IEEE 802.11p車載自組網(wǎng)協(xié)議研究

董敏娥，劉龍偉

（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710018；2.西安電子科技大學(xué) 陜西 西安 710071）

IEEE 802.11p車載自組網(wǎng)協(xié)議研究

董敏娥1，劉龍偉2

（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710018；2.西安電子科技大學(xué) 陜西 西安 710071）

針對(duì)增強(qiáng)分布式信道訪問（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）機(jī)制所存在的問題，采用WAVE架構(gòu)的VANET進(jìn)行了分層研究，通過對(duì)IEEE 802.11p協(xié)議在車載無(wú)線通信環(huán)境下的性能和VANET在不同參數(shù)（節(jié)點(diǎn)數(shù)目，車輛間隔，車輛速度）的場(chǎng)景下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析其吞吐量和平均時(shí)延，得出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是對(duì)IEEE 802.11p的性能影響最大的因素。該研究對(duì)IEEE 802.11p協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

車載自組網(wǎng)；IEEE 802.11p協(xié)議；OFDM；仿真

車載自組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad hoc Networks，VANET）中存在大量的介質(zhì)訪問控制問題，例如半雙工操作，時(shí)變信道，相比有線網(wǎng)絡(luò)存在較高的誤碼率，載波偵聽的位置依賴性會(huì)導(dǎo)致隱藏和暴露終端的問題，并會(huì)影響分組捕獲機(jī)會(huì)等[1]。IEEE 802.11p對(duì)于車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）的應(yīng)用與部署起著非常重要的作用，為此，本文對(duì)IEEE 802.11p協(xié)議性能進(jìn)行研究。

1 IEEE 802.11p的OFDM技術(shù)

IEEE802.11p所采用的多載波調(diào)制技術(shù)為正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM），目的是避免相鄰信道之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_，并有效利用帶寬。OFDM技術(shù)的優(yōu)越性在無(wú)線通信領(lǐng)域已經(jīng)越來(lái)越明顯，它能能夠應(yīng)對(duì)信道的突發(fā)性變化，快速與之相適應(yīng)，尤其對(duì)于車載無(wú)線通信中數(shù)據(jù)傳輸速率較高、城區(qū)建筑物密集等特點(diǎn)，OFDM都發(fā)揮了重要作用，并取得預(yù)期的效果。具體落實(shí)車載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真時(shí)，需要在NS-2的MAC層增加一個(gè)新的類 class OFDMphy{}，用于模擬實(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)用技術(shù)[2]。

在OFDMphy.cc文件中通過成員函數(shù)設(shè)定傳輸頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率、計(jì)算最大數(shù)據(jù)包的大小、傳輸一個(gè)OFDMsymbol所需要的時(shí)間等大數(shù)據(jù)包的大小、傳輸一個(gè)OFDMsymbol所需要的時(shí)間等，主要函數(shù)及其功能如表1所示。

表1 OFDMphy.cc中計(jì)算函數(shù)

2 IEEE802.11p協(xié)議研究

在實(shí)際公路場(chǎng)景對(duì)進(jìn)行車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）的應(yīng)用與部署進(jìn)行試驗(yàn)是非常困難的，并且需要大量的投入。因此，大多數(shù)的車載無(wú)線通信領(lǐng)域的研究是在仿真環(huán)境下進(jìn)行的[3]。

VANET的仿真由兩部分組成：交通場(chǎng)景仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真。交通場(chǎng)景仿真使用VanetMobiSim生成trace文件，為網(wǎng)絡(luò)仿真提供近似真實(shí)的車輛移動(dòng)的數(shù)據(jù)。確定每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)近似現(xiàn)實(shí)的位置的trace文件被提供給網(wǎng)絡(luò)仿真軟件用于網(wǎng)絡(luò)仿真[4]。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)了VANET的各個(gè)層的協(xié)議，通過編寫腳本文件，使用仿真產(chǎn)生的trace的信息來(lái)分析和評(píng)估IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的性能。

2.1 802.11p協(xié)議性能仿真

在仿真過程中設(shè)置了在相同參數(shù)條件下，分別對(duì)IEEE 802.11p和IEEE 802.11a的吞吐量，平均時(shí)延兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較[5]。

