（计算机科学与技术专业论文）车载自组网路由协议的仿真模型研究与实现.pdf

独创性声明 邺ii ii ll lli f1 1i i i i lit y 18 8 0 i i i ij 0 l u l lu4nld | 1 6 i i l l | 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：1 蒸丕塑垂l 日期：2 丝碰：厶钐 学位论文使用授权书 苯人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：饬祝导师。签名，：镌磊日期矽，上，扩 武汉理下大学硕士学位论文 摘要 车载自组网( v e h i c u l a r a dh o cn e t w o r k ，v a n e t ) 是运行于道路上的移动无线 自组织网络。v a n e t 具有极高的应用前景和研究价值，它不仅能够实现交通事 故告警、改善交通安全，还能实现道路交通信息查询、高速公路缴费和车辆间 语音视频通信等信息与娱乐服务，为智能交通系统的发展提供了有力的支持。 车载自组网相关的研究成为目前的研究热点之一。路由协议对研究车载自组网 通信至关重要，路由协议的性能直接影响车辆之间通信的性能。车载自组网路 由协议的性能评估需要借助于车载自组网仿真模型。然而车载自组网仿真模型 不同于一般的仿真模型，有其特殊性，车载自组网仿真模型的设计直接影响到 路由协议的性能评估，建立一个符合现实情况的车载自组网仿真模型，对车载 自组网及其路由协议的研究具有重要意义。 论文对车载自组网路由协议仿真模型进行了研究，将车载自组网仿真模型 的研究与车载自组网路由协议的研究结合起来，考虑些关键因素，对车载自 组网仿真模型进行了详细设计和实现，并基于所设计的仿真模型对两种常用的 路由协议进行了一系列仿真实验，完成了在车载自组网仿真模型上对路由协议 的性能评估与分析。 论文的研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对车载自组网仿真模型的发展进行了分析和研究； ( 2 ) 构造了一个基于自定义道路地图的车载自组网仿真模型，阐述了车辆移 动的控制方法及位置计算方法，并深入探讨了车辆在十字路口拐弯或直行的多 种规则及保障车辆之间安全距离的车速限制方法； ( 3 ) 基于所设计的仿真模型利用n s 2 仿真工具对a o d v 和d s r 两种常用的 路由协议进行了系列性能评估与仿真结果分析，验证了所设计的仿真模型的有 效性。 关键词：移动自组网，车载自组网，路由协议，仿真模型，n s 2 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c l ea dh o cn e t w o r ki sam o b i l ew i r e l e s ss e l f - o r g a n i z e dn e t w o r kt h a tr u n so n t h er o a d v a n e th a sg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n dr e s e a r c hv a l u e s ，i tn o to n l y r e a l i z e sa c c i d e n ta l a r m ，i m p r o v e st r a f f i cs a f e t y , b u tr e a l i z e sr o a dt r a f f i ci n f o r m a t i o n i n q u i r i e sa n de n t e r t a i n m e n ts e r v i c e s i tp r o v i d e sp o w f u ls u p p o r tt ot h ed e v e l o p m e n t o fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m r e s e a r c hr e l a t e dt ov e h i c l ea dh o cn e t w o r kh a s b e c o m eo n eo ft h er e s e a r c hh o tt o p i cc u r r e n t l y r e s e a r c ho nr o u t i n gp r o t o c o li s u t m o s ti m p o r t a n tf o rv a n e tc o m m u n i c a t i o n ，s i n c ei t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t s t h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya