一種多場景下的無線車聯網路由協議仿真實現

王頂，張濤，王磊

(西京學院 控制工程學院，陜西 西安 710123)

一種多場景下的無線車聯網路由協議仿真實現

王頂，張濤，王磊

(西京學院 控制工程學院，陜西 西安 710123)

在WAVE模式下得到認可的具有代表性的路由協議主要有DSR、AODV和DSDV.針對以往的研究很少采用完整的WAVE通信模式以及仿真場景不全面的現狀，采用NCTUns6.0構建逼真的道路，設計了多種場景，在WAVE模式下對路由協議DSDV、DSR、AODV進行仿真分析，研究各種的路由協議在不同節點密度和移動速度下的網絡性能，以期得到在不同網絡環境下WAVE車載通信的最佳路由方案.仿真結果表明DSDV不適合應用在車載環境，DSR在低速低密度的路況中表現良好，AODV則在高速高密度環境下表現出較好的適應能力.

通信與信息系統；無線網絡；WAVE模式；車載網絡；路由協議

0 引 言

車載環境中的無線存取(WAVE[1-2],Wireless Access in the Vehicular Environment)是由專用短程通信技術(DSRC，Dedicated Short Range Communications)發展而來，支持車車通信(V2V)、車路通信(V2R)，由于車載環境下節點高速移動、傳輸多跳性、網絡拓撲頻繁變化、帶寬有限等，路由選擇至關重要[3].相比以往的路由協議仿真，本文主要研究WIBSS(WAVE Basic Service Set)通信模式，選用多跳的Ad-hoc網絡模型，利用NCTUns6.0，采用完整的WAVE模式以及設計全面的場景，對DSDV、AODV、DSR路由協議進行仿真，研究了節點速度、節點密度在各路由協議下的網絡性能，最后得出結論.

1 WAVE系統架構

WAVE包括IEEE802.11p和IEEE1609.X協議簇，其中802.11p[4]定義了物理層和介質訪問控制層，直接依賴于802.11a中的OFDM機制和802.11e中的Qos服務質量機制，IEEE1609定義了上層協議標準，更適應車載環境以及ITS應用.其優勢可從與其他無線通信技術相比較得出，如表1所示.

從表1可以看出，WAVE在性能上要優于Wi-Fi、蜂窩網絡等無線通信技術，跟WiMax技術相比，在性能雖然差不多，但在實現的復雜度和成本上，WAVE要比WiMax更具有優勢，基于WAVE的應用容易部署，更加適合商業模式，目前已有部分產品問世，例如中國臺灣工業技術研究院的IWCU[5].

表1 WAVE與其他無線通信技術比較

2 車載網絡路由協議

車載網絡實際上是一種移動自組織網絡，網絡中的所有節點是對等的，網絡中的節點不僅具有網絡終端的功能還有路由器的功能，節點可能隨時加入和離開網路[6]，這種特性使得現有的有線和無線網絡路由協議都不適合在WAVE環境中使用，本文主要對WAVE協議中得到認可的具有代表性的路由協議DSR、AODV和DSDV進行仿真.

DSR[7-8](Dynamic Source Routing)是一個基于源路由概念的按需自適應路由協議.只有在需要傳送數據時才發起路由查找，當節點路由緩存中找不到目的節點的路由信息時，節點向全網廣播查找信息，找到節點后通過反向傳遞建立路由路徑 ，DSR每次數據傳遞時，數據包頭將攜帶整條路由信息，路由中的每一跳節點無須保存該路由信息.

AODV[9](Ad Hoc on-Demand Distance Vector Routing)是 DSR和DSDV的綜合，AODV協議的每個節點都維護路由表，保存下一跳節點的信息，因此數據分組頭部不再需要攜帶完整的路由.當源節點S向目的節點D發送數據并且S節點路由表中沒有到達該D節點的有效路由時，S點就會向鄰居節點廣播一個PPEQ包，鄰居節點檢查、判斷后對RREQ包進行相應的處理(丟棄或轉發)，如此下去，直到找到D節點或存儲了一條到達D節點的中間節點為止，D節點收到RREQ包后，向S節點反向發送RREP包，S節點收到RREP包后，路由路徑便建立.

