Zigbee路由協議在VANET監控系統中的應用分析

于春玲

摘要：本文以VANET的應用需求為出發點，提出一種基于雙層拓撲結構的網絡模型，并使用Network Simulator 2.0版軟件完成了模型仿真，分析了簇樹、AODVjr以及ZBR三種路由協議在相同車聯網環境下的性能表現。最終表明，ZBR路由協議能夠在確保較短時延以及較高分組遞交率的條件下，很好的實現網絡開銷的降低。

關鍵詞：車聯網；NS2；路由協議；AODVj

中圖法分類號：TP393 文獻標識碼：A

Abstract：Based on the application of VANET demand as the starting point， this paper puts forward a Network model based on two-layer topology， and use the Network Simulator version 2.0 software to complete the model simulation. After that， the paper analyses the cluster tree and the AODVjr and ZBR three types of routing protocols in the same car performance under the networked environment. Eventually show that ZBR routing protocols to ensure shorter time delay and high packet submit rate under the condition of good implementation， based on which，network overhead is reduced.

Key words：Vehicular Ad Hoc Networks；NS2；routing protocol；AODVj

0 引言

車隊整體行進的過程中，需要關注的主要問題有車載自組網內自身車況、車隊周邊情況的互通和感知，車載自組網與傳統移動Ad hoc網絡（MANET）存在較大不同，這是由于車輛在行駛過程中容易受到道路、環境等多方面的作用和影響[1]。因此車輛數據的感知，均是依靠車身的傳感網絡。本文致力于分析高速移動環境下，3種ZigBee網絡路由協議在NS-2仿真器中的性能表現。

1 雙層網絡模型

基于設備功能的區別， ZigBee網絡中的設備可以根據802.15.4標準分為2類：簡化功能設備（Reduced Function Device，RFD）和全功能設備（Full Function Device，FFD）兩類。其中，RFD是按照具體應用的需要能夠完成IEEE802.15.4全集協議的部分功能，而FFD則具備了IEEE802.15.4全集協議的全部功能。由此，ZigBee網絡中的設備將細分為協調器、路由器以及終端設備，其中協調器和路由器屬于FFD，而終端設備則可以是簡化和全功能設備。需要注意的是，在ZigBee網絡中，必須有一個FFD來作為協調器[2]。

ZigBee網絡支持網狀、星型以及簇樹狀3種拓撲結構。網狀拓撲結構就本質而言便是點對點對等拓撲結構，在這種網絡構成中設備多數為FFD類型，借助多跳通信方式能夠實現范圍較廣的覆蓋，且擁有自組織和修復的能力。不過網絡難以做到無限的放大，這是因為伴隨網絡的發展，丟包和延遲問題將會凸顯。相對而言簇樹狀拓撲結構類屬于網狀拓撲結構，網絡中的RFD則是作為簇樹狀中的葉子節點。在星型網絡拓撲結構建設環節中，首先啟動的全功能設備承擔了協調器角色，這種拓撲結構適合節點數較少、距離較近的網絡。

研究中，以車隊監控系統監測自身車況、感知周邊環境態勢、保障網絡通信實際需求為出發點，本文提出了一種車域網和車載網雙網融合的鏈式拓撲網絡模型。

車域傳感網[3]于業界中也稱車域網，是利用眾多分布在車輛中的傳感裝置所組成構建的無線網絡，具體參見圖1所示。這些傳感器設備能夠通過系統合作實現對不同環境和位置情況的感知，例如環境中的溫濕度、車輛自身的速度情況等。該網絡能夠完成對單臺車輛各項參數的感知、傳遞和融合任務。

同時，車輛自組織網絡（Vehicular Ad Hoc Networks），在業界中簡稱之為VANET，原理設計便是將攜有無線通信模塊的車輛當作網絡中的節點，基本構建則如圖1所示。行進中的車輛借助分布和多跳方式實現通信，無需其它設施便能獲取道路行駛車隊間的實時通信。

2 幾種ZigBee路由協議

2.1 Cluster-Tree路由算法[4]

當節點接收分組之后，便將分組向下一節點進行傳輸，此過程沒有路由發現，節點也無需對路由表提供維護。這種算法的優勢在于降低了路由節點能耗以及協議的開銷，同時也能降低網絡對節點存儲能力的依賴程度。劣勢在于通過簇樹建立的路由通常并非最佳路徑，因而容易引起分組時延增加，以及加大深度較小節點的任務量，而相對應深度大節點的業務量卻很小，也就是形成了通信的不均衡，由此將供電能力有限的節點失去功能，對網絡穩定性造成影響。

2.2 AODVjr算法[5]

這種算法與傳統AODV算法存在一定區別，即簡化版。AODVjr算法中規定只允許分組的目的節點能夠進行RREP回復，即便中間結點存在與目的節點的路由也不能完成對RREP的回復。AODVjr中不包含AODV算法中的先驅節點列表，即在相當程度上簡化了路由表結構。AODVjr節點假設探測到下條鏈路中斷情況，則為此可借助一定任務節點完成對RREP分組信息的轉發，同時對網絡中受影響的源節點派發通知。AODVjr算法中，RERR只對傳送分組失敗的源節點提供轉發，這就無需先驅節點列表作為支持。在數據傳輸的環節中，如果網絡中出現鏈路中斷，AODVjr算法將自動展開本地修復，此過程僅允許目的節點實施RERR回復。如果AODVjr本地修復失敗，則將RERR傳輸到數據分組的源節點，借此告知其鏈路中斷無法實現到目的節點的通信。相應格式也就設置簡化為包含不可到達的地址信息，而非多個不可到達的地址信息。AODV節點按照一定周期實現HELLO分組的發送，提供節點連通數據；AODVjr算法中并不涉及該過程，而僅是按照分組或者MAC層所發送的信息老婆買個自己哦更新節點列表的及時更新。

