高速公路環(huán)境下的路由協(xié)議仿真分析

余瑞，向鄭濤

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為城市建設(shè)的重點(diǎn)研究方向，車載自組織網(wǎng)絡(luò)（vehicular ad hoc network，VANET）實(shí)現(xiàn)了車與車（vehicle-to-vehicle，V2V）之間、車與基礎(chǔ)設(shè)施（vehicle-to-infrastructure，V2I）之間的通信，達(dá)到了數(shù)據(jù)快速傳輸與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的目的。與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)不同的是VANET 具有應(yīng)用范圍廣、場景復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，應(yīng)用場景一般為城市道路、高速公路和鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道。高速公路上每輛車相當(dāng)于1個(gè)移動的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)快速移動造成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化劇烈，并且節(jié)點(diǎn)具有道路屬性。VANET 技術(shù)為行駛車輛提供及時(shí)加速提醒、減速警告和公路不適宜性等信息，在智慧交通系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛［1］。對安全數(shù)據(jù)預(yù)告與分析，有助于降低車輛交通事故發(fā)生概率，提高道路安全性和交通運(yùn)輸水平。路由協(xié)議是VANET 中基本的組成部分，為了使車輛之間能夠準(zhǔn)確交換數(shù)據(jù)，需要尋找路由性能較為優(yōu)良的路由協(xié)議。在VANET 路由協(xié)議中，基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議分為按需驅(qū)動路由協(xié)議和表驅(qū)動路由協(xié)議［2］。典型的按需路由協(xié)議是按需距離矢量路由協(xié)議（ad hoc on-demand distance vector，AODV）［3］；表驅(qū)動路由協(xié)議的代表是目的序列距離矢量路由協(xié)議（destination-sequenced distance vector routing，DSDV）［4］。AODV和DSDV路由協(xié)議具有收斂速度快、路由回復(fù)時(shí)間短、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，在VANET路由協(xié)議中運(yùn)用較為廣泛。大量研究人員根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)場景，對VANET 系統(tǒng)中不同的路由協(xié)議進(jìn)行了仿真分析，為尋找合適VANET 的路由協(xié)議作了很多努力。Saed 等［5］給出了AODV、DS?DV、DSR 等路由協(xié)議在隨機(jī)路點(diǎn)模型和高速公路模型的仿真結(jié)果，即DSDV 吞吐量最低，時(shí)延也較低，AODV 在吞吐量和分組投遞率方面比DSDV 性能要好。Mayada等［6］選擇了3條網(wǎng)狀城市街道，比較AODV、DSDV、DSR 協(xié)議的不同性能。任春江等［7］在單向三車道高速公路場景下，對先應(yīng)式和反應(yīng)式路由進(jìn)行對比仿真，得出AODV 的分組投遞率、吞吐量高于DSDV，DSDV平均端到端時(shí)延相比AODV低的結(jié)論。文中針對VANET特點(diǎn)并結(jié)合目前使用較多的高速公路場景，通過對比AODV 和DSDV路由協(xié)議在不同移動場景下的通信效果，從分組投遞率、平均端到端時(shí)延以及吞吐量對路由協(xié)議性能進(jìn)行評估。

1 VANET基本路由協(xié)議分析

1.1 AODV路由協(xié)議

AODV 協(xié)議分為路由發(fā)現(xiàn)階段和路由維護(hù)階段。路由發(fā)現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)了路由尋路，源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若路由表中沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，源節(jié)點(diǎn)通過廣播路由請求消息RREQ進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RREQ后，查詢路由表判斷自己是否為目的節(jié)點(diǎn)，如果是目的節(jié)點(diǎn)就更新路由表信息，向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)RREP并建立路由連接；反之則通過檢查路由表信息，確認(rèn)是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路徑。當(dāng)存在有效路由時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)沿反向路由向源節(jié)點(diǎn)傳輸RREP應(yīng)答幀，然后將收到的RREQ報(bào)文傳輸給下一跳節(jié)點(diǎn)，直至找到目的節(jié)點(diǎn)，建立或更新正向和反向路徑；如果不存在有效路由，中間節(jié)點(diǎn)將更改收到的RREQ消息，將其目的節(jié)點(diǎn)序列號更新至當(dāng)前最大值并將跳數(shù)加1，繼續(xù)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播修改后的RREQ 信息。其他節(jié)點(diǎn)同樣按照上述機(jī)制進(jìn)行路由尋路過程，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到RREP 報(bào)文時(shí)，說明可以通過建立好的雙向路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程中，目的節(jié)點(diǎn)的IP 地址是用于尋路的關(guān)鍵字段，為了避免路由環(huán)路問題，其目的節(jié)點(diǎn)的序列號也會根據(jù)路由協(xié)議進(jìn)行更新。AODV 路由表主要字段如圖1所示。

