車載自組織網絡路由協議仿真與研究

趙寧　陳丹

摘 要：為了分析車載自組織網絡中路由協議的性能，綜合運用網絡仿真軟件NS 2和交通仿真軟件VanetMobiSim。通過trace文件查看數據包傳遞路徑，通過數據資料提取工具Gawk，定量分析GPSR性能指標，得出當節點車輛的平均行駛速度增大時，GPSR路由協議的平均端到端傳輸時延增大，平均送達率下降的結論。

關鍵詞：車載自組織網絡；GPSR路由協議；貪婪轉發；trace文件

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

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

1 車載自組織網絡體系結構

車載自組織網絡是一種自組織、結構開放的車輛間通信網絡。VANET網絡構架主要分為兩部分：一是車輛間的通信，二是車輛與固定設施的通信。各個車輛節點都具有收發器和路由器的功能，車輛之間自動連接可搭建起一個移動的網絡。路邊單元主要負責車載單元的接入。在VANET發揮作用的同時，VANET路由協議為其提供重要的數據通信支持，因此，路由協議很大程度上決定了VANET的性能[5]。

2 GPSR路由協議

GPSR路由協議中，其轉發策略是將貪婪轉發與周邊轉發相結合的路由算法[6]。當源節點S要向目的節點D傳遞數據包時，節點S在鄰居列表中選擇距離節點D最近的節點作為下一跳節點，將數據包傳遞給它。該過程一直重復，直到數據包到達節點D。但當鄰居節點中沒有任何一個節點距離目的節點比源節點距離目的節點近，貪婪轉發無法繼續，即發生局部最優化現象。GPSR通過周邊轉發方式解決貪婪轉發失效時產生的鏈路割斷問題。

3 GPSR仿真環境搭建

本文運用源代碼開放的NS 2路由協議的仿真平臺，聯合交通仿真軟件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路由協議，設置仿真場景，然后編寫TCL腳本并調用網絡場景文件，就可以在NS 2下進行仿真和分析結果。

在仿真中，具體仿真參數配置如表1所示。

表1 仿真參數配置表

屬性 參數設置 屬性 參數設置

MAC 協議 EEE 802.11DCF 停留時間 0 s

仿真場景 200×200 m2 傳輸范圍 250 m

路由協議 GPSR 分組類型 CBR

節點速度 20/30/40/50/60 km/h 仿真時間 300 s

節點數目 100 數據包長 32 B

4 GPSR仿真及分析

4.1 仿真實驗

將交通仿真軟件VanetMobiSim產生的trace文件導入NS 2后，運行Tcl腳本文件，調用 Nam 文件可以看到仿真場景。截取的一段trace文件數據如圖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，節點正在維護鄰居節點的位置信息。82節點和8節點發送GPSR控制分組給周圍的鄰居節點，使鄰居節點得到82節點和8節點的位置信息，并將這些信息存儲在自己的鄰節點列表，這個過程就做初始化。初始化完成后，節點就會根據GPSR的貪婪轉發機制，由源節點向目的節點轉發數據包。圖2就是初始化完成后節點98向節點0發送數據包的軌跡。

圖2 節點98向節點0的轉發軌跡

4.2 指標分析

通過數據提取工具Gawk，定量分析GPSR協議中的端到端延遲平均延遲和數據包分組送達率。此處設置使用CBR數據包流，并有節點發送，每一條每秒送出10個數據包，在此情況下進行仿真，統計仿真數據，求出平均值作為結果。平均端到端時延和平均送達率隨著節點速度增加而變化的仿真數據見表2。

表2 仿真數據

節點速度/km·h-1 平均端到端時延/S-1 平均送達率/%100

20 2.334 46

30 2.924 41

40 3.326 37

50 3.645 34

60 4.364 27

從表2中可以看出，當節點車輛的平均行駛速度增大時，GPSR路由協議的平均端到端傳輸時延呈現增大的趨勢，平均送達率下降。整個路由協議的性能隨著車輛節點速度的增加而呈現一定程度的變差，以下幾點是造成路由協議性能下降的原因：

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

（2）節點車輛的快速移動，導致網絡拓撲結構變化頻繁、鏈路連通時間短；

（3）周邊轉發機制的應用導致數據包轉發跳數增多，使路由冗余度增加，從而造成端到端時延增加。

5 結 語

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

參考文獻

[1] 符媛柯，唐倫，陳前斌，等. 車載自組織網絡路由協議及研究進展[J]. 計算機應用， 2013，33（7）：1793-1797.

[2] Wisitpongphan N， Fan B， Mudalige P， et al. Routing in sparse vehicular ad hoc wireless network[J]. IEEE Trans Selected Areas in Communications， 2007， 25（8）：1538-1556.

[3] NAMBOODIRI V， GAO Li-xin. Prediction-based routing for vehicular Ad hoc network[J]. IEEE Trans on Vehicular Technology， 2007，56（4）：2332-2345.

[4] LIU Kai， LEE V C. RSU-based real-time data access in dynamic vehicular systems[J]. IEEE Trans on Vehicular Technology，2010，59（6）：3337-3347.

[5] 徐會彬，夏超. VANETs路由綜述[J]. 計算機應用研究，2013（30）：1-6.

[6] Karp B， Kung H T. GPSR： greedy perimeter stateless routing for wireless networks[C] //Proceeding of 2000 MOBICOM. Boston： ACM， 2000：243-254.