车辆自组网络路由协议分析与仿真.docx

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车辆自组网络路由协议分析与仿真

摘要

随着科学技术的不断发展与进步，人们的生活水平在逐渐的提高，对生活质量也有了越来越高的要求，越来越多的家庭开始拥有私家车了。

然后更多的汽车出现在了道路上，造成了道路上的严重拥堵，从而交通事故也有了逐渐增长的趋势。

这些问题都给现代的交通系统提出严峻的挑战。

现在交通系统需要解决的问题是怎样减少交通事故的发生，坚决这个问题的关键是怎样提高道路交通环境的质量。

在我看来，如果能够实现车辆间的通信，使得车辆之间能够迅速、快捷的获得其他车辆的信息，从而让驾驶者能快速的做出正确的反应，那么就可以很大限度的降低交通事故的发生，从而能在一定的程度上缓解道路的拥堵。

车载网的关键技术包括：

车载自组网无线接入技术、GPS定位技术、自组网路由协议。

车载网分类可以分成：

基于拓扑的路由协议，基于地理的路由协议，基于地图的路由协议。

本文选用AODV路由协议与GPSR协议进行对比分析。

其中重点分析了AOD与GPSR这二种协议的原理。

在网络迅速膨胀的今天，随着网络规模的不断增大，网络因素类型不断增多时，传统的以经验为主的网络设计方法已经不能够适应现在的需求，且用现实中真实存在的通信元素进行测试，会造成资源和时间的浪费，因此，利用网络仿真工具在模拟的环境中对其网络性能进行仿真显得非常重要。

在本文中，主要介绍了NS2的仿真平台及其体系框架结构。

其中包括仿真工具NS2。

模拟了车载网节点的移动。

在测试场景中，对比了二种不同的协议下吞吐量、抖动率、延时、丢包率的比较。

改进后的算法在接收包的成功率、发送包的延时、抖动率、吞吐量要优于GPSR协议。

最后，得到的结论为：

由于GPSR算法通过贪心算法，选取的是最远的节点作为转发中继，故延时相对于AODV算法比较而言，端到端延时更小。

二种协议传送相同的数据包，由于GPSR协议延时小，故吞吐量较大，抖动比较小。

仿真也表明，使用GPSR算法，丢包率也较低。

关键词：

移动自组网，车载网，NS-2，无状态贪心算法

Vehicleadhocnetworkroutingprotocolanalysisandsimulation

ABSTRACT

Inrecentyears,ourlifeismorebetterthanbefore,andthedesignforlifequalityismoreandmorepopular.Oneoftheexamplesarethatvehicularcarsbecomeverycommoninourlife.Moreandmorecarsareontheroadandthuscausebigproblemstotraffic.Howtoreducethetrafficandaccidenthappenareinhotresearch.Thegooddesigntrafficarethatcarscouldcommunicatewithfrequencyandthetrafficaccidentissmall.Andthedrivercouldgetenoughinformationtodealwiththeincomingbadcondition.Withtheproposetheresearchismoreandmoreseriousifwenotdealwiththeproblems.VehicularAdHocNetworkcontainsmanyimportanttechnologies.suchashowtoaccessthemediumwhichusedinVehicularAdHocNetwork,GlobalPositioningSystemandtheroutingprotocolwhichareusedinVehicularAdHocNetwork.

AODViswidelyusedinAdhocmobilenetwork,whichisawidelyusedroutingprotocol,GPSRisanotherroutingprotocolwhichareusedinVehicularAdHocNetwork。

WechosetheNS2simulationtoanalysiswhichroutingprotocolismuchbettersuitableforthemobilevehicleadhocnetwork.Wetestasimulation,20percentofmobilenodesaremovedwiththespeedoffifteen,twenty,twenty-fivekm/s,andso

on.Andthenwecomparesomeveryimportantparameters.Suchasdelaytime,throughout,jitterandlosspacketratio.

Finally,wecangettheconclusionthatGPSRroutingprotocolismoresuitableforVehicularAdHocNetwork.WiththereasonofGPSRchosethefastestnodestoactasforwardnodes,whichwillcausesmallaveragetime.Atthetrafficalmostthesame,sothethroughoutismuchmorebiggerthanthewayofusingtheroutingprotocolusingAODV.

