VANET中基于网络传输延迟的改进AODV协议

陈芙蓉 张剑

摘 要：车载自组织网络具有拓扑变化频繁、链路易断等特性，针对AODV路由协议存在传输延迟长、路由开销大等问题，本文基于车辆分簇思想对AODV路由协议进行改进，以数据传输延迟为优化目标得出源节点到目的节点间的最小延迟路径。通过对高速公路网络场景的仿真分析，结果表明，改进后协议可有效降低数据传输延迟及网络开销，提高分组投递率。

关键词： 车载自组织网络;AODV路由协议;最小延迟路径

【Abstract】 Vehicle Ad-hoc Network（VANET）has the characteristics of frequent topology changes and fragile links and so on. Considering the problems of long transmission delay and large routing overhead in the AODV routing protocol， this paper improves the AODV routing protocol based on the idea of vehicle clustering， and obtains the minimum delay path between source node and destination node with the data transmission delay as the optimization target. Through the simulation analysis of the highway network scene， the results show that the improved protocol can effectively reduce the data transmission delay and network overhead， and improve the packet delivery rate.

【Key words】  VANET; AODV routing protocol; the minimum delay path

0 引 言

车载自组织网络（Vehicle Ad-hoc Network， VANET）是移动自组织网络（Mobile Ad-Hoc Network， MANET）在车辆交通中的典型应用，主要通过车车通信（V2V）、车辆与基础设施通信（V2I）实现道路车辆的数据转发。VANET中节点高速移动，设计高效路由协议找出最佳路径是实现数据有效传输的重要方法。

VANET具有网络拓扑变化快、节点分布不均等特性，传统AODV协议已无法满足实际复杂的交通情况，有学者在研究传统协议的基础上考虑道路条件、车速等因素对协议进行改进，有效提高了网络性能。安娜[1]基于链路有效时间评估机制提出LS_AODV协议，选择链路有效时间最长的路由作为数据传输路径。Shen 等人[2]提出AODV-PNT协议，通过预测节点位置选择数据转发的中继节点。陈哲愚等人[3]根据节点速度的不同改变AODV广播频率以降低消息碰撞的概率。谭小晴[4]给出一种改进路由协议Improved-AODV，在路由发现阶段采用主路由与备份路由选择机制。夏志谋[5]实现了一种基于节点速度的稳定路径选择算法RAODV，有效提高了链路的生存周期。刘荣等人[6]提出一种基于节点位置与速度的AODV路由改进策略AODV-L，改善了丢包率、路由投递率等性能。

针对AODV协议在VANET中应用面临的问题，本文提出一种基于网络传输延迟的改进AODV协议—TD_AODV（Improved AODV Routing Protocol Based on Network Transmission Delay）。首先，结合分层型路由协议思想在AODV协议基础上对车辆进行分簇，可有效改善由车速过快引发的链路生存周期短等问题;其次，针对簇头节点需接收簇内以及邻簇头数据所导致的数据排队现象，应用排队论模型得出簇头节点间的传输延迟权重;最后，结合该权重运用Dijkstra算法计算源节点至目的节点间各路径的传输延迟，选择最短延迟路径转发。实验表明，改进后的协议在分组投递率、传输延迟、网络开销方面均得到有效改善。

1 VANET排队模型建立与时延分析

1.1 VANET排队模型

排队论是运筹学与应用概率的重要分支，目前已广泛应用于通信工程、交通运输等众多领域，典型的排队系统模型包括队长、等待时间等4个重要指标[7]。

TD_AODV协议针对VANET中簇头节点数据传输拥挤现象，应用排队论模型得出节点间时延权重，作为下一步各条路径总时延的计算依据。部分簇头车辆节点中数据排队转移模型如图1所示。图1中，a、b、c、d为簇头节点，λ为节点数据平均到达率，μ为节点平均服务速率，P為队列转移概率。