m o n gv e h i c l e s t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fr o u t i n g p r o t o c o l f o r 、，a n e tr e q u i r e s 气n e ts i m u l a t i o nm o d e l h o w e v e r , v a n e t s i m u l a t i o nm o d e li sd i f f e r e n tf r o mc o m m o ns i m u l a t i o nm o d e l t h ed e s i g no f 、，a n e t s i m u l a t i o nm o d e ld i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h e r e f o r e ，c o n s t r u c t i n gav a n e t s i m u l a t i o nm o d e li na c c o r dw i t hr e a l i t yh a sg r e a t s i g n i c a n c eo nt h er o u t i n gp r o t o c o lr e s e a r c h t h i st h e s i sm a k e sr e s e a r c ho nv a n e ts i m u l a t i o nm o d e lf o rm u t i n gp r o t o c o l ， w h i c hc o m b i n e st h er e s e a r c ho nv a n e ts i m u l a t i o nm o d e la n dt h er e s e a r c ho n v a n e tp r o t o c o l ，d e s i g n sa n dr e a l i z e s 、，a n e t s i m u l a t i o nm o d e l d e t a i l e d l y c o n s i d e r i n gs o m ef a c t o r s ，a n d d o e sas e r i e so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sf o rt w o c o m m o n u s e dr o u t i n gp r o t o c o l sb a s e do nt h ed e s i g n e ds i m u l a t i o nm o d e l ，c o m p l e t i n g t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n da n a l y s i so fr o u t i n gp r o t o c o l sa b o v e 廿1 ev a n e t s i m u l a t i o o nm o d e l t l l i st h e s i sm a k e st h er e s e a r c hw o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z e st h ed e v e l o p m e n to fv a n e t s i m u l a t i o nm o d e l ； ( 2 ) c o n s t r u c t sa 、，a n e ts i m u l a t i o nm o d e lb a s e do ns e l f - d e f i n e d r o a dm a p ， i l l u s t r a t i n gt h e c o n t r o lm e t h o da n dt h ep o s i t i o nc a l c u l a t i n gm e t h o df o rv e h i c l e m o v e m e n t ，a n dd e e p l yd i s c u s s i n gv a r i o u sr u l e sf o rt u m n i n go rg o i n gs t r a i g h ta t c r o s s r o a da n dt h em e t h o do fc a rs p e e dl i m i t a t i o nf o rk e e p i n gs a f e t yd i s t a n c e ( 3 ) m a k e sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n a l y