圖1 AODV路由表主要字段

路由維護(hù)階段解決了鏈路中斷問題，前驅(qū)節(jié)點(diǎn)列表主要用于路由維護(hù)階段。若路由中斷，需通過路由維護(hù)階段重新建立有效路由，啟動本地修復(fù)機(jī)制是根據(jù)中斷節(jié)點(diǎn)位置來確定。如果進(jìn)行本地修復(fù)且路由修復(fù)失敗，斷鏈的上一跳節(jié)點(diǎn)IP 地址可以在前驅(qū)列表中找到，上游節(jié)點(diǎn)就會沿反向路徑發(fā)送RERR消息，收到RERR消息的其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)其內(nèi)容刪除路由表中相應(yīng)表項(xiàng)，將無關(guān)的路徑設(shè)置為無效路徑。如果仍需要與目的節(jié)點(diǎn)通信，則發(fā)出新的路由請求，進(jìn)入路由發(fā)現(xiàn)過程。

1.2 DSDV路由協(xié)議

DSDV 路由協(xié)議改進(jìn)了Bellman-Ford 路由算法，解決了Bellman-Ford算法中存在的路由環(huán)路問題。在DSDV 協(xié)議中每個(gè)移動節(jié)點(diǎn)都維護(hù)1 個(gè)路由表，每個(gè)路由表包含目的節(jié)點(diǎn)、下一跳節(jié)點(diǎn)、到達(dá)每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)和序列號等信息。DSDV 路由表主要字段圖2所示。DSDV路由更新需要節(jié)點(diǎn)周期進(jìn)行廣播消息，在發(fā)送更新之前，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待狀態(tài)，確保沒有從其鄰居節(jié)點(diǎn)收到更新消息，定期更新路由表有助于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ?］。目的節(jié)點(diǎn)的序列號可以用來區(qū)分已過期的路由和當(dāng)前使用的路由，避免因使用過期的路由信息產(chǎn)生無效的路徑。如果序列號與表中已有的序列號相同，則使用路徑長度更短的路由作為優(yōu)選路由；如果新記錄的序列號比表中已有的序列號大時(shí)，則使用新的序列號大的路由。DSDV 協(xié)議可以利用節(jié)點(diǎn)序列號消除路由環(huán)路，解決無窮計(jì)數(shù)問題。

圖2 DSDV路由表主要字段

2 網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器

不同應(yīng)用環(huán)境下路由協(xié)議性能各不相同，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的驗(yàn)證、測試以及設(shè)計(jì)需要先進(jìn)高效的網(wǎng)絡(luò)仿真模擬工具。Thmos R.Henderson教授及其小組研發(fā)了新型網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器——NS3［8］，NS3 是免費(fèi)的開源離散事件網(wǎng)絡(luò)模擬器，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架包括模擬器內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件，支持很多開源軟件，NS3 可以提供高性能的、與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相近的網(wǎng)絡(luò)仿真，為研究提供了準(zhǔn)確靈活的技術(shù)支撐。

為了在VANET網(wǎng)絡(luò)仿真中建立真實(shí)的車輛仿真模型，采用微觀道路交通模擬工具（simulation of urban mobility，SUMO）來構(gòu)建車輛在VANET 中的運(yùn)動模式［9］。該模型通過設(shè)置一段時(shí)間內(nèi)不同車輛的運(yùn)動、速度和加速度等基本參數(shù)，實(shí)現(xiàn)車道類型更改、車輛跟馳、換道模型設(shè)置，具有開放的圖形化界面，可觀察到具體的仿真過程。

圖3 SUMO和NS3仿真流程圖

SUMO 和NS3 仿真流程圖如圖3 所示。根據(jù)VANET 仿真場景，在SUMO中可以對道路拓?fù)?、車輛分布以及車輛狀態(tài)進(jìn)行配置。通過SUMO 仿真軟件生成相應(yīng)的路網(wǎng)文件和路徑文件，并將最終的場景文件在交通控制接口的幫助下，實(shí)現(xiàn)NS3網(wǎng)絡(luò)仿真器與SUMO 的互聯(lián)。在NS3 中選擇相應(yīng)的模塊，編寫仿真腳本，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和圖像繪制。通過聯(lián)合仿真可以更加清楚了解網(wǎng)絡(luò)仿真對交通模式的影響，使仿真結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確。

