VANET中基于網絡傳輸延遲的改進AODV協議

陳芙蓉 張劍

摘 要：車載自組織網絡具有拓撲變化頻繁、鏈路易斷等特性，針對AODV路由協議存在傳輸延遲長、路由開銷大等問題，本文基于車輛分簇思想對AODV路由協議進行改進，以數據傳輸延遲為優化目標得出源節點到目的節點間的最小延遲路徑。通過對高速公路網絡場景的仿真分析，結果表明，改進后協議可有效降低數據傳輸延遲及網絡開銷，提高分組投遞率。

關鍵詞： 車載自組織網絡;AODV路由協議;最小延遲路徑

【Abstract】 Vehicle Ad-hoc Network（VANET）has the characteristics of frequent topology changes and fragile links and so on. Considering the problems of long transmission delay and large routing overhead in the AODV routing protocol， this paper improves the AODV routing protocol based on the idea of vehicle clustering， and obtains the minimum delay path between source node and destination node with the data transmission delay as the optimization target. Through the simulation analysis of the highway network scene， the results show that the improved protocol can effectively reduce the data transmission delay and network overhead， and improve the packet delivery rate.

【Key words】 ?VANET; AODV routing protocol; the minimum delay path

0 引 言

車載自組織網絡（Vehicle Ad-hoc Network， VANET）是移動自組織網絡（Mobile Ad-Hoc Network， MANET）在車輛交通中的典型應用，主要通過車車通信（V2V）、車輛與基礎設施通信（V2I）實現道路車輛的數據轉發。VANET中節點高速移動，設計高效路由協議找出最佳路徑是實現數據有效傳輸的重要方法。

VANET具有網絡拓撲變化快、節點分布不均等特性，傳統AODV協議已無法滿足實際復雜的交通情況，有學者在研究傳統協議的基礎上考慮道路條件、車速等因素對協議進行改進，有效提高了網絡性能。安娜[1]基于鏈路有效時間評估機制提出LS_AODV協議，選擇鏈路有效時間最長的路由作為數據傳輸路徑。Shen 等人[2]提出AODV-PNT協議，通過預測節點位置選擇數據轉發的中繼節點。陳哲愚等人[3]根據節點速度的不同改變AODV廣播頻率以降低消息碰撞的概率。譚小晴[4]給出一種改進路由協議Improved-AODV，在路由發現階段采用主路由與備份路由選擇機制。夏志謀[5]實現了一種基于節點速度的穩定路徑選擇算法RAODV，有效提高了鏈路的生存周期。劉榮等人[6]提出一種基于節點位置與速度的AODV路由改進策略AODV-L，改善了丟包率、路由投遞率等性能。

針對AODV協議在VANET中應用面臨的問題，本文提出一種基于網絡傳輸延遲的改進AODV協議—TD_AODV（Improved AODV Routing Protocol Based on Network Transmission Delay）。首先，結合分層型路由協議思想在AODV協議基礎上對車輛進行分簇，可有效改善由車速過快引發的鏈路生存周期短等問題;其次，針對簇頭節點需接收簇內以及鄰簇頭數據所導致的數據排隊現象，應用排隊論模型得出簇頭節點間的傳輸延遲權重;最后，結合該權重運用Dijkstra算法計算源節點至目的節點間各路徑的傳輸延遲，選擇最短延遲路徑轉發。實驗表明，改進后的協議在分組投遞率、傳輸延遲、網絡開銷方面均得到有效改善。

1 VANET排隊模型建立與時延分析

1.1 VANET排隊模型

排隊論是運籌學與應用概率的重要分支，目前已廣泛應用于通信工程、交通運輸等眾多領域，典型的排隊系統模型包括隊長、等待時間等4個重要指標[7]。

TD_AODV協議針對VANET中簇頭節點數據傳輸擁擠現象，應用排隊論模型得出節點間時延權重，作為下一步各條路徑總時延的計算依據。部分簇頭車輛節點中數據排隊轉移模型如圖1所示。圖1中，a、b、c、d為簇頭節點，λ為節點數據平均到達率，μ為節點平均服務速率，P為隊列轉移概率。

