車(chē)輛自組網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 車(chē)載網(wǎng)路由協(xié)議進(jìn)行了分類(lèi)，其中重點(diǎn)介紹了基于拓?fù)涞?AODV協(xié)議與地理位置的 GPSR 路由協(xié)議。 第三章 介紹了 NS2 模擬與仿真工具，網(wǎng)絡(luò)仿真的方法和一般過(guò)程， NS2 的節(jié)點(diǎn)模型， NS2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建， NS2 下無(wú)線傳輸能量模型，以及如何添加 GPSR 算法在 NS2下。 第四章 介紹了基于車(chē)載網(wǎng) GPSR 的改進(jìn)算法。針對(duì)車(chē)載網(wǎng) GPRS 算法的不足，對(duì)算 法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，并添加然后在 NS2 下。 第五章 進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)的 Ad hoc 路由協(xié)議 AODV 算法和 GPSR 的算法分別進(jìn)行了仿真對(duì)比，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 針對(duì) GPSR 算法的不足，提出了改進(jìn)算法，并在 NS2 下進(jìn)行了 GPSR 算法與 GPSR 改進(jìn)算法對(duì)比。 最后 總結(jié)與展望，首先對(duì)本文的主要工作進(jìn)行總結(jié)，然后對(duì)本文工作需要改進(jìn)之處和未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了闡述。 常州工學(xué)院延陵學(xué)院 4 第二章 車(chē)載自組網(wǎng)現(xiàn)狀 車(chē)載自組網(wǎng) VANET 是指道路上車(chē)輛與車(chē)輛間，車(chē)輛與路邊的固定接入點(diǎn)之間通過(guò)相互 通信共同組成的一種開(kāi)放移動(dòng)的 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)結(jié)構(gòu)開(kāi)放的、自組織的車(chē)輛間通信網(wǎng)絡(luò)，在智能交通系統(tǒng) ITS （ Intelligent Transportation System）中起著很重要的作用。而且由于 VANET 在路況監(jiān)測(cè)、交通管理、反映道路當(dāng)前狀態(tài)、交通安全、車(chē)輛跟蹤的導(dǎo)航等方面都起著很重要的作用，所以近年來(lái)形成了無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)新研究的熱潮，比如阿爾及利亞科學(xué)與技術(shù)信息研究中心的車(chē)輛防碰撞系統(tǒng)奔馳公司的車(chē)輛免事故系統(tǒng) Thinking Partner、加州大學(xué)的城市交通監(jiān)視系統(tǒng) MobEyes 、弗羅斯 特堡州立大學(xué)的車(chē)輛防盜 SVATS，等等。 車(chē)載自組網(wǎng)概述 車(chē)載自組網(wǎng)的特點(diǎn) 移動(dòng)自組網(wǎng)沒(méi)有預(yù)先指定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò) ,節(jié)點(diǎn)可以自由移動(dòng) ,網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)間不斷改變。網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)既是一個(gè)終端系統(tǒng)，也可以充當(dāng)路由器節(jié)點(diǎn) ,節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間分享著通信的資源 ,組成了多跳中繼的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)傳送數(shù)據(jù)信息。車(chē)載自組網(wǎng)它是移動(dòng)自組網(wǎng)所派生發(fā)展出的一個(gè)新的分支。移動(dòng)自組網(wǎng)中車(chē)輛本身以及周?chē)h(huán)境有以下四方面的特點(diǎn) :活動(dòng)場(chǎng)景、移動(dòng)模型、運(yùn)動(dòng)屬性和節(jié)點(diǎn)特性 。 圖 21 車(chē)載自組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 常州工學(xué)院延陵學(xué)院 5 活動(dòng)場(chǎng) 景 車(chē)載自組網(wǎng)中，可以布置在一個(gè)實(shí)際的地圖上。