一种多场景下的无线车联网路由协议仿真实现

王顶，张涛，王磊

(西京学院 控制工程学院，陕西 西安 710123)

一种多场景下的无线车联网路由协议仿真实现

王顶，张涛，王磊

(西京学院 控制工程学院，陕西 西安 710123)

在WAVE模式下得到认可的具有代表性的路由协议主要有DSR、AODV和DSDV.针对以往的研究很少采用完整的WAVE通信模式以及仿真场景不全面的现状，采用NCTUns6.0构建逼真的道路，设计了多种场景，在WAVE模式下对路由协议DSDV、DSR、AODV进行仿真分析，研究各种的路由协议在不同节点密度和移动速度下的网络性能，以期得到在不同网络环境下WAVE车载通信的最佳路由方案.仿真结果表明DSDV不适合应用在车载环境，DSR在低速低密度的路况中表现良好，AODV则在高速高密度环境下表现出较好的适应能力.

通信与信息系统；无线网络；WAVE模式；车载网络；路由协议

0 引 言

车载环境中的无线存取(WAVE[1-2],Wireless Access in the Vehicular Environment)是由专用短程通信技术(DSRC，Dedicated Short Range Communications)发展而来，支持车车通信(V2V)、车路通信(V2R)，由于车载环境下节点高速移动、传输多跳性、网络拓扑频繁变化、带宽有限等，路由选择至关重要[3].相比以往的路由协议仿真，本文主要研究WIBSS(WAVE Basic Service Set)通信模式，选用多跳的Ad-hoc网络模型，利用NCTUns6.0，采用完整的WAVE模式以及设计全面的场景，对DSDV、AODV、DSR路由协议进行仿真，研究了节点速度、节点密度在各路由协议下的网络性能，最后得出结论.

1 WAVE系统架构

WAVE包括IEEE802.11p和IEEE1609.X协议簇，其中802.11p[4]定义了物理层和介质访问控制层，直接依赖于802.11a中的OFDM机制和802.11e中的Qos服务质量机制，IEEE1609定义了上层协议标准，更适应车载环境以及ITS应用.其优势可从与其他无线通信技术相比较得出，如表1所示.

从表1可以看出，WAVE在性能上要优于Wi-Fi、蜂窝网络等无线通信技术，跟WiMax技术相比，在性能虽然差不多，但在实现的复杂度和成本上，WAVE要比WiMax更具有优势，基于WAVE的应用容易部署，更加适合商业模式，目前已有部分产品问世，例如中国台湾工业技术研究院的IWCU[5].

表1 WAVE与其他无线通信技术比较

2 车载网络路由协议

车载网络实际上是一种移动自组织网络，网络中的所有节点是对等的，网络中的节点不仅具有网络终端的功能还有路由器的功能，节点可能随时加入和离开网路[6]，这种特性使得现有的有线和无线网络路由协议都不适合在WAVE环境中使用，本文主要对WAVE协议中得到认可的具有代表性的路由协议DSR、AODV和DSDV进行仿真.

DSR[7-8](Dynamic Source Routing)是一个基于源路由概念的按需自适应路由协议.只有在需要传送数据时才发起路由查找，当节点路由缓存中找不到目的节点的路由信息时，节点向全网广播查找信息，找到节点后通过反向传递建立路由路径 ，DSR每次数据传递时，数据包头将携带整条路由信息，路由中的每一跳节点无须保存该路由信息.

AODV[9](Ad Hoc on-Demand Distance Vector Routing)是 DSR和DSDV的综合，AODV协议的每个节点都维护路由表，保存下一跳节点的信息，因此数据分组头部不再需要携带完整的路由.当源节点S向目的节点D发送数据并且S节点路由表中没有到达该D节点的有效路由时，S点就会向邻居节点广播一个PPEQ包，邻居节点检查、判断后对RREQ包进行相应的处理(丢弃或转发)，如此下去，直到找到D节点或存储了一条到达D节点的中间节点为止，D节点收到RREQ包后，向S节点反向发送RREP包，S节点收到RREP包后，路由路径便建立.