数据分组到达簇头节点a的2种情况，对此可阐释分述如下：

（1）独立的外部泊松到达λe（收到簇内成员需传输给目标车辆的数据分组）。

（2）从队列d以概率Pda到达节点a（由于车辆移动，邻簇头车辆无法正常将数据分组传送给其目标车辆，经节点a中继传输至目标车辆）。

数据分组离开簇头节点a时的2种情况，对此可得分析概述如下：

（1）以概率Pab到达另一簇头节点b（将数据分组由节点a传输至邻簇中继簇头节点b，由该中继车辆继续转发）。

（2）到达目标车辆所在簇。

1.2 节点间时延计算与分析

排队系统中每个簇头节点都可以认为是一个M/M/1队列，每个节点的队列总时延为排队时延与传输时延之和[8]。在[0，t]时间内到达的数据分组服从参数为λt的泊松分布，数据分组在簇头节点的传输时延即服务时间服从参数为μ的负指数分布，排队系统仅有一个服务台，到达过程与服务过程彼此独立。

4 仿真实现

本文选用OPNET Modeler 14.5仿真软件模拟高速公路网络场景，从分组投递率、网络传输延时、路由开销三个方面对TD_AODV协议进行仿真验证[11]。

4.1 仿真场景

搭建长4 Km、宽11.25 m的单向三车道高速公路仿真场景，建立由4个移动子网构成的车辆无线网络通信模型，每个子网为一个行车簇，各子网内定义好轨迹的车速为70 Km/h的车辆节点[12]。设置第1个簇内的源节点向第4个簇的目的节点发送数据，发包间隔与数据包大小分别服从均值为1 s、1 024 bits的指数分布，车辆节点通信范围为100 m，仿真时间为250 s。车辆网络拓扑结构如图4所示，移动子网内部图如图5所示，部分轨迹如图6所示。

4.2 仿真结果分析

车辆节点的多少是影响数据分组传递效果的重要因素，本节在高速车辆中分别应用AODV、TD_AODV路由协议，评估车辆数变化时两种协议的总体性能。针对此部分内容，可得研究详情如下。

4.2.1 分组投递率分析

分组投递率反映网络传输的可靠程度，研究将车辆数设置为24、48、72、96、120、144时的分组投递率。车辆数与分组投递率关系如图7所示。

由图7可得，2种协议的分组投递率随车辆节点的增多而上升。随着车辆节点增多，节点间链路增多，分组投递率也逐渐提升。此外，TD_AODV协议的分组投递性能明显优于AODV协议，TD_AODV协议结合排队论模型以及Dijkstra算法选择最短延迟路径转发的同时，通信链路的质量也得到了改善，提高了数据包到达目的节点的概率，分组投递率也相应提升。

4.2.2 数据传输时延分析

时延指分组从源节点抵达目的节点所需时间[13]，研究车辆数分别为24、48、72、96、120、144时的数据传输时延。车辆数与数据传输时延关系如图8所示。

由图8可得，随着车辆节点数的增多，2种协议的网络延时均呈上升趋势。由于车辆节点持续增加，需转发的数据分组也随之增多，分组排队等待时间变长，导致数据传输的时延增大。然而，TD_AODV协议利用排队论与Dijkstra算法以最小延迟为目标选择数据传输路径，且在车辆分簇的基础上进行，路由建立和维护的时间也更少，因此在延迟时间上显著低于AODV协议。

4.2.3 路由开销分析

归一化路由开销衡量了路由协议的效率[14]。研究车辆数分别为24、48、72、96、120、144时的路由开销。车辆数与归一化路由开销关系如图9所示。

由图9可得，协议的路由开销随着车辆节点的增多逐渐增大。车辆节点越多，数据转发的跳数也变多，路由开销也相应增加。但相比AODV协议，TD_AODV协议的转发过程只有簇头节点参与，路由开销变化不大，并且协议将报文限制在最小延迟路径中发送，避免了其它车辆节点参与，在一定程度上也减少了开销。

5 结束语

本文针对VANET下应用AODV协议开销大、时延长等问题，提出一种基于传输延迟改进的TD_AODV协议，在车辆分簇基础上结合排队论、Dijkstra算法获得最短延迟路径进行数据转发。仿真表明，随着车辆节点数目的增加，TD_AODV协议在分组投递率、传输时延、网络开销性能上都要优于AODV协议，能够更好地满足高速场景下的通信需求。

参考文献

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[2]SHEN Xiaowei ， WU Yi ， XU Zhexin ， et al. AODV-PNT：An improved version of AODV routing protocol with predicting node trend in VANET[C]//2014 IEEE 7th International Conference on Advanced Infocomm Technology（ICAIT）， Fuzhou， China： IEEE， 2014：91-97.

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