2.1.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

仿真環(huán)境使用ns-allinone-2.34版本[6]，運(yùn)行在基于Linux內(nèi)核的Ubuntu 12.04系統(tǒng)上，采用 Otcl語(yǔ)言編寫腳本程序，其意義在于布置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，其中包括硬件參數(shù)的配置，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定義，以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)事件和節(jié)點(diǎn)之間鏈路傳輸事件等[7-8]。表2是仿真參數(shù)配置及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

設(shè)置一條雙車道的高速公路場(chǎng)景，兩個(gè)車輛作相反方向的運(yùn)動(dòng)，從公路中點(diǎn)出發(fā)，都向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)幀。

圖1 IEEE 802.11p和IEEE 802.11a性能對(duì)比場(chǎng)景示意圖

表2 仿真參數(shù)配置及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖 2為根據(jù)仿真數(shù)據(jù)使用 gnuplot繪制的吞吐量（Thoughout）曲線，圖3為平均時(shí)延（Average Delay）的曲線。

圖2 吞吐量對(duì)比圖

圖3 平均時(shí)延對(duì)比圖

2.1.2 仿真結(jié)果分析

由于發(fā)射結(jié)點(diǎn)速率的增加，并且在相同的傳播模型下（Nakagami模型），IEEE 802.11p協(xié)議可以獲得比較大的數(shù)據(jù)吞吐量，特別是在車輛速度低于80km/h的時(shí)候。對(duì)兩個(gè)協(xié)議仿真得到的平均時(shí)延數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以證明802.11p協(xié)議是健壯的，同時(shí)證明了IEEE 802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，可以獲得較低的傳輸時(shí)延，比IEEE 802.11a協(xié)議的時(shí)延低將近三倍。

根據(jù)以上結(jié)果表明，在NS-2.34仿真中，IEEE 802.11p的實(shí)現(xiàn)是有效的，在接下來(lái)進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)中，對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)的性能在不同的場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)試，對(duì)其性能用吞吐量和平均時(shí)延兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量。模擬結(jié)果分析，協(xié)議IEEE 802.11p與協(xié)議IEEE 802.11a相比，在數(shù)據(jù)包吞吐量，數(shù)據(jù)包平均點(diǎn)到點(diǎn)延遲時(shí)間以及第一個(gè)封包送到時(shí)間方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)[9]，能夠提升高速移動(dòng)的車載環(huán)境的安全性。

2.2 IEEE 802.11p在公路場(chǎng)景下的性能仿真

由以上IEEE 802.11a和IEEE 802.11p協(xié)議在車載無(wú)線通信環(huán)境下的性能對(duì)比仿真結(jié)果分析得知，IEEE 802.11p比IEEE 802.11a更適用于車載無(wú)線通信環(huán)境，在高速移動(dòng)的環(huán)境下?lián)碛懈鼮閮?yōu)越的性能[10]。在接下來(lái)的仿真試驗(yàn)中，將對(duì)VANET的WAVE結(jié)構(gòu)在不同的場(chǎng)景下進(jìn)行仿真，選取車輛節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù) （number of nodes），車輛節(jié)點(diǎn)的平均速度（average speeds），車輛節(jié)點(diǎn)間的平均距離（nodes average distance）作為場(chǎng)景的參數(shù)，選取吞吐量和平均時(shí)延作為衡量VANET性能的指標(biāo)[11]。

2.2.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

設(shè)置一條雙車道的高速公路場(chǎng)景，設(shè)置不同的車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)目和不同的車輛速度和車輛間距[12]。表3是仿真的參數(shù)設(shè)置，一共可以組合成27種不同的場(chǎng)景。

仿真實(shí)驗(yàn)是基于TCP傳輸進(jìn)行的，由設(shè)在道路前后兩端的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行通信。圖4展示出了場(chǎng)景的整體布置。

2.2.2 車輛間距不同仿真

設(shè)定不同車輛節(jié)點(diǎn)的距離（10 m，30 m and 50 m）的情況下，如果車輛節(jié)點(diǎn)的平均速度增加（70 km/h，90 km/h and 110 km/h），會(huì)影響車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）的數(shù)據(jù)吞吐量。圖5展示出了數(shù)據(jù)吞吐量在不同的車速下的變化趨勢(shì)。（n表示節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，d表示車輛節(jié)點(diǎn)之間的距離）。