DSDV[10](Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)協議是一種點到點距離向量路由協議，每個節點都會周期性地將本地路由表信息傳送給鄰居節點，或當其路由表的內容發生變化時也會將路由信息傳送給鄰居節點，在發送數據時不需要啟動路徑尋找便可立即發送，表中包括所有有效的目的節點地址、到達目的節點的度量值(常用跳數來度量)和目的節點路由序列號等信息，鄰居節點收到包含修改的路由表信息后，比較目的節點路由序列號的大小，接收路由序列號大的路由信息，刪除序列號小的路由信息，如果序列號相同，則以某種最佳機制(如跳數最小)來選擇最優路由.

3 NCTUns與仿真流程

3.1仿真環境以及搭建

NCTUns[11-14]是一款新型的網絡模擬仿真軟件，支持多種功能網絡架構和網絡協議， NCTUns6.0是NCTUns開源的最后一個版本， 與NS2及其他網絡模擬軟件相比，NCTUns直接使用真正Linux內核的TCP/IP協議棧，產生真實的數據包，并且可以使用現有的應用程序.NCTUns5.0及以上版本實現了IEEE802.11p和1609協議棧，成為了第一批支持完整WAVE協議棧的仿真器.

本文使用NCTUns6.0，基于 Fedora 11操作系統，內核版本為2.6.31.6，安裝后重啟后以新的內核運行，在控制臺打開三個終端，依次運行調度器dispatcher、協調器coordinator、客戶端nctunsclient，如圖1為NCTUns6.0的GUI界面，選取2 km長的雙向多車道(交叉路口含紅綠燈等交通設備)道路，車輛節點隨機分布在道路上，車輛節點選擇NCTUns6.0中裝備有802.11p接口的ITS OBU.

圖1 在GUI界面上構建道路并添加車輛節點

3.2 仿真結果與分析

主要的參數設置如表2所示，

表2 仿真參數設置

參數名稱參數值仿真工具NCTUns6．0仿真范圍2km?2km車輛個數15-90發射范圍300m路由協議DSDV、AODV、DSRMAC協議802．11p數據包大小1000bytes數據率6Mbps仿真時間100s車道數2，4雙向最大移動速度8-48m/s紅綠個數1(SA控制)

NCTUns運行時即可將吞吐量、丟包個數等關鍵指標存放在*.result目錄下相應的文件中.為了減少偶然因素帶來的影響，使仿真結果更加可靠，所取數據為重復10次仿真實驗之后的平均數據.本文從節點個數如圖2和移動速度如圖3兩個方面分析WAVE模式下各路由協議的性能，仿真結果如下圖所示.

車輛個數 車輛個數 圖2(a) 節點速度固定為18 m/s 圖2(b) 節點速度固定為18 m/s

車輛個數 移動速度/(m/s) 圖2(c) 節點速度固定為18 m/s 圖3(a) 節點個數固定為40

移動速度/(m/s) 移動速度/(m/s) 圖3(b) 節點個數固定為40 圖3(c) 節點個數固定為40

從圖2(a)(b)可以看到，隨著車輛節點個數的增加，各路由協議丟包個數先逐漸減少，后來又有所增加，吞吐量則表現為先逐步增加后來有所降低，這主要是因為節點傳輸范圍有限，當車輛節點數增加時，節點間通信距離縮短，源節點到目的節點能建立穩定的通路，就算有節點離開網絡，也能迅速找到替補的路徑；當節點數增加到80個左右時，相對來說，網絡中節點密度較大，這樣容易造成信道擁擠，導致丟包，所以丟包個數有所上升.并且可以看到節點個數小于45時，DSR優于AODV，DSDV表現最差，這是因為按需路由AODV、DSR能很快適應拓撲迅速變化，DSR采用源路由機制，很快能找到路徑.但當節點數較多，即網絡規模擴大時，源路由機制就表現出了劣勢，因為DSR協議每個分組頭部都需要攜帶完整的路由信息，會造成額外的開銷.AODV協議采用DSR協議的路由建立和路由維護，同時借用了DSDV協議的多跳、目的節點序列等機制，表現了較好的穩定性.

從圖3(c)可看到，隨著節點個數的增加，各路由協議的延時特性先有所減小后來又逐漸增大，節點數小于60時，DSDV延時最低，這是DSDV路由機制的緣故，從節點維護的路由表中可以直接找到最佳通信路徑.網絡規模變大時，DSDV路由表更需要新花費更長的時間.按需路由AODV在延時方面要優于DSDV，DSR協議表現次于AODV.