Keywords：

Adhocnetwork,VehicularAdHocNetwork,NS–2,GPSR

目录

第一章前言5

1.1研究背景与意义5

1.2国内外研究现状6

1.3主要研究工作7

1.4论文结构7

第二章车载自组网现状8

2.1车载自组网概述8

2.1.1车载自组网的特点8

2.1.2车载自组网的体系结构10

2.2车载自组网中的关键技术11

2.2.1车载自组网无线接入技术11

2.2.2GPS定位技术11

2.2.3车载自组网路由协议12

2．3车载自组网路由协议的分类12

2.3.1基于拓扑的路由协议12

2.3.2基于地理位置路由协议14

2.3.3基于地图的路由协议16

2.4本章小结17

第三章NS2模拟与仿真工具17

3.1车载网算法的NS2仿真平台构建17

3.2网络仿真的方法和一般过程18

3.3NS2的节点模型18

3.4NS2移动节点的创建20

3.5NS2下无线传输的能量模型20

3.6NS2工具介绍21

3.6.1数据分析工具awk简介21

3.6.2动画演示的工具NAM23

3.7添加GPSR路由算法在NS2下24

3.8本章小结25

第四章基于车载网GPSR的改进算法26

4.1车载网GPSR算法的不足26

4.2基于车载网GPSR的改进算法26

4.3添加改进代码在NS2下的修改26

4.4本章小结31

第五章仿真实验及结果分析32

5.1仿真模拟实验32

5.1.1网络仿真场景拓扑设置32

5.1.2仿真参数比较36

5.2实验结果分析37

5.2.1端到端的延时38

5.2.2吞吐量的比较39

5.2.3抖动率的比较40

5.2.4丢包率的比较40

5.3GPSR算法与GPSR改进算法对比41

5.3.1接收成功率的对比42

5.3.2端到端的延时对比42

5.4本章小结44

第六章总结与展望44

6.1论文总结44

6.2下一步工作45

致谢46

参考文献46

第一章前言

1.1研究背景与意义

车辆自组织网络（VehicularAdHocNetworks，VANET）[1]作为一种特殊的移动自组织网络，是道路上车辆间、车辆与固定接入点之间相互通信而组成的开放式移动网络。

作为智能交通系统的重要组成部分，有着非常广阔的前景。

车辆自组织网络的设计目标是建立一个车间通信平台，能够实现多车无线通信，通过自组织网络的应用可以提高交通安全性、道路通行效率和行车环境。

随着科学技术的不断发展与进步，人们的生活水平在逐渐的提高，对生活质量也有了越来越高的要求，越来越多的家庭开始拥有私家车了。

然后更多的汽车出现在了道路上，造成了道路上的严重拥堵，从而交通事故也有了逐渐增长的趋势。

这些问题都给现代的交通系统提出严峻的挑战。

现在交通系统需要解决的问题是怎样减少交通事故的发生，坚决这个问题的关键是怎样提高道路交通环境的质量。

在我看来，如果能够实现车辆间的通信，使得车辆之间能够迅速、快捷的获得其他车辆的信息，从而让驾驶者能快速的做出正确的反应，那么就可以很大限度的降低交通事故的发生，从而能在一定的程度上缓解道路的拥堵。

但是传统的车载网络即使能够得到其他车辆的信息，但是却并不能是的车辆间直接的进行通信，他们需要一个中心的网络节点来发送消息，这样就会造成信息没有办法及时的让车辆获得，因此降低了通信系统的性能。

最近几年来，信息技术在不断的快速发展，我们能在越来越广泛的地方使用无线网络，应用范围很大。

近年来，在对移动自组织网络上的研究越来越受到重视。

无线网络拥有广阔的市场前景和较高的研究价值。

在控制装置上面，它可以降低各系统的互连线束，从而降低了传感器及相应的配置，在各个子系统之间实现了资源共享，有利的提高了系统的协调性和可靠性。

在应用方面，如果将移动自组织网络应用到车载系统，使得在网络中的车辆能进行相互的通信，这不但可以实现事故报告，交通状况信息查询，而且还能对驾驶者进行辅助驾驶，使得驾驶者在非可视范围内能得到其他车辆信息及路况信息，使驾驶者得到及时的消息，从而做出准确的判断，有利于车辆自身的安全驾驶，这样就会提高交通系统的性能，减少交通事故的发生。