s i sf o rt h er o u t i n g p r o t o c o la o d va n dd s r b a s e do nt h ed e s i g n e dm o d e lv i an s 2s i m u l a t i o nt o o lt o i l 武汉理工大学硕士学位论文 v a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g n e dv a n e ts i m u l a t i o nm o d e l k e yw o r d s ：m o b i l ea dh o en e t w o r k ，v e h i c l ea dh o cn e t w o r k ，r o u t i n gp r o t o c o l ， s i m u l a t i o nm o d e l ，n e t w o r ks i m u l a t i o nv e r s i o n 2 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究的背景及意义l 1 2 车载自组网研究现状2 1 3 论文的主要研究工作3 1 4 论文的组织结构3 第2 章车载自组网及路由协议5 2 1 移动自组网概述5 2 2 车载自组网主要特点6 2 3 车载自组网的应用6 2 4 车载自组网路由协议7 2 4 1 两种常用路由协议7 2 4 2 车载自组网路由协议性能评估对仿真模型的要求8 2 5 本章小结9 第3 章车载自组网仿真模型1 0 3 1 移动自组网仿真模型1 0 3 2 车载自组网仿真模型的特点1 1 3 3 车载自组网仿真模型的研究现状1 2 3 3 1 车载自组网仿真模型分类1 2 3 3 2 车载自组网仿真模型发展1 3 3 3 3 两种经典的仿真模型1 4 3 4 车载自组网仿真模型需考虑的因素1 7 3 5 本章小结1 9 第4 章一种车载自组网仿真模型的设计与实现2 0 4 1 概j 苤2 0 4 2 自定义地图格式的说明及生成方法2 2 4 2 1 自定义地图格式的说明2 2 4 2 2 自定义地图的生成方法2 3 4 - 3 车辆节点的移动控制2 6 4 4 车辆节点下一时间片位置的计算方法2 9 4 5 车辆在十字路口的方向选择规则3 2 4 5 1 根据概率随机转弯3 2 4 5 2 根据车辆密度转弯3 2 4 5 3 根据车辆到路口平均距离确定转弯3 5 4 5 4 结合车辆密度和车辆到路口平均距离确定转弯3 5 4 6 车辆之间安全距离的限制3 6 4 7 本章小结3 6 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章路由协议基于所设计模型的仿真分析3 7 5 1n s 2 仿真工具3 7 5 2 路由协议性能评估流程3 7 5 2 1 仿真环境生成3 9 5 2 2 移动轨迹文件加载3 9 5 2 3 仿真中t e l 脚本的编写3 9 5 2 4t r a c e 文件格式解析4 l 5 3 路由协议性能评估常用指标4 2 5 4 常用路由协议性能评估和结果分析4 2 5 4 1 车辆节点最大速度变化下的性能评估4 3 5 4 2 车辆节点数目变化下的性能评估4 4 5 4 3 业务流变化下的性能评估4 6 5 4 4 不同转弯规则下的性能评估4 8 5 5 本章小结5 0 第6 章总结与展望5 1 6 1 论文总结5 l 6 2 研究展望51 致谢5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间发表的论文情况5 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 车载自组网( v a n e t ，v e h i c l ea d h o en e t w o r k ) 是在道路上车辆与车辆以及 车辆和路边固定接入点之间通信而组成的无线网络，是一种特殊的无线自组网 ( m a n e t ，m o b i l ea dh o en e t w o r l 【) ，具有通信自组织，结构开放等特点。当今 社会随着科学技术的发展和人们生活水平的日益提高，道路上行驶的车辆数目 迅猛增加，密度增大，潜在的行车威胁和道路交通事故正在不断的增加，智能 交通系统的发展成为当务之急。随着道路上车辆越来越多，道路上的车辆之间 可以通过自组织网络进行通信，车辆与路边设施如加油站、收费站之间也可以 进行通信，通过车载自组网可以及时发布各种车流及道路信息，提供丰富多彩 的信息服务。车载自组网的发展为智能交通系统的发展以及围绕车辆的各种信 息与娱乐服务提供了强有力的支持，车载自组网相关的研究成为目前科研人员 研究的热点之一。 路由协议是研究车载自组网通信必不可少的因素，路由协议为车辆问数据 包传输提供路径信息，路由协议的性能直接影响车辆节点之间通信的性能。