VANET路由协议设计时的网络容量仿真分析*

2015-06-23谭方勇方立刚金志峰

通信技术 2015年3期

关键词：吞吐量路由车载

谭方勇，方立刚，金志峰

(1.苏州市职业大学计算机工程学院,江苏苏州 215104；2.吴江区公安局科信大队, 江苏苏州 215200)

VANET路由协议设计时的网络容量仿真分析*

谭方勇1，方立刚1，金志峰2

(1.苏州市职业大学计算机工程学院,江苏苏州 215104；2.吴江区公安局科信大队, 江苏苏州 215200)

针对车载自组网中节点移动速度快、拓扑变化频繁以及无线信道质量不稳定的特点，提出了此类网络的路由协议必须综合考虑业务需求、网络能力以及自组网本身的特点等因素的设计思想。分析了承载业务分为低速率的导频信道和高速率的业务信道对传输速率的不同要求，研究了在选择路由协议时的网络容量上、下限问题。仿真实验结果表明，节点的可行吞吐量的上下限将随着无线电波衰减系数和节点带宽的增大而增大。在车载自组网路由协议设计时需要考虑这种关系，从而提高节点的可行吞吐量。

车载自组网无线自组网网络容量路由协议可行吞吐量高速率

0 引言

随着社会的不断进步与发展，道路上车辆的保有量在不断地上升，很多地方和城市都出现了较为严重交通堵塞以及道路安全问题，而且也成为人们越来越重视的问题之一，因为它不仅影响到人们的出行，还关系到每个人的人身安全问题。而结合了无线Ad Hoc自组网以及无线自组网技术的车载自组网(VANET, Vehicular Ad Hoc Networks)能够实现车辆在行驶过程中，获取其周边车辆节点以及周边道路基础设施的信息，这些信息可以为本车辆的行驶方式做出相应的决策判断，这既可以有效地预防交通事故的发生，也可以为行车线路的选择提供参考依据。因此，车载自组网技术已经慢慢成为智能交通系统中的一个重要技术，正被越来越多研究人员研究和开发，而与其路由协议相关的问题也成为了近些年研究人员研究的主题和方向。如文献[1-3]分别提出了一种多接口多信道VANET动态信道分配算法、基于地理位置的车载自组网快速可靠广播算法以及基于高可靠束路径的车载自组网路由规划算法，文献[4-6]分别提出了基于多优先级的自适应动态路由协议、基于实时车流密度信息的VANET路由协议以及基于位置的车载自组织网络路由协议，文献[7]提出了基于反馈方式的车辆间合作下载方法。这些研究在不同的角度、不同的场景下提出了车载自组网中路由协议算法的设计思路，具有较高的研究和应用价值。在很多情况下，车辆移动的速度相对较快，因此高速移动的环境下车载自组网中的节点的拓扑结构变化也非常快，这会造成网络的通信链路的稳定性较差，从而导致其网络的性能也会急剧下降。一旦发生交通事故，传统的无线局域网IEEE802.11系列的协议以及传感网络协议都无法快速地将信息传输到目的节点。因此，如何在高速移动的环境中设计高性能的车载自组网路由协议是非常关键的，而网络容量问题则是其中的关键要素之一。

本文针对高速移动车载自组网的特点提出了在设计车载自组网路由协议时需要考虑的网络容量问题，保证承载通信业务的低速率导频信道和高速率的业务信道之间的协调，通过仿真实验分析证明，节点的可行吞吐量与无线电波衰减系数及节点带宽之间存在着对应关系，这可以为VANET中路由协议的设计提供参考。

1 车载自组网的特点及相关路由协议

1.1 特点

车载自组网是当前的无线自组网Ad Hoc具有极高的实际应用价值的一项技术，它将在道路交通领域有着很高的应用价值，如，它可以应用在交通运输管理、道路交通安全、交通疏导管理、行车途中车辆的娱乐通信等[8-9]。车载自组网的设计目标是在运动的车辆之间以及车辆与基础设施之间建立一个车载自组网的通信平台，这有助于提高道路交通的效率，减少拥堵的发生，也对为车辆行驶提供预判，从而减少道路安全事故的发生，还能够为车辆之间的娱乐通信提供便利性。车载自组网技术是将一定范围内车辆节点以及道路周边的基础设施节点自动地组建成一个网络，提高单一数据链覆盖范围，使得各个车辆节点在网络内部能够进行安全、高效的信息交流，车辆之间传递的各种信息按照规定的信息格式，实时、自动、保密地进行传输与交换，从而实现信息资源共享，为指挥系统迅速、正确地决策提供整个区域统一、及时和准确的态势感知。

车载自组网的结构可以分为车辆与车辆之间通信(V2V，Vehicle-to-Vehicle)和车辆与路边基础设施之间的通信(V2R，Vehicle-to-Roadside)两个部分。通常情况下，车载自组网主要是车辆之间通过多跳的方式进行互连，但在必要的时候还需要借助一些基础设施(如GPS)来组建网络。

1.2 相关路由协议

车载自组网路由协议是车载自组网节点之间通信的关键技术，也是各类上层应用可靠运行的基础。但在车载自组网路由协议设计时必须得考虑车载自组网中车辆节点移动速度快、网络拓扑变化频繁等特点，此外，在车载自组网路由协议的设计时，还需要综合考虑业务需求、网络能力等因素，从而实现路由协议的基本功能。业务需求决定了路由协议的设计目标，针对不同的业务需求，可以从不同角度设计多种类型的路由协议。目前，在移动自组网中使用的路由协议主要可以分为四大类[9]，分别是①先应式(Proactive)路由协议，代表协议有DSR、OLSR等；②反应式(Reactive)路由协议，代表协议有AODV；③集群路由协议，代表协议有CGSR；④基于GPS 辅助的路由协议，代表协议有GSR和GPSR。