地圖上有地圖上有街道 ,有公路 ,有銀行 ,高速公路 ,有行人，有十字路口 ,還有交通燈 ,這些都會(huì)使車(chē)輛的自由移動(dòng)受到極大的限制。原來(lái)移動(dòng)自組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型對(duì)于車(chē)載自組網(wǎng)來(lái)說(shuō)，其中的一些特點(diǎn)已經(jīng)不再適合 ,這時(shí)候，創(chuàng)建一個(gè)新的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型是很有必要的。從另一個(gè)方面來(lái)講 ,高大的建筑物會(huì)造成無(wú)線信號(hào)的阻擋最終會(huì)導(dǎo)致車(chē)載之間的連通中斷。 移動(dòng)模型 公路和街道這些都是固定的，所以車(chē)輛必須在這些先前指定的路徑上運(yùn)動(dòng)。它的特點(diǎn)是車(chē)輛不可以像移動(dòng)自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)一樣能夠自由移動(dòng)，而 是必須在指定的路徑上進(jìn)行有方向有目的的運(yùn)行。例如在十字路交叉路口或交通道路收費(fèi)站處，車(chē)輛擁塞可能大量存在，而在某些路段行人車(chē)輛稀少，車(chē)輛很可能少甚至網(wǎng)絡(luò)不連通。在車(chē)輛密集的場(chǎng)合，無(wú)線接入的沖突增加，由此會(huì)帶來(lái)一些沖突避免。而在車(chē)輛稀疏的聲所 , 網(wǎng)絡(luò)可能頻繁斷裂 ,這樣隨機(jī)的連通性也會(huì)使一般的路由協(xié)議產(chǎn)生性能的降低，或者不適用。 運(yùn)動(dòng)屬性 相對(duì)無(wú)線移動(dòng)自組網(wǎng)而言，車(chē)輛移動(dòng)的速度很快，因此兩車(chē)的持續(xù)通信時(shí)間很短，路由維護(hù)將會(huì)變得非常困難。由于車(chē)輛的高速移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致不斷的變化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,假設(shè)兩輛車(chē)以 20m/s 的速 度向相反的方向運(yùn)動(dòng) ,并且無(wú)線通信的固定傳輸半徑一直是 200m，那么二輛車(chē)輛之間鏈路之間的最長(zhǎng)持續(xù)的時(shí)間是 5 秒。超過(guò) 5 秒后，車(chē)輛之間的通信會(huì)斷開(kāi)。 節(jié)點(diǎn)特性 車(chē)輛都能裝備一定的通信設(shè)備，能支持高速移動(dòng)下的通信。比一些設(shè)備比如 GPS全球定位系統(tǒng)來(lái)獲取節(jié)點(diǎn)自身當(dāng)前的地理位置信息和運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡。由于汽車(chē)的能量不再受到像傳統(tǒng) Ad hoc 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的能量限制，因此，可以不像 MANET 中需要考慮車(chē)載網(wǎng)中能量的問(wèn)題，相對(duì)于 Ad hoc 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，車(chē)載網(wǎng)存儲(chǔ)計(jì)算能量比較強(qiáng)大。 前三個(gè)特點(diǎn)，使得車(chē)載網(wǎng)與移動(dòng)自組網(wǎng)有較大 的差異，因此設(shè)計(jì)一種有效支持實(shí)時(shí)的車(chē)載路由協(xié)議是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。第四個(gè)特性使得車(chē)載網(wǎng)帶來(lái)了前所沒(méi)有的機(jī)會(huì)，世界各地學(xué)者企業(yè)界越來(lái)越關(guān)注車(chē)載網(wǎng)，車(chē)載網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的前景。 常州工學(xué)院延陵學(xué)院 6 表 車(chē)載自組網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 車(chē)載自組網(wǎng)的分層體系結(jié)構(gòu)在圖 所示。 圖 22 車(chē)載自組網(wǎng)的分層體系結(jié)構(gòu) 在車(chē)載自組網(wǎng)中 ,可以采用 OSI 的七層協(xié)議模型來(lái)進(jìn)行研究，車(chē)載自組網(wǎng)的分層體系結(jié)構(gòu)在如圖 22 所示。在該體系結(jié)構(gòu)中，最重要的是物理層， MAC 層和路由層： 物理層負(fù)責(zé)詳細(xì)的電磁波信號(hào)的接受與發(fā)送， 編碼與解碼等。 