移 动自组网路由协议的研究已相对较成熟，但移动自组网的路由协议适用于移动 自组网环境，由于它们没有考虑到车载自组网的特殊性，是否仍适用于车载自 组网则需要对路由协议进行重新评估，需要将路由协议运行在车载自组网仿真 模型之上。车载自组网仿真模型不同于一般的仿真模型，有其特殊性，它是基 于道路和交通设施的，且车与车之间有一定安全距离的限制。车载自组网仿真 模型的设计直接影响到运行在该仿真模型之上路由协议的性能，建立一个符合 现实情况的，包含对多方面因素描述的车载自组网仿真模型，对路由协议的评 估有着至关重要的意义。 论文结合路由协议性能评估对车载自组网仿真模型进行研究，考虑一些关 键因素对车载自组网仿真模型进行了详细设计和实现，并基于所设计的仿真模 型对a o d v 和d s r 两种常用的移动自组网路由协议进行了一系列性能评估，实 现了在车载自组网仿真模型上对路由协议的性能评估与仿真分析。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 车载自组网研究现状 图1 1 形象地展示了车载自组网的通信情景，反映了车辆间通信以及车辆与 路旁建筑物的通信。 # 敝，l iu - t s l l - l 尊能- 1 6 蚰衅l 霸蝴t v 由鲥k r l l y 州l 蛐ct - 岬她k 图1 - 1 车辆之间通信和车辆与路旁设施之问通信 目前，车载自组网v a n e t 已经被世界很多国家研究机构以及科研人员密切 的关注【1 3 】。2 0 0 3 年，美联邦通信委员会为车辆间通信划分了专用频段。2 0 0 4 年2 0 0 6 年m o b i c o m 为了讨论v a n e t ，召开了三次专题研讨会进行对v a n e t 的深刻研讨。2 0 0 5 年，欧洲成立了车辆间通信联盟( c a r 2 c a rc o m m u n i c a t i o n c o n s o r t i u m ) h i 。日本也通过了两个车辆间通信标准【5 】。研究项目包括了欧洲多国 合作开展的f 1 e e i l e t 【6 】项目，德国的“n e t w o r ko nw h e e l s ” 7 1 ，日本j s k 领导的 “a s s o c i a t i o no fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yf o ra u t o m o b i l et r a f f i ca n dd r i v i n g ”， “g r o u pc o o p e r a t i v ed r i v i n g ”【8 】【9 1 、美国的v i i l l 0 1 、美国马里兰州立大学的 t r a f f i c v i e w 项引】、法国多个研究机构合作开展的c i v i c 等。目前的研究成果 表明，v a n e t 具有普通移动自组织网络所不具备的特性和传输问题。首先， v a n e t 是移动自组织网络在道路上的应用f 1 2 】，它具有移动自组织网络的各种特 点，比如自治性和无固定结构、多跳路由、网络拓扑的动态变化、网络容量有 限、良好的可扩展性等。但特殊的应用环境，如狭窄的道路、高密度节点分布、 节点高速移动等，直接影响v a n e t 网络的信息传输能力，使得丢包增加、延迟 增大。 有关车载自组网仿真模型的研究，国外已经有一些学者和研究人员开发了 2 武汉理工大学硕士学位论文 一些开源或者部分开源的软件用来产生车辆运动轨迹，考虑到了车载道路上各 个方面的因素，包括道路上主要设施，道路间的楼房建筑，障碍物等，以及车 辆的超车行为，限速，车辆角色等问题。目前在车载自组网仿真模型中，一些 地图采用的是特定的数据库中的某个国家或者地区的地图，很多不是免费的， 比较昂贵，而且在这些地图中，道路结构错综复杂，因此控制道路上的车辆移 动行为是比较困难的工作。另外在各个国家目前都是采用自己的自主开发模型 进行对车载自组网仿真模型的开发，各有各的优势，但是多多少少也都是存在 着不足之处的。与国外相比，国内在车载自组网研究方面，仿真模型的研究起 步比较晚。虽在一些高等院校中有了一些对交通仿真系统方面的开发，但是能 够把车载自组网路由协议研究和v a n e t 仿真模型的研究结合起来的还很岁1 3 j 。 1 3 论文的主要研究工作 论文对车载自组网路由协议仿真模型进行了研究，将车载自组网仿真模型 的研究与车载自组网路由协议的研究结合起来，考虑一些关键因素重点对车载 自组网移动模型进行了详细设计和实现，并基于所设计的仿真模型对两种常用 的移动自组网路由协议进行了一系列性能评估，完成了在车载自组网仿真模型 上对路由协议性能的评估与分析。