车辆自组网络路由协议分析与仿真毕业设计(编辑修改稿)

车辆自组网络路由协议分析与仿真毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

车载网路由协议进行了分类，其中重点介绍了基于拓扑的 AODV协议与地理位置的 GPSR 路由协议。 第三章 介绍了 NS2 模拟与仿真工具，网络仿真的方法和一般过程， NS2 的节点模型， NS2 移动节点的创建， NS2 下无线传输能量模型，以及如何添加 GPSR 算法在 NS2下。 第四章 介绍了基于车载网 GPSR 的改进算法。 针对车载网 GPRS 算法的不足，对算 法进行了设计和改进，并添加然后在 NS2 下。 第五章 进行模拟实验，对传统的 Ad hoc 路由协议 AODV 算法和 GPSR 的算法分别进行了仿真对比，并对仿真结果进行了详细的分析。 针对 GPSR 算法的不足，提出了改进算法，并在 NS2 下进行了 GPSR 算法与 GPSR 改进算法对比。 最后 总结与展望，首先对本文的主要工作进行总结，然后对本文工作需要改进之处和未来发展方向进行了阐述。 常州工学院延陵学院 4 第二章 车载自组网现状 车载自组网 VANET 是指道路上车辆与车辆间，车辆与路边的固定接入点之间通过相互 通信共同组成的一种开放移动的 Ad Hoc 网络，它是一个结构开放的、自组织的车辆间通信网络，在智能交通系统 ITS （ Intelligent Transportation System）中起着很重要的作用。 而且由于 VANET 在路况监测、交通管理、反映道路当前状态、交通安全、车辆跟踪的导航等方面都起着很重要的作用，所以近年来形成了无线自组网络新研究的热潮，比如阿尔及利亚科学与技术信息研究中心的车辆防碰撞系统奔驰公司的车辆免事故系统 Thinking Partner、加州大学的城市交通监视系统 MobEyes 、弗罗斯 特堡州立大学的车辆防盗 SVATS，等等。 车载自组网概述 车载自组网的特点 移动自组网没有预先指定拓扑结构的无线网络 ,节点可以自由移动 ,网络中的拓扑结构随时间不断改变。 网络中每一个节点既是一个终端系统，也可以充当路由器节点 ,节点与节点间分享着通信的资源 ,组成了多跳中继的网络结构来传送数据信息。 车载自组网它是移动自组网所派生发展出的一个新的分支。 移动自组网中车辆本身以及周围环境有以下四方面的特点 :活动场景、移动模型、运动属性和节点特性。 图 21 车载自组网体系结构 常州工学院延陵学院 5 活动场 景 车载自组网中，可以布置在一个实际的地图上。 地图上有地图上有街道 ,有公路 ,有银行 ,高速公路 ,有行人，有十字路口 ,还有交通灯 ,这些都会使车辆的自由移动受到极大的限制。 原来移动自组网的节点的运动模型对于车载自组网来说，其中的一些特点已经不再适合 ,这时候，创建一个新的移动节点模型是很有必要的。 从另一个方面来讲 ,高大的建筑物会造成无线信号的阻挡最终会导致车载之间的连通中断。 移动模型 公路和街道这些都是固定的，所以车辆必须在这些先前指定的路径上运动。 它的特点是车辆不可以像移动自组网中的节点一样能够自由移动，而 是必须在指定的路径上进行有方向有目的的运行。 例如在十字路交叉路口或交通道路收费站处，车辆拥塞可能大量存在，而在某些路段行人车辆稀少，车辆很可能少甚至网络不连通。 在车辆密集的场合，无线接入的冲突增加，由此会带来一些冲突避免。 而在车辆稀疏的声所 , 网络可能频繁断裂 ,这样随机的连通性也会使一般的路由协议产生性能的降低，或者不适用。 运动属性 相对无线移动自组网而言，车辆移动的速度很快，因此两车的持续通信时间很短，路由维护将会变得非常困难。 由于车辆的高速移动，会导致不断的变化拓扑结构 ,假设两辆车以 20m/s 的速 度向相反的方向运动 ,并且无线通信的固定传输半径一直是 200m，那么二辆车辆之间链路之间的最长持续的时间是 5 秒。 超过 5 秒后，车辆之间的通信会断开。 节点特性 车辆都能装备一定的通信设备，能支持高速移动下的通信。 比一些设备比如 GPS全球定位系统来获取节点自身当前的地理位置信息和运动速度、运动轨迹。 