随着国家的富强和人民生活水平的不断提高使得车辆越来越多，交通安全在国民经济和国防建设中的起着越来越大的作用。

移动自组织网络不但能解决车辆间的通信，还能对于交通安全及车辆的智能化、便利化也有着非常重要的作用，对于提升车辆的信息化、自动化程度，甚至是扩大到国防等应用的领域，都是具有着十分重大的意义的，所以已经引起了各国研究机构的很大兴趣。

1.2国内外研究现状

　　　随着现代人民生活水平的逐渐提高，私家车数量越来越多，交通越来越拥挤，这对于我国现有的交通系统来说，成为一个越来越严重的挑战。

根据相关数据可以发现，我国现在的交通安全事故情况已经处于高发期，交通安全的形势非常严峻。

现在，车辆通信的网络主要有GPRS网络和CDMA网络[2]，车辆间通过GPRS网或者CDMA网联系控制中心，向控制中心报告自己的车辆信息，而且可以通过互联网下载电视电影音乐等娱乐资料。

但是，这种组网的方式却有两个很大的缺陷：

车辆和车辆之间并不能通信，这就导致降低了各车辆之间的信息交流；而且由于这两个网络能够容纳的用户容量是有限的，所以肯定会影响车辆终端的发展。

在这种背景的需求下，车辆自组织网络（VehicularAdHocNetwork，VANET）这一概念产生了。

车辆自组织网络来自于自组织网络（AdHoc），是自组网络在交通领域的另外一种特殊的应用，是专门以车辆之间的通信为场景而建立的自组织网络，可以实现路边节点与车辆之间、车辆与车辆之间的相互通信。

VANET技术很创造性的把自组网技术成功的应用到了车载网络上，已经成为各个国家通信专家们研究的一个关注点，并且成为了各个国家研究机构的研究热点。

从2000年起，欧洲科学家们已经分别开创了了Car－2－Car、FleetNet、WILLWARNE、ADASE、COMCAR、DRiVE、CHAUFFEUR2等项目对车辆间的通信进行研究，而美国也成立了VehicleSafetyConsortium[3]，日本则成立了AdvancedSafetyVehicleProgram，而且通过了两个标准来用于研究车辆间的通信。

IEEE也经过讨论制定了IEEE802.11p（WAVE）[4]的相关标准，而且在5.9GHz频段上特意划分了用于车辆间相互通信的75MHz频带。

另外，从2004年开始，MobiCom每年都会进行关于研究VANET的专题研究会。

同样，国内的一些高校也对VANET的相关技术表现出了研究兴趣，武汉大学、东南大学、清华大学分别都在传输控制技术、VANET信道的建模和车辆与车辆间内联网的组网技术这些方面进行了研究，肖汉等人也在[5]中对此进行过研究。

最近几年来，各国的研究人员通过分析一些移动自组织网络，研究其中的传输控制协议的设计，发现了一些对VANET中传输控制协议的设计具有重要借鉴的思想以及方案，但仍然缺乏专门针对VANET网络这个相对来说还是很特殊的移动自组网来进行的一些专门的研究。

1.3主要研究工作

本文对车载网的研究背景和国内外研究现状作了简单的介绍，并着重分析了车载网路由协议中的AODV，GPSR[6]协议。

同时，对比分析了GPRS协议与AODV协议，并在NS-2上设置了场景，进行仿真比较。

针对节点移动速度变化的特点，进行了高速度与低速度下，二种不同协议对比的延时、丢包率，还对比了吞吐量、抖动率。

仿真结果表明，GPSR基于地理位置的路由协议由于是以最远距离的转发，其比AODV更适用于车载网应用的这种环境，在相同的条件下，丢包更少，延时更短。

AODV路由协议侧重于端到端的通信，在车载网应用车辆快速移动的过程中，表现的参数差于GPSR协议。

1.4论文结构

第一章给出了课题研究的背景意义及研究现状。

作为当今新兴技术之一，车载网络有着广阔的应用前景和重要的科学研究价值。

路由协议作为车载网络核心技术之一，它的性能很大程度上决定了网络的整体性能。

适时地开展这方面的研究工作，对我国社会各方面的发展具有举足轻重的作用。

第二章分析了车载自组网的现状，其中分析了车载网的特点，车载网的体系结构，车载自组网中的关键技术，其中包括：

自组网无线接入技术，GPS定位技术，车载自组网路由协议。

以及对车载网路由协议进行了分类，其中重点介绍了基于拓扑的AODV协议与地理位置的GPSR路由协议。

第三章介绍了NS2模拟与仿真工具，网络仿真的方法和一般过程，NS2的节点模型，NS2移动节点的创建，NS2下无线传输能量模型，以及如何添加GPSR算法在NS2下。