论文的研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 对车载自组网仿真模型的发展进行了分析和研究； ( 2 ) 构造了一个基于自定义道路地图的车载自组网仿真模型，阐述了车 动的控制方法及位置计算方法，并深入探讨了车辆在十字路口拐弯或直行 种规则及保障车辆安全距离的车速限制方法； ( 3 ) 基于所设计的仿真模型利用n s 2 仿真工具对a o d v 和d s r 两种常 路由协议进行了系列性能评估与仿真结果分析，验证了所设计的仿真模型 效性。 1 4 论文的组织结构 第1 章介绍了课题研究的背景，课题的研究意义，分析了车载自组网 究现状和存在的问题，最后介绍论文的主要研究工作和组织结构。 第2 章概述了车载自组网的特点及应用，介绍了两种常用的路由协议 分析了车载自组网路由协议性能评估对仿真模型的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章对移动自组网仿真模型进行了介绍，论述了车载自组网仿真模型的 发展，介绍了一些经典的仿真模型，并总结了构造车载自组网仿真模型需要考 虑的一些因素。 第4 章构造了一个基于自定义道路地图的车载自组网仿真模型，阐述了车 辆移动的控制方法及位置计算方法，并深入探讨了车辆在十字路口拐弯或直行 的多种规则及保障车辆安全距离的车速限制方法。 第5 章阐述了基于n s 2 仿真工具的路由协议性能评估的处理流程及常用的 评估指标，并基于所设计的仿真模型利用n s 2 对a o d v 和d s r 两种常用的路 由协议进行了系列性能评估与仿真结果分析。 第6 章对本文所做的主要研究工作进行了总结，并对下一步工作进行了说 明。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车载自组网及路由协议 2 1 移动自组网概述 移动自组网( m a n e t , m o b i l ea dh o en e t w o r k ) 1 4 】是一个无线网络，它包含 了一些无线移动节点，这些节点都有自带的通信功能，这些节点之间通信的时 候，没有集中控制和建立好的设施。只有在通信范围内的移动节点才能直接通 信，距离较远的节点只能通过邻居节点，使邻居节点转发数据包，因此，每一 个移动节点不仅仅相当于一个主机，而且同时也是具有路由器功能的，所以也 起着路由器的作用。每个节点，在任何时刻都可以自由的加入和离开网络，因 此和静态的有线网络相比，它生成了一个高度动态的网络环境。移动自组网的 特点包括以下几点： ( 1 ) 动态变化的拓扑结构。因为移动自组网没有固定的更新设施，移动终端 形成网络拓扑是靠无线信道的，因此随时可能发生变化，并且变化的方式和速 度都是难以预测的。 ( 2 ) 无中心网络的自组织性。移动自组网没有比较严格的控制中心，各个节 点是地位平等，协调工作的，因此这个网络是对等的，具有较强抗毁性。 ( 3 ) 多跳组网方式。当网络中节点要和在其覆盖范围外的节点通信的时候， 要靠中间节点来进行多跳转发。在移动自组网中每个节点既是终端又是路由器， 因此网络多跳路由是靠普通的节点来完成转发的，不需要专有路由器完成。 ( 4 ) 有限的无线传输带宽，在无线网络中，无线信道的属性决定了其所提供 的带宽比有线网络要低的多，而且竞争共享无线信道的时候产生碰撞、噪音干 扰等多种因素，移动终端得到的带宽会远小于理论上最大带宽。 ( 5 ) 移动终端灵巧、轻便、容易移动，缺点是缺乏持续供应的电源，内存也 相对较小。 ( 6 ) 网络安全性差。由于使用无线信道、有限电源，分布式控制技术，它容 易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务等网络攻击。移动自组网中节点充当路 由器的特点使得不再存在命名服务器和目录服务器等网络设施，也不再存在网 络边界概念。 ( 7 ) 网络可扩展性不强。无线自组网中节点间相互干扰造成网络容量下降， 武汉理工大学硕士学位论文 吞吐率随着网络节点的增加而下降。各种网络协议也会造成附加开销，对网络 资源的消耗随着节点个数增加而急剧增加，从而限制了网络的可扩展性。 2 2 车载自组网主要特点 车载自组网是移动自组网的一种特殊情况，这是因为车载自组网中移动的 不是普通的节点，而是比移动自组网中普通节点特殊的车辆移动节点，v a n e t 的主要特剧1 5 j 包括： ( 1 ) 车辆节点作为移动网络中的节点，行驶速度较快，从而造成网络拓扑不 稳定，路径的寿命就会较短。 ( 2 ) 车辆节点不同于普通移动节点的自由移动，而是具有一定的规律性，只 能沿着车道进行移动，具有一维性。 ( 3 ) 无线信道质量不稳定，受多种因素影响，其中包括路边建筑、道路概况、 车辆类型和车辆相对速度等。 ( 4 ) 节点具有强大的计算和存储能力，车内都有容量很大的电瓶，因此不用 考虑能源的受限问题。 ( 5 ) 车辆可以有g p s 定位功能，因此就可以精确定位并提供准确的时钟信 息，利于获取自身位置信息和实现时钟同步。 ( 6 ) 车辆的g p s 功能可以和电子地图相结合，从而从整体上了解地图的特 征，利用路径规划算法，使得车载自组网路由策略的实现变得简单。 