由于汽车的能量不再受到像传统 Ad hoc 移动网络中的能量限制，因此，可以不像 MANET 中需要考虑车载网中能量的问题，相对于 Ad hoc 移动网络，车载网存储计算能量比较强大。 前三个特点，使得车载网与移动自组网有较大 的差异，因此设计一种有效支持实时的车载路由协议是一个严峻的问题。 第四个特性使得车载网带来了前所没有的机会，世界各地学者企业界越来越关注车载网，车载网络具有广阔的前景。 常州工学院延陵学院 6 表 车载自组网的体系结构 车载自组网的分层体系结构在图 所示。 图 22 车载自组网的分层体系结构 在车载自组网中 ,可以采用 OSI 的七层协议模型来进行研究，车载自组网的分层体系结构在如图 22 所示。 在该体系结构中，最重要的是物理层， MAC 层和路由层： 物理层负责详细的电磁波信号的接受与发送， 编码与解码等。 属性 场景 车载自组网 无线自组网 地理环境 严格限制 无限制 运动模式 有规律的运动 无规律的运动，随机性大 延时要求 严格 一般 外围设备 GPS 导航地图 可能有 GPS，一般成本低 无线干扰 受高大建筑、交通状况影响 360o通信，无干扰 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路控制层 MAC 层 物理层 常州工学院延陵学院 7 MAC 层主要负责媒体的功率控制、服务质量、公平接入等问题，主要用来解决检测是否有冲突的发生与碰撞，隐藏终端和暴露终端的问题。 常见的应用广泛的路由协议，包括 ， ， smac， tmac， zmac 等。 路由层主要包括的内容：车载网中的节点是通过多跳来传输数据的，路径的查找、路径的选择是网络层需要解决的问题。 车载自组网中的关键技术 无线接入技术 车载自组网中集成了移动自组网的相关接入技术，例如。 IEEE。 IEEE (又称 WAVE， Wireless Access in the Vehicular Environment)无线局域网标准 ,用于智能交通系统 (ITS， Intelligent Transportation Systems)。 IEEE 是一个由 IEEE 标准扩充的通信协议 ,主要用于车载电子无线通信。 它本质上是 的扩充延伸 ,符合智能交通系统的相关应用。 应用层面包括高速车辆之间以及车辆与 ITS 路边基础设施 ( 千兆赫频段 )之间的数据交换。 IEEE 1609标准则基于 Ip 通信协议的上层应用标准。 GPS 定位技术 目前定位系统主要有以下几种： 美国全球定位系统 (GPS) 全球定位系统 (Global Positioning System)是美国第二代卫星导航系统。 它具有应用广、精度高、性能好的特点 ,是到目前为止最为优秀的定位导航系统。 随着硬件、软件的不断改进与完善 ,全球定位系统的应用领域一直在不断地开拓 ,现在已应用到国民经济的各种部门 ,而且开始不断深入人们的生活之中。 俄罗斯“格洛纳斯”系统 有 24 颗卫星组成 ,精度在 10 米左右 ,军民两用 ,随着地面设备的不断发展 ,“格洛纳斯”系统预测将在 2020 年成功建成。 到那时 ,它的导航和定位误差范围都将缩减为 1米左右 ,而以前的误差是 5 米到 6米，就精确度来说这个系统将 会处于全球领先的地位。 欧洲的“伽利略”卫星系统 将有 30 颗轨道卫星组成“伽利略”卫星定位系统 ,每颗卫星的轨道高度约为 万公里 ,倾角为 56 度 ,分布在 3 个轨道面上 ,而且每个轨道面都会部署 9 颗工作星和另外 1 颗在轨备用星。 从设计方向来看 ,GPS 的定位精度低于“伽利略”。 假如说 GPS 可以找到街道 ,那么“伽利略”就能够发现车库门。 “伽利略”可以为地面的使用用户提供 3种信号 :加密且且需满足更多要求的信号、加密且要交费使用的信号、可以免费使用的信号。 它们的精度依次降低 ,但最高精度要比 GPS 还要精确 10 倍 ,而且即便 是免费使用的信号它的精度也可以达到 6米。 常州工学院延陵学院 8 中国的卫星导航系统“北斗” “北斗”由 30 颗非静止轨道卫星组成和 5 颗静止轨道卫星组成。 它定位精度在 10米。 预计大概在 2020 年左右。 北斗卫星导航系统将会建成覆盖全球的导航系统。 全球定位系统 (Global Positioning System)的定位技术。 