战场环境VANET的AODV和GPSR比较分析

王利，李海鑫，唐冰

战场环境VANET的AODV和GPSR比较分析

王利，李海鑫，唐冰

VANET的战场环境不同于城市环境，没有交通道路的束缚，结点在运动中表现出更多的随机特征。针对战场环境的随机特性，提出了一种车载自组织网络模型。通过战场区域的车流密度调整车辆行驶的速度，在不同的区域对节点的密度进行比较，通过节点密度的变化调整车辆运行的速度，对不同的运动场景进行了仿真，并比较了AODV和GPSR两种典型的路由协议的参数。仿真结果表明，AODV协议在稀疏区域和快速拓扑变化的情况下性能相对较好，GPSR在结点密度较大的区域表现出良好性能。

车载自组织网；战场环境；AODV；GPSR

0 引言

随着计算机网络技术和移动通信技术的发展，对无线通信的研究愈发深入。移动Ad-Hoc网络的兴起，开辟了无线通信新的纪元[1]。Ad-Hoc网络不需要预先建立好的基础设施，节点本身具有路由器和主机双重身份，在战场环境中受到广泛关注。

VANET是Vehicular ad hoc networks的简称，译为车载移动自组织网络，是一种典型的移动Ad-Hoc网络[2]。在复杂的战场通信场景，由各种军用车辆形成的VANET是C4ISR系统的一个重要组成部分，它的建立和完善，有助于提高陆军信息化建设，在实现网络快速展开，识别战场态势，提高通信链路抗毁性等方面具有重要意义。

本文提出了一种战场运动模型，在不同的区域对节点的密度进行比较，通过节点密度的变化调整车辆运行的速度，对不同的运动场景进行了仿真，并对AODV和GPSR协议进行了比较，分析了两个协议的性能参数，为进一步探索和研究相关内容提供有益参考。

1 概述

1.1 VANET移动模型

2002年，I Chisalita，N Shahmehri提出了车载Ad-hoc网络的概念[3]，提出车联网的体系结构。VANET按照约定的通信协议和数据交互标准，依靠短距离通信技术，实现车与车之间，车与互联网之间的无线通信和信息交换。由于其节点体积较大、移动速度较快，很多学者都对VANET的移动模型进行了研究。比如随机漫步模型[4]、随机点路径模型[5]、随机方向模型[6]等。VANET移动模型通常可以分为宏观模型和微观模型。在宏观模型中，通过统计量的方式，分析各个模型中车辆的平均速度、总体移动距离、总体移动时间、平均加速度等特征量；在微观模型中，考虑各个节点的单次移动时间、单次移动距离、单次暂停时间和单次连接时间等特征量。在城市场景中，高速路模型与曼哈顿模型实现了一些车辆行驶运动所需要考虑的因素，道路和建筑物的存在很好的束缚了车辆的运动。而战场环境复杂多变，军用车辆运动的随机性更强，没有固定道路的存在，给运动模型的建立提出了挑战。战场移动自组织网络，如图1所示：

图1 战场移动自组织网络示意图

从图1看出，战场车辆自组织网络存在着多种不同类型的通信设备，节点的移动速度差距较大。而复杂的电磁环境和地理环境又给战场通信带来了干扰。空旷的区域带有极大的随机性，如何保证节点的有效运动，提高网络的可靠性和连通性，是战场模型亟需解决的问题。

1.2 AODV协议

基于拓扑结构的路由协议可以分为主动式路由协议、按需路由协议和混合式路由协议。AODV是一种典型的按需路由协议。采用的节点序列号机制，确保了路由始终是开环的[7]。

AODV协议的主要思想是[8]：网络中的源节点准备向目的节点发送消息时，如果没有通信链路，则发送路由请求（RREQ）报文。RREQ以广播形式发送，邻近节点接收到RREQ，根据目的地址判断目标节点是否为自己。如果是，则单播返回路由响应（RREP）报文；如果不是，则查找路由表中是否已经具有到达目标节点的路由，如果存在，同样单播返回路由响应（RREP）报文，反之邻近节点继续转发RREQ。AODV中的hello寻找路由主要在网络层应用，RREQ、RREP、RRER主要在传输层应用。