2 3 车载自组网的应用 v a n e t 是运行在特殊的环境中的、承载着不同寻常的应用的移动自组织网 络。一般在v a n e t 上的应用大多都是对服务质量有很高的要求，根据服务质量 要求的不同，它们可以分为3 大类： ( 1 ) 安全方面应用。此应用直接关系到人们的生命安全，主要体现在当遇到 紧急情况时可以自动报警提示交通事故隐患。车辆之间是否能快速无差错的传 递事故告警信息是能否减少或者避免交通事故的关键。当前v a n e t 研究多数针 对此应用1 1 引。 ( 2 ) 交通状况查询。该应用是为了提高道路交通效率，为驾驶员提供可靠的 路况信息，查询的信息包括车辆速度、道路上车辆的密度、道路上堵车状况等【1 9 】。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 信息服务类应用。比如在高速公路中缴费、在车辆移动过程中办公、预 订旅馆，车辆之间乘客的分布式游戏等f 2 0 1 。这类应用在提供多种服务的同时， 也可以实现乘客间的通信、多媒体传输、w w w 信息服务等，这些应用在比较 短的时间内传送大量的信息，因此占用很大的带宽。 2 4 车载自组网路由协议 路由协议是研究车载自组网通信必不可少的因素，路由协议为车辆间数据 包的传输提供路径信息，路由协议的性能直接影响车辆节点之间通信的性能。 2 4 1 两种常用路由协议 移动自组网路由协议的研究已相对较成熟，常用的两种协议有a o d v 2 1 ( a d h o co nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 禾t ld s r 2 2 l ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 。这 两个协议的主要特点都是按需路由的，也就是在需要用到相关路由信息时才寻 找并发现路由，而不是事先已经寻找并记录了到达目的节点的路径。 ( 1 ) d s r 路由协议 d s r 协议主要是基于源路由的，设计d s r 的目标主要是为了创建开销很低， 而且同时又可以在短时间内响应网络拓扑的变化，能够以高度反应式的服务保 证数据分组在节点移动的过程中或者网络中的其他条件变化的情况下可以正确 的递交。在d s r 路由协议中，每个指定的路线上的数据分组均可以在报头带一 个完整而且有序的该分组必须经过的节点列表。使用源路由能保证没有环路， 转发的或者侦听分组的节点能缓存分组中的路由信息以备用，而且由于要传输 的数据分组都有必要的路由信息，中间节点可以不保存路由信息。 d s r 协议路由控制开销一般可以分为两大类：一种是来自路由建立和路由 维护的开销，另外一种是业务分组里面的源路由分组头的开销。 d s r 还有一些其他的优点：( 1 ) 节点只需要维护和它通信的节点之间的路 由；( 2 ) 在协议中的缓存技术减少了路由建立所引起的开销；( 3 ) f l 邑够支持多条到 目的节点的路径；( 4 ) 该协议能够计算出非单向路由。 但是d s r 还是有缺点的，主要表现在三个方面：( 1 ) 由于每个数据分组头部 都要携带路由信息，因此数据分组的除了有用信息之外的其他路由开销比较大； ( 2 ) 采用的是泛洪的广播信息方式，可能会传播有冲突的广播；( 3 ) 采用的路由缓 存技术可能会造成过期的路由使路由无法得到正确选择。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) a o d v 路由协议 在a o d v 中，源节点是通过广播一个路由请求分组来找到达到目的节点的 路由的，收到路由请求分组的中间节点会建立一条到源节点的路由条目，即反 向路由，增加到路由表中，该路由条目的目的节点作为广播路由请求分组的源 节点，而路由请求分组被下一跳的节点发送到当前节点的相邻节点，并且随后 向周围节点广播该分组。如果目的节点收到了路由请求分组，那么就会向源节 点回复一个路由应答分组，这个路由应答分组就会被顺着刚才建立好的反向路 由向源节点传送。在这个过程中，收到路由应答分组的节点就会建立一个通往 目的节点的路由，也就是在路由表中增加了一个叫做“正向路由 的路由条目。 正向路由条目的目的节点就是路由应答分组的源节点，这样，下一跳就将路由 应答分组发送到当前节点的邻居节点。 a o d v 协议是d s r 和d s d v 两个协议结合起来的，使用了d s d v 中的一 个叫做“目的序列号”，这个是用来防止缓存的路由信息会过期，同时为了防止 环路的产生，路由建立主要是基于d s r 协议中的方法，但是不同的是a o d v 协 议是基于逐跳的路由，而不是基于源路由的。a o d v 协议是个按需的路由协议。 当网络中通信节点比较少的时候，控制开销和节点存储的开销都会比先应式路 由协议要小，对链路的中断响应更加的迅速，具有一定程度的可扩展性，但是 它有一个缺点，就是路由建立的时候延时很大。