屬性 場(chǎng)景 車(chē)載自組網(wǎng) 無(wú)線自組網(wǎng) 地理環(huán)境 嚴(yán)格限制 無(wú)限制 運(yùn)動(dòng)模式 有規(guī)律的運(yùn)動(dòng) 無(wú)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，隨機(jī)性大 延時(shí)要求 嚴(yán)格 一般 外圍設(shè)備 GPS 導(dǎo)航地圖 可能有 GPS，一般成本低 無(wú)線干擾 受高大建筑、交通狀況影響 360o通信，無(wú)干擾 應(yīng)用層 表示層 會(huì)話層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 鏈路控制層 MAC 層 物理層 常州工學(xué)院延陵學(xué)院 7 MAC 層主要負(fù)責(zé)媒體的功率控制、服務(wù)質(zhì)量、公平接入等問(wèn)題，主要用來(lái)解決檢測(cè)是否有沖突的發(fā)生與碰撞，隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題。常見(jiàn)的應(yīng)用廣泛的路由協(xié)議，包括 ， ， smac， tmac， zmac 等。 路由層主要包括的內(nèi)容：車(chē)載網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)是通過(guò)多跳來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的，路徑的查找、路徑的選擇是網(wǎng)絡(luò)層需要解決的問(wèn)題。 車(chē)載自組網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù) 無(wú)線接入技術(shù) 車(chē)載自組網(wǎng)中集成了移動(dòng)自組網(wǎng)的相關(guān)接入技術(shù)，例如 。 IEEE 。IEEE (又稱(chēng) WAVE， Wireless Access in the Vehicular Environment)無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) ,用于智能交通系統(tǒng) (ITS， Intelligent Transportation Systems)。 IEEE 是一個(gè)由 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充的通信協(xié)議 ,主要用于車(chē)載電子無(wú)線通信。它本質(zhì)上是 的擴(kuò)充延伸 ,符合智能交通系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用。應(yīng)用層面包括高速車(chē)輛之間以及車(chē)輛與 ITS 路邊基礎(chǔ)設(shè)施 ( 千兆赫頻段 )之間的數(shù)據(jù)交換。 IEEE 1609標(biāo)準(zhǔn)則基于 Ip 通信協(xié)議的上層應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。 GPS 定位技術(shù) 目前定位系統(tǒng)主要有以下幾種： 美國(guó)全球定位系統(tǒng) (GPS) 全球定位系統(tǒng) (Global Positioning System)是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它具有應(yīng)用廣、精度高、性能好的特點(diǎn) ,是到目前為止最為優(yōu)秀的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著硬件、軟件的不斷改進(jìn)與完善 ,全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域一直在不斷地開(kāi)拓 ,現(xiàn)在已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各種部門(mén) ,而且開(kāi)始不斷深入人們的生活之中。 俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng) 有 24 顆衛(wèi)星組成 ,精度在 10 米左右 ,軍民兩用 ,隨著地面設(shè)備的不斷發(fā)展 ,“格洛納斯”系統(tǒng)預(yù)測(cè)將在 2020 年成功建成。到那時(shí) ,它的導(dǎo)航和定位誤差范圍都將縮減為 1米左右 ,而以前的誤差是 5 米到 6米，就精確度來(lái)說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)將 會(huì)處于全球領(lǐng)先的地位。 歐洲的“伽利略”衛(wèi)星系統(tǒng) 將有 30 顆軌道衛(wèi)星組成“伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng) ,每顆衛(wèi)星的軌道高度約為 萬(wàn)公里 ,傾角為 56 度 ,分布在 3 個(gè)軌道面上 ,而且每個(gè)軌道面都會(huì)部署 9 顆工作星和另外 1 顆在軌備用星。