Ad hoc网络路由协议在不同场景下的仿真研究

童孟军,舒昌衡

(杭州电子科技大学计算机学院,浙江杭州310018)

0 引 言

Ad hoc网络拓扑的频繁变化,节点移动速度很快,路由技术成为了Ad hoc网络中的重大挑战之一。在早期的实验平台中使用的是一些简单洪泛路由技术。目前Ad hoc网络使用的路由协议根据路由驱动模式的不同,分为表驱动路由协议和按需路由协议。典型的表驱动路由协议是DSDV,它是基于传统的Bellman-Ford路由选择算法经改良而发展起来的。AODV是一种按需路由协议,采用广播式路由发现机制和逐跳路由、顺序选号和路由维护阶段的周期更新机制。有些学者研究了Ad hoc网络协议AODV和DSDV的性能仿真与比较,分析了在Ad hoc网络中表驱动路由协议和按需路由协议的性能[1]。在实际的应用中,不同复杂的环境对路由协议的性能影响很大,因此需要在仿真中模拟实际的场景,对路由协议的性能进一步的分析。对井下无线传感器网络AODV和DSDV协议进行了仿真分析,结果表明节点相对较少的情况下表驱动路由协议DSDV在井下表现出更好的优点和很好的鲁棒性[2]。本文对几种典型的Ad hoc网络单播路由协议DSDV、AODV、DSR和TORA等在街道和公路场景下进行了仿真分析。

1 Ad hoc网络移动模型的介绍

节点运动模型决定了在不同的场景下运动的轨迹,不同环境所选用的运动模型也不同。下面介绍几种常用的运动模型。

随机路点移动模型[3]是当前研究最多,应用最广泛的运动模型。它的定义如下:节点首先在当前位置停留一段随机时间Tp∈[Tmin,Tmax],然后随机选取一个目的地,并随机选择速度V∈[Vmin,Vmax]向该目的地运动,节点到达目的地后随机停留一段时间Tp,然后再重复上述过程。

目前,很多Ad hoc网络的研究都是采用随机运动模型来描述节点的运动。而在很多情况下会发现这种运动模型已经不再适用。近年来有很多学者研究这个问题,并提出了一些具有地域限制的移动模型,在这些模型中节点的运动严格限制在预定的线路上。例如曼哈顿移动模型[4],它是一种城市街道模型,在这种模型中首先要编写地图文件,每个移动节点按照编写的街道场景运动。

由于在NS2中setdest只提供了随机运动模型,因此当搭建城市街道模型和公路模型时,需要重新编写运动模型。在NS2中setdest是生成随机运动模型的文件,要对其进行扩展,以便能生成模拟街道的运动模型。采用C++重新编写了setdest文件。另外,本文还采用另外一种方法。由于构建车辆Ad hoc网络的移动模型很复杂,所以采用已经现有的车辆移动综合模型来构建高速公路模型。VanetMobisim是在车载移动方面的一个扩展,它是由斯图加特大学CANU研究组开发应用的一个基于JAVA的移动组模型[5]。它是目前最真实和包含综合配置的车辆移动模型,能够产生城市场景和高速公路场景的真实车辆移动轨迹。VanetMobisim有一个很重要的优点就是可以产生各种流行仿真软件的轨迹文件,方便的与网络仿真软件结合。本文是将研究如何将VanetMobisim中的trace文件应用于NS2中的高速公路仿真。

2 仿真场景

2.1 街道模型

在实际的生活场景中,节点运动和信号的传输接收受到不同复杂因素的影响。当在街道或校园里,信号总会受到障碍物的干扰。文献6考虑了存在障碍物的情况,并提出了PRMO模型,假设障碍物能完全阻断无线电波的传输。设障碍物是一条直线如图1所示。节点信号被阻隔的算法为:假设节点N1(x3,y3)与N2(x4,y4)进行通信,障碍物的一条边由点P1(x1,y1)和点P2(x2,y2)构成。设定R(x0,y0)为直线P1P2与直线N1N2的交点。由此判断节点通信被阻隔的情况:(1)两直线平行或重合,认为没有交点;(2)两直线相交,且交点在直线j1,i1上;(3)两直线相交,交点在直线P1P2的延长线上;若交点在直线P1P2上则认为节点间的无线电波被阻隔。

图1 存在障碍物时的信号传播模型

本文采用NS2加入了障碍物模型,在原有的NS2中加入能够表示出城市街道模型中的障碍物,模拟在障碍物的情况下的无线网络[7]。经扩展后的NS2生成的街道场景如图2所示。