DSDV[10](Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)协议是一种点到点距离向量路由协议，每个节点都会周期性地将本地路由表信息传送给邻居节点，或当其路由表的内容发生变化时也会将路由信息传送给邻居节点，在发送数据时不需要启动路径寻找便可立即发送，表中包括所有有效的目的节点地址、到达目的节点的度量值(常用跳数来度量)和目的节点路由序列号等信息，邻居节点收到包含修改的路由表信息后，比较目的节点路由序列号的大小，接收路由序列号大的路由信息，删除序列号小的路由信息，如果序列号相同，则以某种最佳机制(如跳数最小)来选择最优路由.

3 NCTUns与仿真流程

3.1仿真环境以及搭建

NCTUns[11-14]是一款新型的网络模拟仿真软件，支持多种功能网络架构和网络协议， NCTUns6.0是NCTUns开源的最后一个版本， 与NS2及其他网络模拟软件相比，NCTUns直接使用真正Linux内核的TCP/IP协议栈，产生真实的数据包，并且可以使用现有的应用程序.NCTUns5.0及以上版本实现了IEEE802.11p和1609协议栈，成为了第一批支持完整WAVE协议栈的仿真器.

本文使用NCTUns6.0，基于 Fedora 11操作系统，内核版本为2.6.31.6，安装后重启后以新的内核运行，在控制台打开三个终端，依次运行调度器dispatcher、协调器coordinator、客户端nctunsclient，如图1为NCTUns6.0的GUI界面，选取2 km长的双向多车道(交叉路口含红绿灯等交通设备)道路，车辆节点随机分布在道路上，车辆节点选择NCTUns6.0中装备有802.11p接口的ITS OBU.

图1 在GUI界面上构建道路并添加车辆节点

3.2 仿真结果与分析

主要的参数设置如表2所示，

表2 仿真参数设置

参数名称参数值仿真工具NCTUns6．0仿真范围2km∗2km车辆个数15-90发射范围300m路由协议DSDV、AODV、DSRMAC协议802．11p数据包大小1000bytes数据率6Mbps仿真时间100s车道数2，4双向最大移动速度8-48m/s红绿个数1(SA控制)

NCTUns运行时即可将吞吐量、丢包个数等关键指标存放在*.result目录下相应的文件中.为了减少偶然因素带来的影响，使仿真结果更加可靠，所取数据为重复10次仿真实验之后的平均数据.本文从节点个数如图2和移动速度如图3两个方面分析WAVE模式下各路由协议的性能，仿真结果如下图所示.

车辆个数 车辆个数 图2(a) 节点速度固定为18 m/s 图2(b) 节点速度固定为18 m/s

车辆个数 移动速度/(m/s) 图2(c) 节点速度固定为18 m/s 图3(a) 节点个数固定为40

移动速度/(m/s) 移动速度/(m/s) 图3(b) 节点个数固定为40 图3(c) 节点个数固定为40

从图2(a)(b)可以看到，随着车辆节点个数的增加，各路由协议丢包个数先逐渐减少，后来又有所增加，吞吐量则表现为先逐步增加后来有所降低，这主要是因为节点传输范围有限，当车辆节点数增加时，节点间通信距离缩短，源节点到目的节点能建立稳定的通路，就算有节点离开网络，也能迅速找到替补的路径；当节点数增加到80个左右时，相对来说，网络中节点密度较大，这样容易造成信道拥挤，导致丢包，所以丢包个数有所上升.并且可以看到节点个数小于45时，DSR优于AODV，DSDV表现最差，这是因为按需路由AODV、DSR能很快适应拓扑迅速变化，DSR采用源路由机制，很快能找到路径.但当节点数较多，即网络规模扩大时，源路由机制就表现出了劣势，因为DSR协议每个分组头部都需要携带完整的路由信息，会造成额外的开销.AODV协议采用DSR协议的路由建立和路由维护，同时借用了DSDV协议的多跳、目的节点序列等机制，表现了较好的稳定性.

从图3(c)可看到，随着节点个数的增加，各路由协议的延时特性先有所减小后来又逐渐增大，节点数小于60时，DSDV延时最低，这是DSDV路由机制的缘故，从节点维护的路由表中可以直接找到最佳通信路径.网络规模变大时，DSDV路由表更需要新花费更长的时间.按需路由AODV在延时方面要优于DSDV，DSR协议表现次于AODV.