從設(shè)計(jì)方向來(lái)看 ,GPS 的定位精度低于“伽利略”。假如說(shuō) GPS 可以找到街道 ,那么“伽利略”就能夠發(fā)現(xiàn)車(chē)庫(kù)門(mén)?！百だ浴笨梢詾榈孛娴氖褂糜脩?hù)提供 3種信號(hào) :加密且且需滿(mǎn)足更多要求的信號(hào)、加密且要交費(fèi)使用的信號(hào)、可以免費(fèi)使用的信號(hào)。它們的精度依次降低 ,但最高精度要比 GPS 還要精確 10 倍 ,而且即便 是免費(fèi)使用的信號(hào)它的精度也可以達(dá)到 6米。 常州工學(xué)院延陵學(xué)院 8 中國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“北斗” “北斗”由 30 顆非靜止軌道衛(wèi)星組成和 5 顆靜止軌道衛(wèi)星組成。它定位精度在 10米。預(yù)計(jì)大概在 2020 年左右。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)建成覆蓋全球的導(dǎo)航系統(tǒng)。 全球定位系統(tǒng) (Global Positioning System)的定位技術(shù)。它具有應(yīng)用廣、精度高、性能好的特點(diǎn)。如今，全球定位系統(tǒng)硬、軟件不斷的完善 ,功能不斷的改進(jìn)，它的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地增加 ,目前已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各種部門(mén) ,并開(kāi)始不斷的深入人們的日常生活。 車(chē)載自組網(wǎng)路由 協(xié)議 路由協(xié)議是車(chē)載自組網(wǎng)中最關(guān)鍵的組成部分，在很大程序上決定車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的整體性能。各種 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議可以被用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，例如 aodv[8]， dsdv， dsr協(xié)議等，但高速度變化的拓?fù)浜屯ㄐ欧秶沟脗鹘y(tǒng) Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中性能很差，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)載自組網(wǎng)的需要。車(chē)輛密度分布不均，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜瓦B通性不斷變化，所以一個(gè)好的路由協(xié)議設(shè)計(jì)必備容錯(cuò)性、實(shí)時(shí)性等。 車(chē)載自組網(wǎng)路由協(xié)議的分類(lèi) 路由協(xié)議是車(chē)載網(wǎng)中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其中節(jié)點(diǎn)高速的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)頻繁變化，所以路由技術(shù)已經(jīng)成為了 車(chē)載自組網(wǎng)推廣挑戰(zhàn)之一。目前車(chē)載自組網(wǎng)中用的經(jīng)典路由協(xié)議，可以分為三大類(lèi)：基于拓?fù)渎酚蓞f(xié)議（ TBR）基于地理位置路由協(xié)議（ PBR），基于地圖路由協(xié)議（ MBR） 。 車(chē)載自組網(wǎng)的路由協(xié)議的分類(lèi)如下： 圖 23 車(chē)載網(wǎng)路由協(xié)議的分類(lèi) 車(chē)載網(wǎng)路由協(xié)議的分類(lèi)基于地圖的路由GPCR基于位置的路由基于拓?fù)涞穆酚蒅SRGPSRAODVOLSR常州工學(xué)院延陵學(xué)院 9 基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議 先前的車(chē)載自組網(wǎng)的路由協(xié)議大部分都來(lái)自于傳統(tǒng)的移動(dòng)自組網(wǎng)，通過(guò)周期性的互動(dòng)在節(jié)點(diǎn)之間傳遞信息，得到全網(wǎng)的范圍或者局部范圍內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)的路由。這類(lèi)協(xié)議，按照路由發(fā)現(xiàn)的方式可以分為先應(yīng)式和反應(yīng)式路由協(xié)議。 