在这里，a o d v 协议利用了路 由缓存技术，在这个技术中，每一个中间节点都能向源节点返回路由信息，及 时报告链路的中断信息，然后快速的重建路由，在一定程度上减少了路由建立 的时延。a o d v 与d s r 的另外一个不同就是它只支持双向的链路。 2 4 2 车载自组网路由协议性能评估对仿真模型的要求 a o d v 和d s r 这样的路由协议比较适用于移动自组网环境，但它们没有考 虑车载自组网的特殊性，是否仍适用于车载自组网则需要针对车载自组网对协 议性能进行重新评估。车载自组网路由协议可以在移动自组网路由协议的基础 上进行改进，或者完全提出一套新的路由协议。考查这些路由协议在车载自组 网下性能的好坏都需要通过仿真实验进行性能评估和分析，在微观上清晰的了 解车辆之间通信的质量及数据传输的性能，包括端到端时延，丢包率和吞吐率 等方面的量化分析。 车载自组网路由协议的性能评估建立在车载自组网仿真模型之上。 武汉理工大学硕士学位论文 车载自组网仿真模型不同于一般的仿真模型有其特殊性，车载自组网仿真 模型需要提供道路和交通设施的布局与限制条件，车辆移动的方式需参照现实 生活中车辆的运动规律，车辆之间要保持安全距离，车辆要完全沿着道路移动， 车辆之间有交互行为，车辆有目标位置，等等。因此车载自组网仿真模型既要 对道路地图进行拓展，又要做好车辆节点在道路轨迹上移动的控制。 车载自组网仿真模型的设计直接影响到运行在该仿真模型之上的路由协议 的性能评估，建立一个符合现实情况的，包含对多方面因素描述的车载自组网 仿真模型，对路由协议的评估有着至关重要的意义。 但是n s 2 等现有的仿真平台不能很好地支持对车载自组网路由协议的性能 评估。因此本文对车载自组网仿真模型进行相关研究，并基于所提出的车载自 组网仿真模型对a o d v 和d s r 这两种常用的路由协议进行了一系列仿真实验与 性能评估分析。 2 5 本章小结 概述了车载自组网的特点及应用，介绍了a o d v 和d s r 两种常用的路由协 议，并根据车载自组网的特殊性分析了车载自组网路由协议性能评估对仿真模 型的要求。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章车载自组网仿真模型 车载自组网仿真模型需要仿真车辆节点在道路上的移动规律，车辆间的通 信性能直接受到道路上车辆的移动规律的影响，因此建立一个接近现实的车载 自组网仿真模型，用于研究和评估车载自组网路由协议的性能具有较大的理论 与实际意义。 3 1 移动自组网仿真模型 移动自组网仿真模型主要描述节点的移动情况，又称移动模型，其中实体 移动模型( e n t i t ym o b i l i t ym o d e l s ) ，是用来处理独立节点移动的情况，每个节点 移动的时候都是独立于其他节点的，独立的个体移动模型不能模拟现实生中车 辆节点的一些移动情况，车辆节点的移动模型中常常要考虑到的因素包括了最 大速度、路口方向选择和停留时间等几个方面的因素，这类移动模型相对来说 比较简单，所以在网络性能测试和评价研究中有着广泛的应用。当前实体移动 模型主要有随机行走移动模型( r w m ，r a n d o mw a l km o b i l i t ym o d e l ) ，随机方向移 动模型( r d m ，r a n d o md i r e c t i o nm o b i l i t ym o d e l ) ，随机路点移动模型 ( r w p , r a n d o mw a y p o i n tm o b i l i t ym o d e l ) 、高斯马尔可夫移动模型。 随机行走移动模型【2 3 ( r a n d o mw a l km o b i l i t ym o d e l ) 是以一种完全不可预测 的方式移动的，节点的移动速度和方向均不相关联，节点的移动是孤立的，不 会互相影响，由于它的随机性，这个模型是不现实的节点移动模型，在最坏情 况下一般才使用这种移动算法。该模型中节点移动模型描述如下：节点在【o ，2 】 的角度范围内移动，移动速度在最小速度和最大速度之间均匀分布。在这期间， 不断的确定目标位置和速度大小，每次在达到目标位置后就重新设置下一个目 标位置和速度，如果节点移动到了仿真区域的边界，就考虑在边界处以一定的 角度进行反弹。 随机方向移动模型【2 3 2 5 】与随机行走移动模型很相似，只是节点在仿真区域 的边界处理的不一样，这个节点移动模型在移动区域内找一个点s 为起始点从 0 ，2 丌】中随机选择个方向，然后按照预先设置好的速度一直走到边界以后，停 止一段时间以后，再继续选择一个目标进行移动，然后再保持一段时间，再移 l o 武汉理工大学硕士学位论文 动，如此反复，直到仿真时间结束。由于节点移动到边界才停止，这是一种不 现实的移动方式，由于带有移动终端设备的用户在整个大的活动区域内不可能 以相同速度进行移动，而且只有到区域的边界才会停留，该移动模型就克服了 这个缺点。