从图3(a)和图3(b)可以看出，随着节点速度的增加，三种协议的丢包个数增多，吞吐量降低，AODV和DSR变化比较缓慢，DSDV表现最为严重，从图3(a)可以看到，当速度达到48 m/s时，DSDV协议的吞吐量降低了70%，这也表明按需路由较表驱动路由更适应拓扑频繁变化的环境，高速环境中DSDV路由已经不能再使用，从图3(c)得出延时方面，速度小于8 m/s，DSDV延时最小，DSR次之，随着速度的增加，DSDV延时急剧上升，这是由于节点快速移动导致拓扑频繁变化，DSDV源路由表路径已经失效，每个节点需要重新更新路由表，非常耗时，AODV延时变化不是很大.

4 结 论

WAVE协议是未来智能交通方面一个重要的应用，本文利用NCTUns6.0在WAVE模式下对认可的路由协议进行仿真，结果表明DSDV性能受节点速度影响较大，不适合高速车载环境，DSR在低速低密度的情况下表现良好，AODV则在高速高密度环境下有较好的适应能力.但在WAVE环境中，为了保证行车安全，车车通信能快速正确的收到信息，需要更高性能的路由协议，这也是现在和未来研究的热点和难点.

[1]Morgan YL.Managing DSRC & WAVE Standards Suite Operations：In a V2V Scenari[M].Int’l.J.Vehic.Tech., 2010.

[2]Morgan Y.Notes on DSRC and WAVE standards suite, its architecture,design, and characteristics[J].IEEE J.Commun.Surv.Tutorials, 2010,12(4):504-518.

[3]Fan L, Yu W.Routing in vehicular ad hoc networks：A survey.Vehicular Technology Magazine[J].IEEE,2007, 2 (2)：12-22.

[4]Grafling S, Mahonen P, and iihijarvi JR.Performance evaluation of IEEE 1609 WAVE and I EEE 802.11p for vehicular communications[J]. in Proc.2nd ICUFN, 2010(6):344-348.

[5]ITRI.ITRI WAVE/DSRC Communication Unit (IWCU) User Guide[R].TaiWan：ITRI, 2010.

[6]孟利民, 宋文波.移动自组网路由协议研究[M].北京：人民邮电出版社,2012.

[7]Johnson D, Maltz D and Hu YC.The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR) [J].IETF Internet Draft, draft-ietf-manet-dsr-10.txt, July 2004.

[8]JOHNSON D, MALTZ D A, Broch J.The dynamic source routing protocol for mobile Ad Hoc networks[EB/OL].http://www.ietf.org/internet drafts/draft ietf manet dsr 03.txt.

[9]Perkins C, Royer E M, Das S R.Ad hoc on-demand distance vector (AODV) routing [EB/OL]. http://www.ietf.org./rfc/rfc3561.txt

[10]Perkins C,and Bhagwat P.Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers [J].Proc.ACM SIGCOMM 94, 1994.

[11]Wang SY, Chou CL.NCTUns tool for wireless vehicular communication network researches[J].Simulation Modelling Practice and Theory of Elesevier (S1389-1286), 2009,31(2)：105-116.

[12] NCTUns official webpage[EB/OL]. http://nsl.csie.nctu.edu.tw/nctuns.html.

[13] Akhtar Husain, Brajesh.Performance evaluation of routing protocols in vehicular ad hoc networks[J].Int.J.Internet Protocol Technology, 2011,6(1/2).

[14] Wang SY,Chou CL,Huang CH,Hwang CC,et al.The design and implementation of the NCTUns 1.0 network simulator[J].Computer Networks,2003,42(2):175-197.

[责任编辑：王军]

A multi-scenario implementation of routing protocol simulation in WAVE

WANG Ding, ZHANG Tao,WANG Lei

(Institute of Control Engineering,Xijing University,Xi’an 710123,China)

The representative of routing protocol which is approved and primary in WAVE communication mode is DSDV,DSR and AODV.Aiming at the shortage of including the WAVE communication mode and incomplete use of simulation scenes in the former literatures, the paper builds realistic city road environment and designed several scenes through NCTUns6.0 and simulates routing protocol DSDV, DSR, AODV in WAVE communication mode so that it can research the network performance of node density and node speed under different routing protocols .The results show that DSDV is not suitable WAVE environment, DSR has better performance in low-speed and low-density environment, AODV has better adaptability in high-speed and density environments.

communication and information system; wireless network; WAVE mode; vehicle network; routing protocol.

2015-07-14；

2015-09-01

王 顶(1988-)，男，河南商丘人，西京学院硕士研究生，主要从事嵌入式开发的研究.

TP393

A

1672-3600(2015)12-0046-05