從圖3(a)和圖3(b)可以看出，隨著節點速度的增加，三種協議的丟包個數增多，吞吐量降低，AODV和DSR變化比較緩慢，DSDV表現最為嚴重，從圖3(a)可以看到，當速度達到48 m/s時，DSDV協議的吞吐量降低了70%，這也表明按需路由較表驅動路由更適應拓撲頻繁變化的環境，高速環境中DSDV路由已經不能再使用，從圖3(c)得出延時方面，速度小于8 m/s，DSDV延時最小，DSR次之，隨著速度的增加，DSDV延時急劇上升，這是由于節點快速移動導致拓撲頻繁變化，DSDV源路由表路徑已經失效，每個節點需要重新更新路由表，非常耗時，AODV延時變化不是很大.

4 結 論

WAVE協議是未來智能交通方面一個重要的應用，本文利用NCTUns6.0在WAVE模式下對認可的路由協議進行仿真，結果表明DSDV性能受節點速度影響較大，不適合高速車載環境，DSR在低速低密度的情況下表現良好，AODV則在高速高密度環境下有較好的適應能力.但在WAVE環境中，為了保證行車安全，車車通信能快速正確的收到信息，需要更高性能的路由協議，這也是現在和未來研究的熱點和難點.

[1]Morgan YL.Managing DSRC & WAVE Standards Suite Operations：In a V2V Scenari[M].Int’l.J.Vehic.Tech., 2010.

[2]Morgan Y.Notes on DSRC and WAVE standards suite, its architecture,design, and characteristics[J].IEEE J.Commun.Surv.Tutorials, 2010,12(4):504-518.

[3]Fan L, Yu W.Routing in vehicular ad hoc networks：A survey.Vehicular Technology Magazine[J].IEEE,2007, 2 (2)：12-22.

[4]Grafling S, Mahonen P, and iihijarvi JR.Performance evaluation of IEEE 1609 WAVE and I EEE 802.11p for vehicular communications[J]. in Proc.2nd ICUFN, 2010(6):344-348.

[5]ITRI.ITRI WAVE/DSRC Communication Unit (IWCU) User Guide[R].TaiWan：ITRI, 2010.

[6]孟利民, 宋文波.移動自組網路由協議研究[M].北京：人民郵電出版社,2012.

[7]Johnson D, Maltz D and Hu YC.The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR) [J].IETF Internet Draft, draft-ietf-manet-dsr-10.txt, July 2004.

[8]JOHNSON D, MALTZ D A, Broch J.The dynamic source routing protocol for mobile Ad Hoc networks[EB/OL].http://www.ietf.org/internet drafts/draft ietf manet dsr 03.txt.

[9]Perkins C, Royer E M, Das S R.Ad hoc on-demand distance vector (AODV) routing [EB/OL]. http://www.ietf.org./rfc/rfc3561.txt

[10]Perkins C,and Bhagwat P.Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers [J].Proc.ACM SIGCOMM 94, 1994.

[11]Wang SY, Chou CL.NCTUns tool for wireless vehicular communication network researches[J].Simulation Modelling Practice and Theory of Elesevier (S1389-1286), 2009,31(2)：105-116.

[12] NCTUns official webpage[EB/OL]. http://nsl.csie.nctu.edu.tw/nctuns.html.

[13] Akhtar Husain, Brajesh.Performance evaluation of routing protocols in vehicular ad hoc networks[J].Int.J.Internet Protocol Technology, 2011,6(1/2).

[14] Wang SY,Chou CL,Huang CH,Hwang CC,et al.The design and implementation of the NCTUns 1.0 network simulator[J].Computer Networks,2003,42(2):175-197.

[責任編輯：王軍]

A multi-scenario implementation of routing protocol simulation in WAVE

WANG Ding, ZHANG Tao,WANG Lei

(Institute of Control Engineering,Xijing University,Xi’an 710123,China)

The representative of routing protocol which is approved and primary in WAVE communication mode is DSDV,DSR and AODV.Aiming at the shortage of including the WAVE communication mode and incomplete use of simulation scenes in the former literatures, the paper builds realistic city road environment and designed several scenes through NCTUns6.0 and simulates routing protocol DSDV, DSR, AODV in WAVE communication mode so that it can research the network performance of node density and node speed under different routing protocols .The results show that DSDV is not suitable WAVE environment, DSR has better performance in low-speed and low-density environment, AODV has better adaptability in high-speed and density environments.

communication and information system; wireless network; WAVE mode; vehicle network; routing protocol.

2015-07-14；

2015-09-01

王 頂(1988-)，男，河南商丘人，西京學院碩士研究生，主要從事嵌入式開發的研究.

TP393

A

1672-3600(2015)12-0046-05