3 仿真驗(yàn)證及協(xié)議性能分析

3.1 性能評價(jià)指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)用來衡量網(wǎng)絡(luò)性能的好壞。將AODV 和DSDV 路由協(xié)議在相同的模型和場景下進(jìn)行比較，從以下路由協(xié)議性能指標(biāo)進(jìn)行分析：

1）分組投遞率 指目地接收到的數(shù)據(jù)包與源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包的比率，其計(jì)算公式為

式中：P 為分組投遞率；Nr為每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包總數(shù)；Ns為所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)。P描述網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕琍越大，說明傳輸過程中數(shù)據(jù)包傳輸成功率越高，鏈路穩(wěn)定性較好。

2）平均端到端時(shí)延 指數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上從源傳輸?shù)侥康牡厮ㄙM(fèi)的時(shí)間，其計(jì)算公式為

式中：A為平均端到端時(shí)延；Δti為第i個(gè)數(shù)據(jù)包的延遲時(shí)間；n 為接收數(shù)據(jù)包總數(shù)。A 反映了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，A越小，說明網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性越好。

3）吞吐量 指網(wǎng)絡(luò)中單位時(shí)間內(nèi)正確收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量，其公式為

式中：Th為吞吐量；Rb為接收字節(jié)；T 為仿真時(shí)間。Th測量網(wǎng)絡(luò)持續(xù)向目的地提供數(shù)據(jù)的能力，Th越大，說明實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，傳輸有效數(shù)據(jù)的能力越高。

3.2 仿真環(huán)境

文中使用Linux 操作系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)仿真器NS3.26 對AODV、DSDV 路由協(xié)議進(jìn)行仿真分析。針對高速公路車輛行駛特點(diǎn)，利用SUMO生成節(jié)點(diǎn)移動場景，對運(yùn)動文件中的車輛數(shù)量、車速等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。采用周期邊界環(huán)境，以保證仿真過程中道路上車輛密度不變，根據(jù)高速公路限速要求，設(shè)置SUMO仿真參數(shù)如表1所示。對于每種設(shè)置，仿真30 次并計(jì)算平均值，以減小隨機(jī)性的影響。編譯好場景文件后將其導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)仿真器NS3中。NS3中的基本仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 SUMO仿真參數(shù)設(shè)置

表2 NS3仿真參數(shù)設(shè)置

3.3 仿真比較及結(jié)果分析

1）不同車輛數(shù)量下協(xié)議的性能 VANET 網(wǎng)絡(luò)中，車輛數(shù)量影響節(jié)點(diǎn)的密度以及節(jié)點(diǎn)分布情況，也影響車輛之間通信質(zhì)量以及路由協(xié)議性能。設(shè)置車速為100 km·h?1，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為40～120，其他參數(shù)參照表2 進(jìn)行設(shè)置。不同車輛數(shù)量下，AODV和DSDV分組投遞率、平均端到端時(shí)延和吞吐量變化見表3。隨著車輛數(shù)量增加，AODV 和DSDV 路由協(xié)議分組投遞率呈緩慢上升然后下降趨勢。車輛數(shù)量小于100 輛時(shí)，AODV 的分組投遞率高于DSDV 路由協(xié)議。車輛數(shù)量大于100 輛時(shí)，AODV和DSDV 分組投遞率數(shù)值變化趨勢基本相近。車輛數(shù)量為40～80輛時(shí)，平均端到端時(shí)延數(shù)值較為穩(wěn)定；車輛數(shù)量在80 輛以上時(shí)，AODV 和DSDV 的平均端到端時(shí)延均呈現(xiàn)增加趨勢，AODV路由協(xié)議的平均端到端時(shí)延增長幅度略大于DSDV 協(xié)議。整體來看，DSDV 比AODV 路由協(xié)議平均端到端時(shí)延要低。車輛數(shù)量變化對AODV 和DSDV 路由協(xié)議的吞吐量影響較小，隨著車輛數(shù)量的增加，AODV和DSDV 路由協(xié)議整體的吞吐量變化趨勢不大。在車輛數(shù)量相同情況下，AODV路由協(xié)議的吞吐量較高，DSDV的吞吐量較低。