2 车载自组网的网络容量问题分析

在高速运动的车载自组织网络中，承载业务分为低速率的导频信道和高速率的业务信道，低速率的导频信道要求实时性很高，高速率的业务信道要求传输速率很高；因此在选择路由协议时需要考虑车载自组网的网络容量问题。

假定网络模型有n个节点任意的分布在单位圆平面上；节点任意选择目的节点，以任意的速率发送数据到目的节点；且每个节点可以选择任意的发射功率。

可行吞吐量：网络中的节点数目为n，按照一定的时空分配方案，在[(i-1)T,iT] 时间段内(T<)，网络中每个节点发送到相应目的节点的比特数为Tλ(n)，那么称该网络的可行吞吐量为λ(n)比特/秒。

为了便于分析，现做如下假设：

1)n个节点任意的分布在单位圆平面上。

2)在T时间内，网络上传输了λnT比特数据。

5)节点仅在时隙τ内发送数据(这个假设不是必需的，仅是为了方便论述)。

设Xi为节点i的位置坐标，同时也表示该节点本身。设{Xk;k∈Υ,Υ≤n}为在给定时间内使用相同子信道发送数据的节点集合。在有其它节点Xk(k∈Υ,k≠i)同频干扰的情况下，若节点Xj能成功接收到节点Xi(i∈Υ)发送的数据，必须满足以下条件

(1)

式中，N是信道背景噪声，β表示节点Xj能成功接收数据包所需的最小信噪干扰比SIR，α为无线电波衰减系数(α>2)，Pk表示节点Xk(k∈Υ)发射功率。

在上述网络模型和传输模型下，单位圆内网络容量的上限为

(2)

网络容量下限为

(3)

在网络覆盖范围Am2时，网络容量上限为

(4)

则节点可行吞吐量上限为

(5)

网络容量下限为

(6)

则节点可行吞吐量下限为

(7)

3 实验仿真与结果分析

在本次车载自组网仿真实验中，无线通信系统参数采用2.4 GHz工作频段，CSMA/CA多址接入方式，最大通信速率19.2 kb/s，物理层保护机制为RTS/CTS，RF功率为20 mW，无线增益为2 dbi，调制方式采用OFDM，安全性能支持支持64/128位WEP算法数据加密。

本次实验采用NS2仿真软件进行实验，并假设节点之间保持平均500～1 000 m的距离，仿真参数如表1所示，其中仿真中相应的参数符号取值如表2所示。

表1 仿真参数

表2 参数符号取值范围

图1 节点的可行吞吐量 VS α

通过仿真实验可知，在高速移动的场景下，节点移动对网络拓扑影响不大，节点的可行吞吐量也能满足要求，因此，选择路由协议时可选择先应式路由协议，如OLSR协议等。

图2 节点的可行吞吐量 VS W

4 结语

在车载自组网中，高速车辆之间的通信必然要求路由有较高的健壮性和反应快速性，因此，路由协议的设计尤为重要。但是根据车载自组网本身所具有的特点，在其路由协议设计时，需要解决高速率的业务信道与低速率的导频信道通信的不一致问题，这是提高车载自组网性能的关键要素。本文在指定的网络模型基础上对网络容量进行仿真分析，并得到了节点的可行吞吐量与无线电波衰减系数及节点带宽之间存在的对应关系，这可以为其他研究和设计车载自组网路由协议设计的研究和开发人员提供理论和实践的参考依据。

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TAN Fang-yong(1976-),male, M.Sci., associate professor, mainly engaged in wireless network technology and network security.

方立刚(1980—)，男，博士，副教授，主要研究方向为网络技术;

FANG Li-gang(1980-),male, Ph.D., associate professor, mainly engaged in wireless network technology.

金志峰(1978—)，男，学士，工程师，主要研究方向为网络安全。

JIN Zhi-feng(1978-),male, B.Sci., engineer, majoring in network security.

Project supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41201338); The natural science foundation of Jiangsu Province(No.BK2012164); This research was supported by Science and Technology Plan Project of Suzhou (No.SGZ2014011);This research was supported by Labor and Social Security Bureau plan of Suzhou(No.GJNZ201412)

Network Capacity Simulation in Design of VANET Routing Protocol

TAN Fang-yong1, FANG Li-gang1，JIN Zhi-feng2

(1.Department of Computer Engineering,Suzhou Vocational University, Suzhou Jiangsu 215104,China;2.Technology and Information Detachment of Wujiang Public Security Bureau,Wujiang District,Suzhou Jiangsu 215200,China)

Aiming at VANET (Vehicular Ad-hoc Networks) characteristics of fast moving nodes, frequently varying topological structures and instable wireless channel quality, this paper proposes a design idea that the factors such as business demands, network abilities and VANET features should be considered comprehensively in the design of VANET routing protocol. Various demands of transmission rate for loading business low-rate pilot channel and high-rate traffic channel are analyzed, and meanwhile the upper and lower bounds of network capacity in choosing routing protocol are explored. Simulation results show that the practical bound of the node throughput increases with the growth of radio waves attenuation coefficient and node bandwidth. This situation should be considered in the design of the VANET routing protocols, so as to improve the viable throughput of the nodes.

VANET; Ad Hoc; network capacity; routing protocol; feasible throughput; high rate

date:2014-10-10；Revised date：2015-01-18

国家自然科学基金(No.41201338)；江苏省自然科学基金(No.BK2012164)；苏州市科技计划项目(No.SGZ2014011); 苏州市高技能人才培养研发市级重点课题(No.GJNZ201412)

TP391.9

1002-0802(2015)03-0325-05