1.3 GPSR协议

GPSR是Greedy Perimeter Stateless Routing协议的简称，译为贪婪周边无状态无线路由，是一种基于位置的路由协议[9]。

GPSR协议的主要思想是：将贪婪转发和边界转发结合起来，网络节点都已经确定自身的地理坐标，当进行数据分组发送时，源节点寻找覆盖范围内距离目的节点最近的一个节点；若贪婪模式不成立，则进入到边界转发模式，构造平坦图实现无交叉链接的网络，然后通过右手定则进行周边转发[10]。

对于不同场景不同的路由协议表现出不同的性能，通过对路由协议的设计和改进，能有效形成高效、快捷的VANET，具有很好的理论研究价值和工程应用意义。

2 战场模型

野战场景不同于城市场景，战车节点具有移动方向不确定、移动速度带有更大的随机性。在1000m*1000m的野战场景中，节点进行随机运动。本文提出的野战场景示意图，如图2所示：

图2 一种野战场景示意图

在图2中，将整个场景分成4个象限，统计每个象限的节点数目，象限内节点的数目决定了当前象限内节点的运动速度。节点数量越大，则当前象限内节点的最大随机运动速度越小。例如，图2所示的第IV象限的节点数目明显大于第II象限的节点数目，所以第IV象限节点的最大移动速度小于第II象限节点的最大移动速度，如公式（1）：

每一个车辆节点假设为圆型，半径为rn，直径为车辆间的平均距离为sn，定义为公式（2）：

其中ρ为象限内节点数量。

车辆间的平均时间间隔为nτ，定义为公式（3）：

平均车流为fn，定义为公式（4）：

因此，节点的运动过程描述如下：在一个速度范围内如公式（5）：

随机选择一个速度，匀速直线运动一段时间，然后在可以选择的最大时间间隔内随机选择一个时间长度t，原地停留t时间段为公式（6）：

然后再随机选择一个速度和方向，继续运动。

定义其中ρ和最大车速的平方成反比，t和平均车流成反比如公式（7）、（8）：

其中Ko取整个概率分布和的1/4，即Ko=0.25。

在战场空间中，节点的快速移动，会分割原本连接的网络拓扑，大大降低网络的性能，甚至造成网络无法通信。而象限的区分可以有效定义不同区域，有助于对战场重点区域和节点级别进行分类。

3 协议仿真

3.1 仿真实验环境

本文采用ns-2软件对移动模型和路由协议进行仿真。ns-2是一种开源的仿真软件，结合了C++和OTCL两种编程语言。C++语言作为一种典型的编译型程序设计语言，能很好的处理协议的报文、消息和数据；OTCL语言是一种脚本语言，能随时配置和改变网络的仿真参数和网络环境[11]。仿真参数配置，如表1所示：

表1 仿真参数

3.2 仿真结果分析

运行网络仿真文档*.tcl后，得到了两种文件脚本，其中*.man能动态展示网络图形变化，*.tr文件记录了每一个时刻的结果记录。最大速度10m/s，节点数目为60个节点的运动状态图，如图3所示：

图3 一种情况运动状态示意图

通过gawk工具解析生成的结果文件*.tr，得到网络的时延。在最大速度10m/s，节点数目逐渐增加的过程中，通信节点的端到端时延比较，如图4所示：

图4 端到端平均时延随车辆数目增加变化

从图4中可以看出，整个运动过程中，随着车辆移动速度的增加，AODV协议的端到端延迟从0.348254s增长到2.698420s；GPSR的端到端延迟从5.15354s下降到1.821740s。AODV协议采取广播发送RREQ，节点密度较大时增加了转发次数。而GPSR协议，在节点数目相对较少的场景中多采用周边转发，影响了建立链路的成功率，在节点数目相对较大的场景中多采用贪婪转发，容易形成源节点到目的节点的有效路径。

节点数目固定不变，为60个运动节点，车辆速度分别取，5m/s，10m/s，15m/s，20m/s，25m/s，30m/s。随着车辆速度的增加，端到端平均时延比较，如图5所示：