2.5 ZigBee路由[6]

在該路由中能夠將節點分為RN+和RN-2種。前者是指擁有足夠存儲空間、計算能力運行AODVjr算法的節點；RN-則是指不具備充足存儲和計算能力而實現AODVjr算法運行的節點。當RN-獲得分組后僅僅能運行簇樹算法。

3仿真實現

3.1 NS2平臺介紹

NS2（Network Simulator Version 2）是面向對象、離散時間驅動的一種網絡環境模擬器。NS2模擬器是免費的，并且向公眾提供開源代碼，因而使得網絡開發更為便捷。發展至今，其涵蓋的模塊已經涉及到網絡技術的眾多方面，因此NS2已然成為時下使用最為廣泛的一種網絡模擬工具[7]。

NS2主要由3個部分組成，分別為：時間調度器、網絡設置模型庫以及網絡元素對象庫。具體地，調度器主要提供對當前時間的記錄以及實現網絡時間鏈表中事件的調度服務，是仿真平臺中的重要設計組成。網絡元素對象包括著：代理（Agent）、鏈路（Link）、節點（Node）、數據源（Data Source）等類型要素；其中節點、代理、鏈路繼承了時間處理器以及NS Object，發揮對多項事務的處理功能[8]。

NS2使用分裂對象模型，也就是將對象分為Otcl類對象以及C++類對象2個部分完成描述。針對分裂對象模型，NS配置了編譯和解釋兩級體系結構。編譯層部分是由C++類構成，C++語言雖然執行速度較快，不過修改和編譯速度卻顯緩慢，因此僅僅適用于編譯層協議細節的描述；前端則是Otcl（Oject Tool Com-mand Language）解釋器，能夠修改迅速并支持交互操作模式，適用于模擬環境的建立和設置。NS2內核定義了層次編譯類結構；同時在解釋器中也含有類似的解釋類結構，因此用戶在創立新的仿真對象之后，解釋器便對其進行初始化并完成相應的對象建立映射。

3.2 仿真場景設置

設置過程旨在實現對高速行進的車隊在特定環境中ZigBee網絡中三種路由協議的性能進行詳細分析，實驗使用表1中的仿真參數。

MAC層應用IEEE802.15.4協議，并對不同路由協議推出結果對比。模擬場景選取600*200矩形，配置11個節點，所有節點均綁定7個終端節點，選定的場景持續100s時間。流量場景選取數據流cbr，車輛間主節點間能夠實現交互通信，車內子節點僅能與自身車輛主節點實現通信，卻無法與其他車主節點通信。同時選取shadowing模型作為無線傳播模型， Man-hattan模型為移動節點模型。另外，應用層使用大小為85bytes的CBR數據包，發包速率設定為1P/s。使用ZBR路由時，網絡中配置了5個RN+節點。

使用NS2仿真器進行模擬。執行命令：ns wpan_zlm.tcl，完成模擬之后，打開“.nam”的動畫模擬圖像，便可以清晰看到車載網中的整個通信過程，具體模擬結果如圖2所示。

4 仿真結果分析

（a） 分組遞交率比較

（a） Comparison of packet delivery rate

（b）分組遞交時延比較

（b） Comparison of packet delivery delay

（c）平均跳數比較

（c）Average hop count

（d）ZBR和AODVjr的控制開銷比較

（d） Comparison of control overhead between AODVjr and ZBR

丟包率、數據吞吐量以及平均時延是表征一個網絡性能優良與否的主要參數。而端到端的丟包率、平均時延以及數據吞吐量則需在不同數據發送速率條件下設計執行觀測[1]。本文研究實驗中借助對數據源發起數量以及通信速率的調節，實現對網絡信道在差異化占空比條件下的控制開銷、平均時延、分組遞交率以及平均跳數的對比分析，對3種不同協議完成了應用分析，結果參見如圖3所示。

由圖3（a）中可以直觀看出，在不同協議條件下網絡所實現的遞交率相差很小，即便在200k/s的發送速率條件下，網絡實現的分組遞交率均維持在98%的水平，能夠獲得優良性能。

由圖3（b）、（c）中進一步看出采用簇樹協議展現了較高的平均跳數和遞交時延。ZBR路由實現的平均跳數為3.5，AODVj路由實現的平均跳數為4。就遞交時延分析而言，ZBR性能略高于AODVjr。

由圖3（d）觀察控制開銷情況，可以明顯觀察到ZBR具有明顯的優勢。Cluster-Tree無需配置路由，所需控制開銷為零，而AODVjr協議卻要保證節點配備足夠的計算和存儲能力，雖然該種協議均能搜尋到距離最優的路徑，但是需要維持路由表作為代價，因此控制開銷較大。綜合而言，ZBR協議則綜合了上述2種協議的優點，能夠在較短時延和較高分組遞交率的條件下，有效降低了網絡控制開銷。

5 結束語

Cluster-Tree協議算法原理簡單、計算量小，適合移動性弱且規模較小的網絡，而ZBR協議因為RN+節點具備優選原則，在最終性能方面要優于其它2種協議，適合在穩定性強、規模大的網絡中使用。不過這種協議要求節點具備一定的存儲空間和計算能力，因此一定程度上會增加硬件成本。后續研究即表現在RN+節點優選原則算法仍有待發展，這必將顯著改進、并有效提升ZBR路由協議的性能。

參考文獻

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