高速公路車載自組網數(shù)據收集協(xié)議及仿真研究

引 言

車載無線網絡以信息收集、處理、發(fā)布、交換為主，為參與者提供豐富的服務。車載無線網絡將車輛內部的相關器件、車輛與路邊節(jié)點、車輛與車輛、車輛與互聯(lián)網連接起來，構成一個異構的復雜網絡系統(tǒng)，為車載智能交通系統(tǒng)提供多樣化的應用。車聯(lián)網符合 云計算 [1]（Cloud Computing）、 物聯(lián)網[2] （Internet of Things，IoT）兩大炎手可熱的研究主題， 順應當今信息技術的發(fā)展趨勢。車載自組織網絡（Vehicular Ad HocNetwork，VANET） 具有自組織、易擴展、易部署、低代價、低通信延遲等優(yōu)點 [3] ，是車載網絡中最重要的一種組網形式。數(shù)據收集是VANET 中一項至關重要的技術，如何在 VANET 中提高網絡通信的性能，根據不同的需求進行有效的數(shù)據收集，是學術界一直關注的研究熱點。

本文總結了近些年出現(xiàn)的VANET 數(shù)據協(xié)議，選取其中的 DSR（Dynamic Source Routing，DSR）、AODV（Ad hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV）協(xié)議，由17 個無線節(jié)點組成VANET，建立一個 M 型固定的拓撲結構，再加一個移動節(jié)點來模擬固定節(jié)點的數(shù)據收集場景，通過設置不同的參數(shù)研究了兩種協(xié)議的相關性能指標，得出AODV 協(xié)議較 DSR 協(xié)議性能好的結論。

1 車載自組網數(shù)據收集協(xié)議

數(shù)據收集協(xié)議可以在一定程度上節(jié)省能耗。目前常見的數(shù)據收集協(xié)議包括 EMDA（Energy Efficient Meter Data AggregationProtoco1，EMDA）、AODV、PEADG（Power Eficient Algorithm for Data Gathering，PEADG）、DSR 等。但是以上協(xié)議中已得到廣泛認可的是 AODV 協(xié)議、DSR 協(xié)議。

AODV 協(xié)議與DSR 協(xié)議均具有一系列優(yōu)點。在消除路由環(huán)路方面，AODV 協(xié)議通過使用序列號來避免出現(xiàn)路由環(huán)路，而 DSR 使用源路由機制消除路由環(huán)路。此外，DSR 協(xié)議轉發(fā)數(shù)據分組的中間節(jié)點無需存儲路由信息，節(jié)省了存儲空間；AODV 協(xié)議支持中間節(jié)點應答，能使源節(jié)點快速獲得路由， 而 DSR 允許節(jié)點偵聽數(shù)據分組，緩存路由信息 ；AODV 協(xié)議能快速響應活躍路徑上的斷鏈，并具有良好的可擴展性。而DSR 支持到目的節(jié)點的多條路徑。

2 仿真實驗

采用網絡仿真軟件NS-2[4] 對DSR 和 AODV 協(xié)議進行性能分析，通過仿真分別得到了其數(shù)據包的平均端到端延遲、端到端時延、網絡吞吐量，以此來衡量數(shù)據收集協(xié)議的性能。

2.1 仿真環(huán)境

我們采用17 個無線節(jié)點來組成車載自組織網絡。其中DSR 的隊列類型為 CMUPriQueue，而AODV 采用DropTail/ PriQueue。模型中每個節(jié)點的無線傳輸范圍為 50.0 m，我們將仿真時間設置為 20.0 s。將移動節(jié)點的初始坐標設為（50.0，93.3），移動節(jié)點開始傳送數(shù)據的時間設為 1.0 s，研究將其移動速度分別設置為 10.0、20.0、30.0、40.0、50.0、60.0、70.0、80.0、90.0（單位均為 m/s）時AODV 和DSR 協(xié)議的端到端時延、平均端到端時延以及平均吞吐量等性能指標。我們采用CBR 業(yè)務作為一種典型的無連接UDP 業(yè)務來進行仿真實驗。我們在相同的實驗場景下采用相同的數(shù)據源分別對兩種協(xié)議進行模擬運行，使仿真結果盡量準確。

2.2 仿真結果與分析

圖 1、2 分別為AODV 協(xié)議和 DSR 協(xié)議的仿真圖。圖 3 展示了兩種協(xié)議的平均端到端時延性能，可以看出隨著移動節(jié)點速度的增大，AODV 及DSR 協(xié)議的變化趨勢相同，均呈下降趨勢，但相對于同一移動速度，AODV 協(xié)議的時延略大于DSR 協(xié)議，當速度大致在 56 ～66 m/s 范圍內時，DSR 協(xié)議的時延略大于AODV協(xié)議的時延。圖 4展示了兩種協(xié)議的端到端時延性能，由圖 4可知，當移動節(jié)點的速度在（10，20） 以及（20，30）兩個區(qū)間范圍內時，DSR協(xié)議的時延波動范圍較大，此后波動范圍較小，而AODV 協(xié)議的時延波動范圍一直較小。由于只進行了一次實驗，所以會出現(xiàn)較大的波動范圍， 當進行多次實驗取平均值后，便不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。由此可以看出AODV協(xié)議的時延性能較 DSR協(xié)議的性能好。

圖 5 展示了模型仿真中網絡的吞吐量，由圖可見，隨著移動節(jié)點速度的增大，兩種協(xié)議的網絡吞吐量性能變化趨勢相同，均呈下降趨勢。在相同的速度下，DSR 協(xié)議的網絡吞吐量大于AODV 協(xié)議的吞吐量，因此在本實驗中DSR 協(xié)議的網絡吞吐量性能較AODV 協(xié)議的性能好。

3 結 語

在車載自組網應用中，通信半徑的限制使網絡中車輛節(jié)點

之間的數(shù)據交互形式是多跳轉發(fā)進行的，因此數(shù)據收集協(xié)議和路由協(xié)議是其重要的組成部分。由于傳統(tǒng)的路由協(xié)議不能有效地應用，無線自組網中的數(shù)據收集技術、路由技術有非常廣闊的研究空間。本文詳細介紹了車載自組網的主要特點，以及典型的數(shù)據收集協(xié)議，并分析了其中兩種協(xié)議的優(yōu)缺點，并在一定場景下，通過設置不同的參數(shù)研究了兩種不同的性能指標， 得出AODV協(xié)議較 DSR 協(xié)議性能好的結論。

圖 5 網絡吞吐量