[2]常促宇,向勇,史美林.車載自組網的現狀與發展[J].通信學報,2007,11(28):116-126.

[3]I Chisalita,N Shahmehri.A novel architecture for supporting vehieular communication[R].In Proc.of IEEE Vehicular Technology Conference(VTC).2002:1002 -1006.

[4]Zonoozi M,Dassanayake P.User mobility modeling and characterization of mobility pattern[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1997,15(7):1239 -1252.

[5]Bett stetter C,Hartenstein H.Stochastic properties of t he random waypoint mobility model[J].ACM/Kluwer Wireless Networks:Special Issue on Modeling and Analysis of Mobile Networks,2004,10(5):555-567.

[6]Royer E,Melliar S,Moser L.An analysis of the optimum node density for ad hoc mobile networks[C].Proceedings of the IEEE International Conference on Communications (ICC),2001.

[7]陳培菊,唐倫,陳前斌.車載自組織網絡中基于運動狀態的簇路由協議[J].計算機工程,2013,3:87-98.

[8]蔡菁,朱余兵.一種基于AODV改進的城市車載自組網路由協議研究[J].計算機工程與科學,2013,35(1):61-66.

[9]Mahmoud Hashem Eiza and Qiang Ni.An Evolving Graph-Based Reliable Routing Scheme for VANETs[J]. IEEETRANSACTIONSONVEHICULAR TECHNOLOGY,2013,62(4):1493-1504.

[10]F.Ros,P.Ruiz,et al.Acknowledgment-based broadcast protocol for reliable and efficient data dissemination in vehicular ad hoc networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2012,11(1):33-46.

[11]夏梓峻,劉春鳳,趙增華,等.基于鏈路預測的VANET路由算法[J].計算機工程,2012,2:110-118.

[12]Dipankar Raychaudhuri,Narayan B.Mandayam. Frontiers of Wireless and Mobile Communications[J]. Proceedings of the IEEE,2012,100(4).

Research of AODV and GPSR Based on VANET Battlefield Environment

Wang Li1,Li Haixin2,Tang Bing3
(1.78020 PLATroops,Kunming 650223,China; 2.63976 PLATroops,BeiJing 100080,China; 3.Kunming general hospital of PLA,Kunming 650032,China)

Unlike urban scene,the battlefield environment has the features with no traffic bondage.It displays more random feature in VANET.In this paper,a VANET model for battlefield environment has been proposed.According to the traffic density in battlefield area,the speed of the vehicle has been adjusted.Then it compared the parameters of AODV and GPSR routing protocol. Through an analysis of the result,the AODV has better performance in a sparse area or a fast changing topology,and GPSR shows better performance in a larger density area.

VANET;Battlefield Environment;AODV;GPSR

TP393

A

1007-757X(2015)06-0048-04

2015.02.26）

王 利（1969-），男，解放軍78020部隊，高級工程師，碩士，研究方向：網絡通信、信息系統和指揮自動化，昆明，650223

李海鑫（1976-），男，解放軍63976部隊，高級工程師，碩士，研究方向：網絡協議和網絡安全，北京，100080

唐 冰（1973-），女，解放軍昆明總醫院，藥劑師，本科，研究方向：管理信息系統，昆明，650032