數據分組到達簇頭節點a的2種情況，對此可闡釋分述如下：

（1）獨立的外部泊松到達λe（收到簇內成員需傳輸給目標車輛的數據分組）。

（2）從隊列d以概率Pda到達節點a（由于車輛移動，鄰簇頭車輛無法正常將數據分組傳送給其目標車輛，經節點a中繼傳輸至目標車輛）。

數據分組離開簇頭節點a時的2種情況，對此可得分析概述如下：

（1）以概率Pab到達另一簇頭節點b（將數據分組由節點a傳輸至鄰簇中繼簇頭節點b，由該中繼車輛繼續轉發）。

（2）到達目標車輛所在簇。

1.2 節點間時延計算與分析

排隊系統中每個簇頭節點都可以認為是一個M/M/1隊列，每個節點的隊列總時延為排隊時延與傳輸時延之和[8]。在[0，t]時間內到達的數據分組服從參數為λt的泊松分布，數據分組在簇頭節點的傳輸時延即服務時間服從參數為μ的負指數分布，排隊系統僅有一個服務臺，到達過程與服務過程彼此獨立。

4 仿真實現

本文選用OPNET Modeler 14.5仿真軟件模擬高速公路網絡場景，從分組投遞率、網絡傳輸延時、路由開銷三個方面對TD_AODV協議進行仿真驗證[11]。

4.1 仿真場景

搭建長4 Km、寬11.25 m的單向三車道高速公路仿真場景，建立由4個移動子網構成的車輛無線網絡通信模型，每個子網為一個行車簇，各子網內定義好軌跡的車速為70 Km/h的車輛節點[12]。設置第1個簇內的源節點向第4個簇的目的節點發送數據，發包間隔與數據包大小分別服從均值為1 s、1 024 bits的指數分布，車輛節點通信范圍為100 m，仿真時間為250 s。車輛網絡拓撲結構如圖4所示，移動子網內部圖如圖5所示，部分軌跡如圖6所示。

4.2 仿真結果分析

車輛節點的多少是影響數據分組傳遞效果的重要因素，本節在高速車輛中分別應用AODV、TD_AODV路由協議，評估車輛數變化時兩種協議的總體性能。針對此部分內容，可得研究詳情如下。

4.2.1 分組投遞率分析

分組投遞率反映網絡傳輸的可靠程度，研究將車輛數設置為24、48、72、96、120、144時的分組投遞率。車輛數與分組投遞率關系如圖7所示。

由圖7可得，2種協議的分組投遞率隨車輛節點的增多而上升。隨著車輛節點增多，節點間鏈路增多，分組投遞率也逐漸提升。此外，TD_AODV協議的分組投遞性能明顯優于AODV協議，TD_AODV協議結合排隊論模型以及Dijkstra算法選擇最短延遲路徑轉發的同時，通信鏈路的質量也得到了改善，提高了數據包到達目的節點的概率，分組投遞率也相應提升。

4.2.2 數據傳輸時延分析

時延指分組從源節點抵達目的節點所需時間[13]，研究車輛數分別為24、48、72、96、120、144時的數據傳輸時延。車輛數與數據傳輸時延關系如圖8所示。

由圖8可得，隨著車輛節點數的增多，2種協議的網絡延時均呈上升趨勢。由于車輛節點持續增加，需轉發的數據分組也隨之增多，分組排隊等待時間變長，導致數據傳輸的時延增大。然而，TD_AODV協議利用排隊論與Dijkstra算法以最小延遲為目標選擇數據傳輸路徑，且在車輛分簇的基礎上進行，路由建立和維護的時間也更少，因此在延遲時間上顯著低于AODV協議。

4.2.3 路由開銷分析

歸一化路由開銷衡量了路由協議的效率[14]。研究車輛數分別為24、48、72、96、120、144時的路由開銷。車輛數與歸一化路由開銷關系如圖9所示。

由圖9可得，協議的路由開銷隨著車輛節點的增多逐漸增大。車輛節點越多，數據轉發的跳數也變多，路由開銷也相應增加。但相比AODV協議，TD_AODV協議的轉發過程只有簇頭節點參與，路由開銷變化不大，并且協議將報文限制在最小延遲路徑中發送，避免了其它車輛節點參與，在一定程度上也減少了開銷。

5 結束語

本文針對VANET下應用AODV協議開銷大、時延長等問題，提出一種基于傳輸延遲改進的TD_AODV協議，在車輛分簇基礎上結合排隊論、Dijkstra算法獲得最短延遲路徑進行數據轉發。仿真表明，隨著車輛節點數目的增加，TD_AODV協議在分組投遞率、傳輸時延、網絡開銷性能上都要優于AODV協議，能夠更好地滿足高速場景下的通信需求。

參考文獻

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