2.2 公路模型

本文采用VanetMobisim搭建了在单向单车道和双向双车道的高速公路运动场景,运动场景是通过XML语言编写,分别采用匀速和匀加速的沿道路行驶。下列代码是通过VanetMobisim生成的NS2的部分场景文件:＄ns_at 35.0“＄node_(1)setdest498.70652400305664 200.000001 21.461658”;这一行的意思是节点1在35.0s开始以速度21.461 658m/s向目标位置(498.706 524 003 056 64,200.000 001)移动,其他行以此类推。场景文件经NS2模拟后产生的NAM图如图3所示。

图2 街道场景

图3 双向双车道

3 仿真分析

本文仿真在不同场景下的移动Ad(oc网络路由协议的性能指标。

在城市街道模型中的仿真参数如下:仿真区域大小为500m×500m,节点个数20,仿真时间200s,移动通信距离250m,分组大小512Byte,CBR数据源个数10个,CBR发送数率分别为1-8Packet/s。

以发包投递率和链路延时作为对协议性能的评价,其中分组投递率和平均延时定义如下:分组投递率=成功收到的数据包总数/发送的数据包总数,分组的平均延输的分组数,rt表示分组到达目的节点的时间,st表示分组发送的时间。仿真分析结果如图4、5所示。

图4 随网络负载增加时分组投递率的变化情况

图5 随网络负载增加时端到端平均延时的变化情况

从图4可以看出随着网络负载的增加,各种路由协议的分组投递率都在下降。其中DSDV的分组投递率最低,DSR和AODV的分组投递率最高。从图5可以看出随着网络负载的增加,DSR的端到端的延迟最大,而DSDV的端到端延迟最小。因为DSR、AODV和TORA是按需路由协议,在每次发送分组时需要建立路由,所以延迟比较大。通过对这两个指标的分析,得出的结果与杨裕辉的有一些不同[8]。在添加障碍物的情况下,各种路由协议的性能有所下降。

在高速公路场景下的仿真参数如下:仿真区域大小为700m×700m,仿真时间400s,移动节点数为2,信道类型为WirelessChannel,传播模型为TwoRayGround,天线模型为Antenna/OmniAntenna,网络接口类型为WirelessPhy,MAC协议采用的是IEEE 802.11b,路由协议采用的是AODV,DSDV,DSR和TORA。本文分别对单向车道和双向车道进行仿真。在单向车道中两个节点以匀加速同向行驶。

如图6所示,是在双向双车道下各路由协议的分组投递率,可以看出按需路由协议AODV、DSR的投递率较高,而DSDV的分组投递率较低。在单向单车道下,各种路由协议的分组投递率都达到100%,这意味着在这种情况下,零个PDU(协议数据单元)丢失,这对于车载组网是非常重要的。

图6 双车道的分组投递率

图7 相向和同向的路由开销对比

如图7所示,是单向单车道和双向双车道的路由开销,明显的可以看出,前者的路由开销远大于后者。这是因为同向运动是加速运动,路由请求频繁,路由开销比较大。在相向和同向的节点运动中,按需路由协议DSR、AODV较表驱动路由协议DSDV开销较小,其中TORA的路由开销最大。结论表明网络拓扑结构剧烈变化时,表驱动路由协议DSDV的开销增大。这是因为表驱动路由协议在每一次拓扑变化中都要更新路由表,所以导致路由开销比较大。

4 结束语

本文通过对NS2的扩展,分别实现了街道场景和高速公路场景,并在这两种场景下进行了移动路由协议的仿真分析。其中按需路由协议AODV性能比较稳定。通过仿真分析,发现在复杂的场景中,路由协议的性能会有所影响。如何能进一步提高路由协议的性能,将是今后研究的重点。

[1] 刘洛琨,张远,许家栋.AODV和DSDV路由协议性能仿真与比较[J].计算机仿真,2006,23(2):118-120.

[2] 吴玉全,孙怡宁.井下无线传感器网络AODV和DSDV协议的仿真对比[J].传感技术学报,2009,22(10):1 515-1 518.

[3] Camp T,Boleng J,Davies V.A Survey of Mobility Models for Ad Hoc Network Researeh[J].W ireless Communication＆Mobile Computing,2002,2(5):483-502.

[4] Bai Fan,Sadagopan N,Helmy A.The Important Framework for Analyzing the Impact ofMobility on Performance of Routing for Ad Hoc Networks[J].Ad Hoc Networks Journal,2003,l(4):383-403.

[5] Macro Fiore.VanetMobiSim:Genemdng Realistic Mobility Patterns for VANETs[EB/OL].http://vanet.eurecom.fx/publication,2010-08-20.

[6] Jardosh A,Belding-royer EM,Almeroth KC,et a1.Towards realisticmobilitvmodels formobilead hoc networks[C].London:MobiCom'03,2003:14—19.

[7] 张歆彦.Ad Hoc网络流量自相似性研究[D].上海:交通大学,2006.

[8] 杨裕辉.移动Ad Hoc网络路由协议研究[D].成都:电子科技大学,2009.