它在改变了节点移动速度和方向之前加入了一个停留时间。在该模 型中，可以看作是以下步骤的循环： ( 1 ) 停留一定的时间； ( 2 ) 在移动区域内随机选择一个目的地； ( 3 ) 以0 速度和最大速度之间的任意速度向目的地移动； ( 4 ) 重复以上步骤。 另外还有高斯马尔可夫移动模型，在这个移动模型中，当节点的移动间隔 为t 时，当前节点的位置是上一时间片的位置，移动速度和方向共同来决定的。 该移动模型比较实际，但是节点在整个移动过程中速度和方向改变频繁，参数 不容易被选取，所以无法达到令人满意的效果。 还有一种移动模型是组移动模型，在组移动模型中，每个节点和它相邻节 点的移动是互相影响的，常见的组移动模型有以下几种【2 6 j ： ( 1 ) 队列移动模型，初始化的时候给定一个移动参考坐标线，在该坐标线上 参考点附近放置每个移动节点，这些节点都被允许在参考点周围按照随机方式 移动。 ( 2 ) 游牧群体移动模型，这个节点移动模式中节点的移动是零散的，不连续 的，主要描述的是从一端到另一端移动的一些节点的集合，群组中所有的节点 都要在参考点的周围进行移动，在参考点的位置发生了变化的条件下，群组中 其他的所有节点都要移动到参考点的周围。 ( 3 ) r p g m 参考点群组移动模型，在这个模型中每个组都有一个中心，各个 节点都围绕这个中心进行移动，因此群组内的节点的移动轨迹都是由这个参考 点决定的，群组中成员每次移动的速度和位置都是相对于r p ( r e f e r e n c ep o i n t ) 随 机的一个偏移量的。 3 2 车载自组网仿真模型的特点 车载自组网仿真模型相对于移动自组网仿真模型的特点在于，车载自组网 考虑到现实生活中的一些条件限制，包括车道的限制，车道上车速的限制，车 辆之间安全距离的限制，车辆节点超车的行为，车辆和车辆跟驰行为，交通灯， 武汉理工大学硕士学位论文 障碍物等限制因素，因此车载自组网受到的有关车道信息以及道路上交通设施 的限制比较明显。另外车载自组网中需要考虑到的移动节点是车辆，车辆节点 的功能和普通节点有较大不同，例如车辆有内鼍的定位系统，有足够的能量等 特点。另外v a n e t 中节点移动相对一般移动自组网更有规律，因为是在固定的 车道上移动的，一般情况下根据当前速度方向和大小就可以预测下一时间片车 辆移动的方向和大体位置。车辆在移动期间有定的规律性，当车辆同向行驶 的时候，拓扑比较稳定，但是反向行驶的时候拓扑变化就比较快。 3 3 车载自组网仿真模型的研究现状 3 3 1 车载自组网仿真模型分类 车载自组网仿真模型的核心是移动模型，图3 1 给出了车载自组网移动模型 的框架图，该图展示了移动模型的构建要素。 崮 图3 - i 车载自组网移动模型框架图 根据仿真系统对细节描述程度的不同，可以将车载自组网仿真模型分为宏 观模型，中观模型和微观模型z 7 1 。 ( 1 ) 宏观模型主要是对车辆的整体进行分析，把交通流看作是一个连续的流 体，从车辆速度，密度，流量和车辆的稀疏分布等方面描述交通流的状态，这 是对模型中车辆移动的一个整体的描述，而对车辆的车道变换，超车等单个车 辆的细节行为不进行具体描述； ( 2 ) 中观模型介于微观模型和宏观模型之间，对交通流的描述往往以若干车 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 辆构成的队列为单元，可以描述这些队列在道路上的排列和车辆的流入流出行 为，对车辆的车道变换，超车一类的行为进行了简单的描述； ( 3 ) 微观模型是以单个车辆为基本单元，对于车辆在道路上的跟车，超车和 车道变换行为都有具体描述。在车载自组网仿真过程中，微观模型能够深刻的 从细节反映单个车辆节点的移动情况和车辆之间的交互情况。 本论文中涉及的因素包括自定义地图，即框架图中所提到的拓扑地图，车 辆移动过程中安全距离的限制，初始化车辆的机制，车辆的运动特征等因素， 主要是从微观上进行设计。 3 3 2 车载自组网仿真模型发展 随机路点模型( r w p ，r a n d o mw a y p o i n tm o d e l ) 2 引是一种最简单的模型，该 模型在n s 2 中用s e t d e s t c c 和s e t d e s t h 两个文件实现。r w p 模型的设计方法关键 在于，节点每次都随机生成一个目标位置和在从起始位置到目标位置方向上的 随机大小的速度，然后朝着该点移动，由于没有其他影响移动速度的因素，所 以可以事先根据目标位置和速度，计算出到达该点所要经历的时间，当时间到 了以后，再继续设置下一目标位置，然后朝着目标位置移动，如果到达目的位 置后则停止一段时间，下一次设置目标位置的时候，将原来的目标位置设成起 始位置，速度设为0 。车载自组网仿真模型需要实现道路以及车辆轨迹的限制， 而随机路点模型不能满足这种要求。 在v a n e t 中必须在仿真模型中对车辆节点进行一定的轨迹限制，否则将不 符合现实情况，在车道上，车辆的移动速度也会受到限制，包括车道上车辆的