車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真與研究

引 言

車載自組織網(wǎng)絡(luò)因具有網(wǎng)絡(luò)拓撲變化快、無線信道不可靠、節(jié)點的運行規(guī)律可預測等特點， 使路由技術(shù)成為了VANET中的挑戰(zhàn)[1,2]。近年來，大量的國內(nèi)外學者和研究人員，針對VANET的路由協(xié)議進行了深入的、卓有成效的工作。PBR[3]、Taleb[4] 等人根據(jù)車輛移動特性預測路由的生命周期。北京郵電大學開發(fā)了一種網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 V-SARP，彌補了AODV協(xié)議的不足 ；南京郵電大學開發(fā)出一種新的鄰居節(jié)點選擇下一跳的策略。合理分析現(xiàn)有路由協(xié)議的性能是對其改進的基礎(chǔ)。本文基于NS2路由協(xié)議仿真平臺，聯(lián)合交通仿真軟件VanetMobiSim進行仿真實驗，分析 GPSR路由的性能，為改善 GPSR路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。

1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是一種自組織、結(jié)構(gòu)開放的車輛間通信網(wǎng)絡(luò)。VANET網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要分為兩部分：一是車輛間的通信， 二是車輛與固定設(shè)施的通信。各個車輛節(jié)點都具有收發(fā)器和路由器的功能，車輛之間自動連接可搭建起一個移動的網(wǎng)絡(luò)。路邊單元主要負責車載單元的接入。在 VANET發(fā)揮作用的同時， VANET路由協(xié)議為其提供重要的數(shù)據(jù)通信支持，因此，路由協(xié)議很大程度上決定了 VANET的性能[5]。

2 GPSR路由協(xié)議

GPSR 路由協(xié)議中，其轉(zhuǎn)發(fā)策略是將貪婪轉(zhuǎn)發(fā)與周邊轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合的路由算法[6]。當源節(jié)點S 要向目的節(jié)點 D 傳遞數(shù)據(jù)包時，節(jié)點S 在鄰居列表中選擇距離節(jié)點D 最近的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，將數(shù)據(jù)包傳遞給它。該過程一直重復，直到數(shù)據(jù)包到達節(jié)點D。但當鄰居節(jié)點中沒有任何一個節(jié)點距離目的節(jié)點比源節(jié)點距離目的節(jié)點近，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)無法繼續(xù)，即發(fā)生局部最優(yōu)化現(xiàn)象。GPSR 通過周邊轉(zhuǎn)發(fā)方式解決貪婪轉(zhuǎn)發(fā)失效時產(chǎn)生的鏈路割斷問題。

3 GPSR仿真環(huán)境搭建

本文運用源代碼開放的NS 2 路由協(xié)議的仿真平臺，聯(lián)合交通仿真軟件VanetMobiSim 進行仿真實驗，分析 GPSR 路由的性能。具體的做法是，先在 NS 2 中添加GPSR 路由協(xié)議， 設(shè)置仿真場景，然后編寫 TCL 腳本并調(diào)用網(wǎng)絡(luò)場景文件，就可以在 NS 2 下進行仿真和分析結(jié)果。

在仿真中，具體仿真參數(shù)配置如表 1 所示。

表 1 仿真參數(shù)配置表

4 GPSR仿真及分析

4.1 仿真實驗

將交通仿真軟件VanetMobiSim 產(chǎn)生的 trace 文件導入NS 2 后，運行 Tcl 腳本文件，調(diào)用 Nam 文件可以看到仿真場景。截取的一段 trace 文件數(shù)據(jù)如圖 1 所示。

圖1 截取的trace 文件

從圖 1 顯示的trace 文件片斷可以看出，節(jié)點正在維護鄰居節(jié)點的位置信息。82 節(jié)點和 8 節(jié)點發(fā)送 GPSR 控制分組給周圍的鄰居節(jié)點，使鄰居節(jié)點得到 82 節(jié)點和 8 節(jié)點的位置信息， 并將這些信息存儲在自己的鄰節(jié)點列表，這個過程就做初始化。初始化完成后，節(jié)點就會根據(jù) GPSR 的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機制，由源節(jié)點向目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。圖 2 就是初始化完成后節(jié)點 98 向節(jié)點 0 發(fā)送數(shù)據(jù)包的軌跡。

圖 2 節(jié)點 98 向節(jié)點 0 的轉(zhuǎn)發(fā)軌跡

4.2指標分析

通過數(shù)據(jù)提取工具Gawk，定量分析 GPSR協(xié)議中的端到端延遲平均延遲和數(shù)據(jù)包分組送達率。此處設(shè)置使用CBR 數(shù)據(jù)包流，并有節(jié)點發(fā)送，每一條每秒送出10個數(shù)據(jù)包，在此情況下進行仿真，統(tǒng)計仿真數(shù)據(jù)，求出平均值作為結(jié)果。平均端到端時延和平均送達率隨著節(jié)點速度增加而變化的仿真數(shù)據(jù)見表 2。

表 2 仿真數(shù)據(jù)

從表 2 中可以看出，當節(jié)點車輛的平均行駛速度增大時，GPSR 路由協(xié)議的平均端到端傳輸時延呈現(xiàn)增大的趨勢，平均送達率下降。整個路由協(xié)議的性能隨著車輛節(jié)點速度的增加而呈現(xiàn)一定程度的變差，以下幾點是造成路由協(xié)議性能下降的原因：

（1）節(jié)點車輛在城市環(huán)境中移動時，不可避免地受到建筑物、樹木等影響，從而造成兩節(jié)點通信質(zhì)量下降，平均投遞率下降；

（2）節(jié)點車輛的快速移動，導致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁、

鏈路連通時間短；

（3）周邊轉(zhuǎn)發(fā)機制的應用導致數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)增多，使路由冗余度增加，從而造成端到端時延增加。

5結(jié) 語

本文在 NS 2 中添加GPSR 路由協(xié)議，配置仿真參數(shù)，運行TCL 文件。通過解讀 trace 文件，了解場景中 100 個節(jié)點的相互通信的情況下，GPSR 路由協(xié)議的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機制。GPSR 路由協(xié)議存在當貪婪轉(zhuǎn)發(fā)失效而采用周邊轉(zhuǎn)發(fā)而造成路由冗余度增加的現(xiàn)象，因此，GPSR 路由協(xié)議依然有需要改進的地方。