它具有应用广、精度高、性能好的特点。 如今，全球定位系统硬、软件不断的完善 ,功能不断的改进，它的应用领域也在不断地增加 ,目前已应用到国民经济的各种部门 ,并开始不断的深入人们的日常生活。 车载自组网路由 协议 路由协议是车载自组网中最关键的组成部分，在很大程序上决定车载网络的整体性能。 各种 Ad hoc 网络中的路由协议可以被用于车载网络，例如 aodv[8]， dsdv， dsr协议等，但高速度变化的拓扑和通信范围使得传统 Ad hoc 网络中性能很差，无法满足车载自组网的需要。 车辆密度分布不均，导致网络的拓扑和连通性不断变化，所以一个好的路由协议设计必备容错性、实时性等。 车载自组网路由协议的分类 路由协议是车载网中不可缺少的一个重要环节，其中节点高速的移动会导致网络拓扑的结构频繁变化，所以路由技术已经成为了 车载自组网推广挑战之一。 目前车载自组网中用的经典路由协议，可以分为三大类：基于拓扑路由协议（ TBR）基于地理位置路由协议（ PBR），基于地图路由协议（ MBR）。 车载自组网的路由协议的分类如下： 图 23 车载网路由协议的分类 车载网路由协议的分类基于地图的路由GPCR基于位置的路由基于拓扑的路由GSRGPSRAODVOLSR常州工学院延陵学院 9 基于拓扑的路由协议 先前的车载自组网的路由协议大部分都来自于传统的移动自组网，通过周期性的互动在节点之间传递信息，得到全网的范围或者局部范围内其它节点的路由。 这类协议，按照路由发现的方式可以分为先应式和反应式路由协议。 表 反应式路由协议与先验式路由协议 的对比研究 比较内容 反应式路由协议 先验式路由协议 路由信息的获取 有数时发送时获取 始终得到全网范围路由 获得路由的等待时间 等待时间长 先验式的建立 路由算法体系结构 平面路由结构 绝大多数是平面路由结构 周期性路由更新 不需要 需要 控制信息的开销 随着移妇产科节点的移动增强而增大 随着网络规模的增加而变大 其中 AODV［ 8］ 是反应式路由协议的经典，本文重点介绍 AODV 路由协议。 AODV 路由协议中是 DSR 和 DSDV 的综合。 有三种类型的消息控制帧：路由请求RREQ(Route Request)、路由应答 RREP（ Route Reply）和路由错误 RERR(Route Error)消息。 中间节点不需维护路由，采用逐跳路由转发分组，只有当源节点需要发送数据时才启动路由发现过程寻找路由。 源节点广播 RREQ 消息到附近节点，附近节点再转发给它的邻居节点，知道到达目的节点。 中间节点在转发请求消息的同时记录下转发给它的邻近节点，建立反向路由。 如图 24 所示。 图 24 建立反向路径示意图 假设 A 要向 G 发送数据， A 会创建一个路由请求包 RREQ 广播给所有邻居节点，如上图所示。 如果 B 接收到来自 A 的 RREQ，会建立到 A 的逆向路由，此时 B 并没有到 G的路由，所以继续广播给它的邻近节点。 所有节点均会转发 RREQ，直到自身有道 G 的常州工学院延陵学院 10 有效路由。 如图 25 所示。 图 25 F接收 RREQ并创建逆向路由 RREQ 到达 F 后， F 发现到 G 的一条路由，且其序号不小于 RREQ 中的序列号，则构造一个路由响应包 RREP 并沿逆向路由发送给 A。 至此路由发现过程完成， A 可沿着发现的该条路由发送数据。 如图 26 所示。 图 26 数据包发送过程 基于地理位置路由协议 基于地 理位置路由协议使用邻居节点和目的地点位置的信息来进行路由选择，GPSR［ 12］ 是最经典的地理位置的路由协议，它是没有状态的，并且只用于维护邻居节点间的信息。 下一跳节点的位置信息由邻居节点和目的节点的位置信息来决定。 把目的节点的位置写进数据包的包头，并使用贪婪转发 [9]来选择距离目的节点最靠近的邻居节点。 但是如果邻居节点表之中没有比自己更为接近目的节点的邻居，那么贪心算法将失效，周边的转发模式将根据右手规则启东。 如果找到比失效节点距离目的节点更常州工学院延陵学院 11 为近的节点时的时候，再切换回贪婪转发的模式。 如图 27 所示。 图 27 GPSR工作流程 GPSR 有二种控制包类。