2）不同車速下協(xié)議的性能 車速的變化是影響VANET中節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要因素之一。在高速公路環(huán)境中，車速較快，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較為劇烈，路由性能隨之改變。設(shè)置車輛數(shù)量為100輛，車速為60～120 km·h?1，其他參數(shù)參照表2進(jìn)行設(shè)置，分析不同車速對路由協(xié)議性能的影響。不同車速下AODV 和DSDV 路由協(xié)議分組投遞率平均端到端時(shí)延和吞吐量變化如表4 所示。在高速公路環(huán)境中，隨著車速的增加，分組投遞率逐漸下降。車速一定時(shí)，AODV 路由協(xié)議的分組投遞率略高于DS?DV。隨著車速的增加，DSDV路由協(xié)議平均端到端時(shí)延較為穩(wěn)定。車速為60～100 km·h?1時(shí)，DSDV路由協(xié)議的平均端到端時(shí)延基本維持在10 ms以下，而AODV 路由協(xié)議的平均端到端時(shí)延先增大后減?。划?dāng)車速超過100 km·h?1時(shí)，AODV 的平均端到端時(shí)延增長速度明顯大于DSDV 路由協(xié)議。車速小于100 km·h?1時(shí)AODV和DSDV路由協(xié)議吞吐量呈下降趨勢，車速為120 km·h?1時(shí)吞吐量有較小幅度上升，車速相同的情況下DSDV協(xié)議在吞吐量方面比AODV協(xié)議效果差。

表3 車輛數(shù)量與分組投遞率、平均端到端時(shí)延及吞吐量的關(guān)系

表4 車速與分組投遞率、平均端到端時(shí)延及吞吐量的關(guān)系

3）仿真結(jié)果分析 根據(jù)表3 可以看出，當(dāng)車輛數(shù)量增加時(shí)，雙向車道上的車輛密度變大，在與對向車輛進(jìn)行信息傳輸時(shí)，信息鏈路增加，數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生擁塞和碰撞幾率隨之增大。在車輛數(shù)量一定的條件下，隨著車速增大，雙向車道中車輛位置變化較為劇烈（表4），導(dǎo)致了車輛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。AODV是按需路由協(xié)議，當(dāng)有信息需要進(jìn)行傳輸時(shí)才啟用路由發(fā)現(xiàn)過程，導(dǎo)致了較大的時(shí)延，但降低了路由開銷，提高了路由利用率。車輛數(shù)量的增加使得車輛之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量增多，在信息量增加的情況下，AODV路由協(xié)議能夠較好地控制路由的開銷，帶寬的利用率較高，因此AODV路由協(xié)議分組投遞率和吞吐量均高于DSDV路由協(xié)議。DSDV 路由協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)無論是否需要進(jìn)行通信，都要建立和維護(hù)路由表，該路由表包含到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中所有其他節(jié)點(diǎn)信息，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不需要路由發(fā)現(xiàn)過程，具有時(shí)延較低的特點(diǎn)，符合表驅(qū)動路由協(xié)議特點(diǎn)。DSDV 路由協(xié)議不考慮實(shí)際節(jié)點(diǎn)拓?fù)渲惺欠裼玫骄唧w的路徑，隨著數(shù)據(jù)包增加，通信量變大，使得帶寬的利用率較低，因此在路由建立、維護(hù)過程中開銷增大，導(dǎo)致其分組投遞率和吞吐量較低。綜上所述，在車輛數(shù)量和車速變化的情況下，AODV路由協(xié)議的分組投遞率和吞吐量高于DSDV，但DSDV 路由協(xié)議的平均端到端時(shí)延低于AODV路由協(xié)議。

4 結(jié)論

應(yīng)用NS3 仿真平臺仿真分析了高速公路環(huán)境中在不同車輛數(shù)量和車速下AODV 和DSDV 路由協(xié)議的性能，結(jié)果表明：在分組投遞率和吞吐量方面，AODV 高于DSDV 路由協(xié)議，但在平均端到端時(shí)延上DSDV 路由協(xié)議的優(yōu)勢更大。從路由協(xié)議整體性能來看，AODV 路由協(xié)議性能更好，但在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蟮膱鼍爸?，其鏈路穩(wěn)定性就會受到影響。針對車輛運(yùn)動方向變化以及道路約束條件，未來可在不同場景下對路由協(xié)議的性能進(jìn)行模擬和測試，并通過優(yōu)化AODV 路由協(xié)議，提高AODV 路由協(xié)議性能。