第四章介绍了基于车载网GPSR的改进算法。

针对车载网GPRS算法的不足，对算法进行了设计和改进，并添加然后在NS2下。

第五章进行模拟实验，对传统的Adhoc路由协议AODV算法和GPSR的算法分别进行了仿真对比，并对仿真结果进行了详细的分析。

针对GPSR算法的不足，提出了改进算法，并在NS2下进行了GPSR算法与GPSR改进算法对比。

最后总结与展望，首先对本文的主要工作进行总结，然后对本文工作需要改进之处和未来发展方向进行了阐述。

第二章车载自组网现状

车载自组网VANET是指道路上车辆与车辆间，车辆与路边的固定接入点之间通过相互通信共同组成的一种开放移动的AdHoc网络，它是一个结构开放的、自组织的车辆间通信网络，在智能交通系统ITS（IntelligentTransportationSystem）中起着很重要的作用。

而且由于VANET在路况监测、交通管理、反映道路当前状态、交通安全、车辆跟踪的导航等方面都起着很重要的作用，所以近年来形成了无线自组网络新研究的热潮，比如阿尔及利亚科学与技术信息研究中心的车辆防碰撞系统奔驰公司的车辆免事故系统ThinkingPartner、加州大学的城市交通监视系统MobEyes、弗罗斯特堡州立大学的车辆防盗SVATS，等等。

2.1车载自组网概述

2.1.1车载自组网的特点

移动自组网没有预先指定拓扑结构的无线网络,节点可以自由移动,网络中的拓扑结构随时间不断改变。

网络中每一个节点既是一个终端系统，也可以充当路由器节点,节点与节点间分享着通信的资源,组成了多跳中继的网络结构来传送数据信息。

车载自组网它是移动自组网所派生发展出的一个新的分支。

移动自组网中车辆本身以及周围环境有以下四方面的特点:

活动场景、移动模型、运动属性和节点特性。

图2-1车载自组网体系结构

1、活动场景

车载自组网中，可以布置在一个实际的地图上。

地图上有地图上有街道,有公路,有银行,高速公路,有行人，有十字路口,还有交通灯,这些都会使车辆的自由移动受到极大的限制。

原来移动自组网的节点的运动模型对于车载自组网来说，其中的一些特点已经不再适合,这时候，创建一个新的移动节点模型是很有必要的。

从另一个方面来讲,高大的建筑物会造成无线信号的阻挡最终会导致车载之间的连通中断。

2、移动模型

公路和街道这些都是固定的，所以车辆必须在这些先前指定的路径上运动。

它的特点是车辆不可以像移动自组网中的节点一样能够自由移动，而是必须在指定的路径上进行有方向有目的的运行。

例如在十字路交叉路口或交通道路收费站处，车辆拥塞可能大量存在，而在某些路段行人车辆稀少，车辆很可能少甚至网络不连通。

在车辆密集的场合，无线接入的冲突增加，由此会带来一些冲突避免。

而在车辆稀疏的声所,网络可能频繁断裂,这样随机的连通性也会使一般的路由协议产生性能的降低，或者不适用。

3、运动属性

相对无线移动自组网而言，车辆移动的速度很快，因此两车的持续通信时间很短，路由维护将会变得非常困难。

由于车辆的高速移动，会导致不断的变化拓扑结构,假设两辆车以20m/s的速度向相反的方向运动,并且无线通信的固定传输半径一直是200m，那么二辆车辆之间链路之间的最长持续的时间是5秒。

超过5秒后，车辆之间的通信会断开。

4、节点特性

车辆都能装备一定的通信设备，能支持高速移动下的通信。

比一些设备比如GPS全球定位系统来获取节点自身当前的地理位置信息和运动速度、运动轨迹。

由于汽车的能量不再受到像传统Adhoc移动网络中的能量限制，因此，可以不像MANET中需要考虑车载网中能量的问题，相对于Adhoc移动网络，车载网存储计算能量比较强大。