表3 仿真參數(shù)設(shè)置

圖4 仿真環(huán)境設(shè)置

仿真結(jié)果表明，在獨(dú)立虛擬信道 （Independent Virtual Channel，IVC）[13]的傳輸中，當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)平均速度保持相對(duì)不變時(shí)，數(shù)據(jù)吞吐量是幾乎保持常數(shù)。然而，車輛節(jié)點(diǎn)距離對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量的影響是成反比的。因此可得出，在這種情況下，IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高速移動(dòng)的公路場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪m用性很好，汽車可以高速運(yùn)行，根據(jù)所采用的速度生成通信模塊，來(lái)保證數(shù)據(jù)吞吐量。

圖5 吞吐量對(duì)比圖

對(duì)于城市場(chǎng)景下的傳輸，其中車輛節(jié)點(diǎn)平均距離和平均速度是不斷變化的，IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)建議建立固定的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)用RVC傳輸，在大多數(shù)情況下，保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定[14]。

再分析在該條件下分析數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延。結(jié)果表示如圖6所示，其中n是車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)目，d為車輛平均間的距離。

仿真結(jié)果表明，在速度超過90 km/h情況下，出現(xiàn)一些異常值，結(jié)果表明，在大多數(shù)的情況下，數(shù)據(jù)延遲較為穩(wěn)定的，同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了IEEE 802.11p能很好的適用于高速車載無(wú)線傳輸環(huán)境。

圖6 平均時(shí)延對(duì)比圖

2.2.3 改變車輛數(shù)目和車輛距離仿真

在本實(shí)驗(yàn)中，車輛節(jié)點(diǎn)的平均速率為固定在70 km/h，通過改變車輛節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和平均距離，進(jìn)行仿真。結(jié)果如圖7，n是節(jié)點(diǎn)的數(shù)量[15]。

圖7 吞吐量對(duì)比圖

仿真結(jié)果分析：固定車輛節(jié)點(diǎn)的平均速率，當(dāng)改變車輛間的平均距離，在車輛節(jié)點(diǎn)以恒定速度行駛的情況下，數(shù)據(jù)吞吐量的主要影響因素是由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)密度）。在此種情況下，分布于道路兩端的兩個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)，當(dāng)它們中間有30個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)時(shí)，只能獲得兩個(gè)節(jié)點(diǎn)直接傳輸?shù)?%左右的數(shù)據(jù)吞吐量。如圖5所示。

最后，為了驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘜?duì)VANET性能的影響，仿真中設(shè)定車輛節(jié)點(diǎn)的速度為90 km/h，改變車輛節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和車輛節(jié)點(diǎn)之間的平均距離，觀察仿真中數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延，如圖8所示，其中n是車輛節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

仿真結(jié)果表明，在相同的車輛速度下，改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（車輛密度）會(huì)也會(huì)導(dǎo)致明顯的數(shù)據(jù)包接收延遲。

3 結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)：對(duì)比IEEE 802.11a和IEEE 802.11p在相同公路場(chǎng)景下的性能，和研究影響 IEEE 802.11p性能的因素，得出IEEE 802.11p協(xié)議更適合于高速車載無(wú)線通信環(huán)境，對(duì)IEEE 802.11p性能影響最大的因素是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化（車輛節(jié)點(diǎn)密度），對(duì)IEEE 802.11p協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

圖8 平均時(shí)延對(duì)比圖

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Research on 802.11p IEEE vehicle ad hoc network protocol

DONG Min-e1，LIU Long-wei2
（1.Shaanxi College of Communication Technology，Xi’an 710018，China；2.Xidian University，Xi’an 710071，China）

For the problems of enhanced distributed channel access，we study VANET using WAVE architecture.The IEEE 802.11p protocol in-vehicle wireless communication environment and VANET in different scenarios（number of nodes，vehicle spacing，and vehicle speed）were simulated，the throughput and average delay was analyzed.It is concluded that the network topology is the largest impact on the performance of IEEE 802.11 p.The study has certain reference value for the practical application of IEEE 802.11p protocol.

vehicular Ad Hoc network；IEEE 802.11p；OFDM；simulation

TN919.1

A

1674－6236（2016）15-0105-04

2015-11-10 稿件編號(hào)：201511096

陜西省教育廳自然科學(xué)類專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（2013JK0966）

董敏娥（1981—），女，陜西咸陽(yáng)人，碩士研究生，副教授。研究方向：交通信息工程及控制、車載移動(dòng)自組網(wǎng)。