表 反應(yīng)式路由協(xié)議與先驗(yàn)式路由協(xié)議 的對(duì)比研究 比較內(nèi)容 反應(yīng)式路由協(xié)議 先驗(yàn)式路由協(xié)議 路由信息的獲取 有數(shù)時(shí)發(fā)送時(shí)獲取 始終得到全網(wǎng)范圍路由 獲得路由的等待時(shí)間 等待時(shí)間長(zhǎng) 先驗(yàn)式的建立 路由算法體系結(jié)構(gòu) 平面路由結(jié)構(gòu) 絕大多數(shù)是平面路由結(jié)構(gòu) 周期性路由更新 不需要 需要 控制信息的開(kāi)銷(xiāo) 隨著移婦產(chǎn)科節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)增強(qiáng)而增大 隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加而變大 其中 AODV［ 8］ 是反應(yīng)式路由協(xié)議的經(jīng)典，本文重點(diǎn)介紹 AODV 路由協(xié)議。 AODV 路由協(xié)議中是 DSR 和 DSDV 的綜合。有三種類(lèi)型的消息控制幀：路由請(qǐng)求RREQ(Route Request)、路由應(yīng)答 RREP（ Route Reply）和路由錯(cuò)誤 RERR(Route Error)消息。 中間節(jié)點(diǎn)不需維護(hù)路由，采用逐跳路由轉(zhuǎn)發(fā)分組，只有當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程尋找路由。源節(jié)點(diǎn)廣播 RREQ 消息到附近節(jié)點(diǎn)，附近節(jié)點(diǎn)再轉(zhuǎn)發(fā)給它的鄰居節(jié)點(diǎn)，知道到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。中間節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求消息的同時(shí)記錄下轉(zhuǎn)發(fā)給它的鄰近節(jié)點(diǎn)，建立反向路由。如圖 24 所示。 圖 24 建立反向路徑示意圖 假設(shè) A 要向 G 發(fā)送數(shù)據(jù)， A 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)路由請(qǐng)求包 RREQ 廣播給所有鄰居節(jié)點(diǎn)，如上圖所示 。如果 B 接收到來(lái)自 A 的 RREQ，會(huì)建立到 A 的逆向路由，此時(shí) B 并沒(méi)有到 G的路由，所以繼續(xù)廣播給它的鄰近節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)均會(huì)轉(zhuǎn)發(fā) RREQ，直到自身有道 G 的常州工學(xué)院延陵學(xué)院 10 有效路由。如圖 25 所示。 圖 25 F接收 RREQ并創(chuàng)建逆向路由 RREQ 到達(dá) F 后， F 發(fā)現(xiàn)到 G 的一條路由，且其序號(hào)不小于 RREQ 中的序列號(hào)，則構(gòu)造一個(gè)路由響應(yīng)包 RREP 并沿逆向路由發(fā)送給 A。至此路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程完成， A 可沿著發(fā)現(xiàn)的該條路由發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖 26 所示 。 圖 26 數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)程 基于地理位置路由協(xié)議 基于地 理位置路由協(xié)議使用鄰居節(jié)點(diǎn)和目的地點(diǎn)位置的信息來(lái)進(jìn)行路由選擇，GPSR［ 12］ 是最經(jīng)典的地理位置的路由協(xié)議，它是沒(méi)有狀態(tài)的，并且只用于維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)間的信息。下一跳節(jié)點(diǎn)的位置信息由鄰居節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置信息來(lái)決定。把目的節(jié)點(diǎn)的位置寫(xiě)進(jìn)數(shù)據(jù)包的包頭，并使用貪婪轉(zhuǎn)發(fā) [9]來(lái)選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最靠近的鄰居節(jié)點(diǎn)。但是如果鄰居節(jié)點(diǎn)表之中沒(méi)有比自己更為接近目的節(jié)點(diǎn)的鄰居，那么貪心算法將失效，周邊的轉(zhuǎn)發(fā)模式將根據(jù)右手規(guī)則啟東。如果找到比失效節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)更常州工學(xué)院延陵學(xué)院 11 為近的節(jié)點(diǎn)時(shí)的時(shí)候，再切換回貪婪轉(zhuǎn)發(fā)的模式。如圖 27 所示。 圖 27 GPSR工作流程 GPSR 有二種控制包類(lèi)