前三个特点，使得车载网与移动自组网有较大的差异，因此设计一种有效支持实时的车载路由协议是一个严峻的问题。

第四个特性使得车载网带来了前所没有的机会，世界各地学者企业界越来越关注车载网，车载网络具有广阔的前景。

属性场景

车载自组网

无线自组网

地理环境

严格限制

无限制

运动模式

有规律的运动

无规律的运动，随机性大

延时要求

严格

一般

外围设备

GPS导航地图

可能有GPS，一般成本低

无线干扰

受高大建筑、交通状况影响

360o通信，无干扰

表2.1车载自组网与移动自组网的对比

2.1.2车载自组网的体系结构

车载自组网的分层体系结构在图2.2所示。

图2-2车载自组网的分层体系结构

在车载自组网中,可以采用OSI的七层协议模型来进行研究，车载自组网的分层体系结构在如图2-2所示。

在该体系结构中，最重要的是物理层，MAC层和路由层：

物理层负责详细的电磁波信号的接受与发送，编码与解码等。

MAC层主要负责媒体的功率控制、服务质量、公平接入等问题，主要用来解决检测是否有冲突的发生与碰撞，隐藏终端和暴露终端的问题。

常见的应用广泛的路由协议，包括802.11，802.15.4，smac，tmac，zmac等。

路由层主要包括的内容：

车载网中的节点是通过多跳来传输数据的，路径的查找、路径的选择是网络层需要解决的问题。

2.2车载自组网中的关键技术

2.2.1无线接入技术

车载自组网中集成了移动自组网的相关接入技术，例如802.11。

IEEE802.l1p。

IEEE802.11p（又称WAVE，WirelessAccessintheVehicularEnvironment）无线局域网标准,用于智能交通系统（ITS，IntelligentTransportationSystems）。

IEEE802.l1p是一个由IEEE802.11标准扩充的通信协议,主要用于车载电子无线通信。

它本质上是IEEE802.11的扩充延伸,符合智能交通系统的相关应用。

应用层面包括高速车辆之间以及车辆与ITS路边基础设施（5.9千兆赫频段）之间的数据交换。

IEEE1609标准则基于IEEE802.1Ip通信协议的上层应用标准。

2.2.2GPS定位技术

目前定位系统主要有以下几种：

1、美国全球定位系统（GPS）

全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国第二代卫星导航系统。

它具有应用广、精度高、性能好的特点,是到目前为止最为优秀的定位导航系统。

随着硬件、软件的不断改进与完善,全球定位系统的应用领域一直在不断地开拓,现在已应用到国民经济的各种部门,而且开始不断深入人们的生活之中。

2、俄罗斯“格洛纳斯”系统

有24颗卫星组成,精度在10米左右,军民两用,随着地面设备的不断发展,“格洛纳斯”系统预测将在2015年成功建成。

到那时,它的导航和定位误差范围都将缩减为1米左右,而以前的误差是5米到6米，就精确度来说这个系统将会处于全球领先的地位。

3、欧洲的“伽利略”卫星系统

将有30颗轨道卫星组成“伽利略”卫星定位系统,每颗卫星的轨道高度约为2.4万公里,倾角为56度,分布在3个轨道面上,而且每个轨道面都会部署9颗工作星和另外1颗在轨备用星。

从设计方向来看,GPS的定位精度低于“伽利略”。

假如说GPS可以找到街道,那么“伽利略”就能够发现车库门。

“伽利略”可以为地面的使用用户提供3种信号:

加密且且需满足更多要求的信号、加密且要交费使用的信号、可以免费使用的信号。

它们的精度依次降低,但最高精度要比GPS还要精确10倍,而且即便是免费使用的信号它的精度也可以达到6米。

4、中国的卫星导航系统“北斗”

“北斗”由30颗非静止轨道卫星组成和5颗静止轨道卫星组成。

它定位精度在10米。

预计大概在2020年左右。

北斗卫星导航系统将会建成覆盖全球的导航系统。

全球定位系统（GlobalPositioningSystem）的定位技术。

它具有应用广、精度高、性能好的特点。

如今，全球定位系统硬、软件不断的完善,功能不断的改进，它的应用领域也在不断地增加,目前已应用到国民经济的各种部门,并开始不断的深入人们的日常生活。

2.2.3车载自组网路由协议

路由协议是车载自组网中最关键的组成部分，在很大程序上决定车载网络的整体性能。

各种Adhoc网络中的路由协议可以被用于车载网络，例如aodv[8]，dsdv，dsr协议等，但高速度变化的拓扑和通信范围使得传统Adhoc网络中性能很差，无法满足车载自组网的需要。

车辆密度分布不均，导致网络的拓扑和连通性不断变化，所以一个好的路由协议设计必备容错性、实时性等。