图5 端到端平均时延随车辆速度增加变化

从图5中可以看出，随着车辆速度的增加，端到端的平均时延都有所增加。AODV协议的时延从0.548210s增加到0.942747s，GPSR协议的时延从3.688231s增加到6.29320s。在当前情况下，AODV显示出较好的网络性能。在野战场景中，军用车辆移动速度大于30m/s的情况并不常见，此种讨论具有一定的指导意义。

从上述仿真的效果图可以看出，AODV协议适合于运动速度快、节点稀疏的场景，GPSR协议更适合于运动速度慢、节点密集的场景。

4 总结

本文提出了一种战场环境下的VANET运动模型，并对当前典型的基于拓扑的路由协议AODV和基于位置信息的路由协议GPSR进行了仿真比较。计算出了网络端到端平均时延，分析了不同情况下的网络性能。研究VANET运动场景的研究是一项重要的课题，车载自组织网络在智能交通、战场感知等领域有着重要的应用价值，是无线通信的有效发展[12]。随着研究的深入，还需要对战场环境中车辆随机运动模型进一步研究，以期对VANET的关键技术提供有益参考。

[1]王笑京.智能交通系统研发历程与动态评述[J].城市交通,2008,1(6):6-11.

[2]常促宇,向勇,史美林.车载自组网的现状与发展[J].通信学报,2007,11(28):116-126.

[3]I Chisalita,N Shahmehri.A novel architecture for supporting vehieular communication[R].In Proc.of IEEE Vehicular Technology Conference(VTC).2002:1002 -1006.

[4]Zonoozi M,Dassanayake P.User mobility modeling and characterization of mobility pattern[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1997,15(7):1239 -1252.

[5]Bett stetter C,Hartenstein H.Stochastic properties of t he random waypoint mobility model[J].ACM/Kluwer Wireless Networks:Special Issue on Modeling and Analysis of Mobile Networks,2004,10(5):555-567.

[6]Royer E,Melliar S,Moser L.An analysis of the optimum node density for ad hoc mobile networks[C].Proceedings of the IEEE International Conference on Communications (ICC),2001.

[7]陈培菊,唐伦,陈前斌.车载自组织网络中基于运动状态的簇路由协议[J].计算机工程,2013,3:87-98.

[8]蔡菁,朱余兵.一种基于AODV改进的城市车载自组网路由协议研究[J].计算机工程与科学,2013,35(1):61-66.

[9]Mahmoud Hashem Eiza and Qiang Ni.An Evolving Graph-Based Reliable Routing Scheme for VANETs[J]. IEEETRANSACTIONSONVEHICULAR TECHNOLOGY,2013,62(4):1493-1504.

[10]F.Ros,P.Ruiz,et al.Acknowledgment-based broadcast protocol for reliable and efficient data dissemination in vehicular ad hoc networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2012,11(1):33-46.

[11]夏梓峻,刘春凤,赵增华,等.基于链路预测的VANET路由算法[J].计算机工程,2012,2:110-118.

[12]Dipankar Raychaudhuri,Narayan B.Mandayam. Frontiers of Wireless and Mobile Communications[J]. Proceedings of the IEEE,2012,100(4).

Research of AODV and GPSR Based on VANET Battlefield Environment

Wang Li1,Li Haixin2,Tang Bing3
(1.78020 PLATroops,Kunming 650223,China; 2.63976 PLATroops,BeiJing 100080,China; 3.Kunming general hospital of PLA,Kunming 650032,China)

Unlike urban scene,the battlefield environment has the features with no traffic bondage.It displays more random feature in VANET.In this paper,a VANET model for battlefield environment has been proposed.According to the traffic density in battlefield area,the speed of the vehicle has been adjusted.Then it compared the parameters of AODV and GPSR routing protocol. Through an analysis of the result,the AODV has better performance in a sparse area or a fast changing topology,and GPSR shows better performance in a larger density area.

VANET;Battlefield Environment;AODV;GPSR

TP393

A

1007-757X(2015)06-0048-04

2015.02.26）

王 利（1969-），男，解放军78020部队，高级工程师，硕士，研究方向：网络通信、信息系统和指挥自动化，昆明，650223

李海鑫（1976-），男，解放军63976部队，高级工程师，硕士，研究方向：网络协议和网络安全，北京，100080

唐 冰（1973-），女，解放军昆明总医院，药剂师，本科，研究方向：管理信息系统，昆明，650032