基于OMNET++的VANET无线链路性能仿真

熊 飚， 朱桌尔

0 引言

车载自组网(VANET , Vehicle Ad Hoc Network)是应用于道路交通的一种特殊的无线自组网，旨在实现车辆之间(V2V,Vehicle to Vehicle)，车辆与路边节点之间（V2I, Vehicle to Infrastructure）能够通过多跳的方式实现互联通信[1-2]。一方面，车辆间的通信如同人与人之间的相互交流，能够提高道路交通的安全性与高效性；另一方面，车辆与路边节点之间通信，旨在实现将VANET网络方便、快速地接入现有固定或者移动通信网络，以提供更丰富的娱乐、远程协助及车内办公等服务，极大地提高了用户出行的舒适性及方便性。

目前，世界各国都在积极开展关于VANET的研究，如6家欧洲汽车制造商合作展开的C2C-CC[3]，其基于无线局域网WLAN技术，致力于为VANET建立一个公开的欧洲标准，以保障欧洲范围内不同制造商的车辆能正常通信。同时，IEEE标准会议提出了专门用于车辆间通信的802.11p标准以实现车辆间、车辆与路边节点间等这样的通信[4]。该协议是在分析VANET网络独特特性，如车辆节点的双高速移动，车辆运行轨迹的可预见性等的基础上，对现有的802.11协议的改进，还需要进行更深入的研究与设计，而这些都需要首先对其无线链路质量进行准确的评估。

VANET网络由于其双移动节点，导致其多普勒效应不同于传统的但移动节点的无线蜂窝网络，文献[5-6]表明无线电波在移动-移动节点链路间的传播特性不同于传统的移动-固定节点间链路。麻省理工学院和卡耐基·梅隆大学的合作项目专门对在802.11b协议下的信道链路质量进行了研究，指出多普勒效应是在某些特殊范围内高丢包率的主要原因，并更深一步讨论了和MAC层的联系与路由协议设计[7]。

现提出 1种以物理层模型（无线信道传播模型、节点移动模型及运行环境模型等）为基础，通过 OMNET++来仿真VANET网络无线链路丢包率(PLR， Packet Level Ratio)的方法。

1 仿真原理

OMNET++是一款面向对象的离散事件网络仿真工具[8]，用C++编程，支持OSI七层网络结构，与NS-2[9]、OPNET[10]等流行网络仿真软件相比较，OMNET++能运行于多个操作系统平台，可自主定义网络拓扑结构，支持仿真节点的移动性。这里利用OMNET++的这些特性，通过该软件仿真VANET网络无线链路丢包率，图 1给出仿真节点配置框。应用层模块控制节点数据包的发送；网络层负责路由功能的实现；MAC层模块主要负责各种通信协议；物理层模块的功能包括：车辆运行场景模拟、车速控制等功能，是所提方法的重点，图2给出了其详细的结构。其中节点移动模块控制节点的移动，包括速度及方向；计算接收信号功率模块由现有的无线信道传播模型设置；判决模块主要依据信噪比。

图1 节点配置框

图 2 节点配置物理层模块

2 仿真模型建立及仿真结果分析

这里仿真典型城区环境下VANET网络中双移动节点间链路丢包率，涉及2个节点，1个作为发送节点；1个作为接收节点，初始位置固定，做同向匀速直线运动，速度设为54 km/h，应用层每秒发送100个UDP，链路层采用802.11b协议。采用符合高斯随机过程背景噪声，同时依据文献[11]中介绍的综合信道模型作为计算接收信号功率的依据。给出节点间距离分别为20 m，30 m，40 m时链路层丢包率的概率密度函数(PDF, Probability Density Function)及累计概率分布(CDF, Cumulative Distribution Function)的仿真结果。

图3和图4分别给出了不同节点距离时PLR的PDF与CDF仿真结果。分析可知，PLR随着双移动节点之间的距离增大而增大，其中当车辆间距离为 20 m时，PLR取值[0,0.122]，而当车辆间距离为40 m时，PLR取值[0, 0.59199]。这也表明，在VANET网络中，车辆间通信质量和车辆之间的距离有关系。

图3 不同节点距离时PLR的PDF结果

图4 不同节点距离时PLR的CDF结果

3 结语

VANET网络在道路交通中的应用能够提高道路交通的有效性及高效性，同时能够满足旅客出行要求的舒适性，具有很高的商业应用前景，而关于VANET网络技术的研究也吸引了越来越多的研究机构，成为近15年研究的热门课题。这里提出1种以无线传播信道模型为基础，仿真VANET网路无线链路丢包率的方法，并仿真了典型城区环境下VANET网络中双移动节点间无线链路的丢包率。一方面，通过该方法可以分析车辆运行场景对VANET网路无线链路质量的影响；另一方面，依据对VANET网络现实场景的分析，可以配置仿真实际场景下VANET网路无线链路丢包率，对VANET网路无线信道的网络体系设计及各层协议的研究有很高的借鉴意义。

[1]WILLKE T L, TIENTRAKOOL P, MAXEMCHUK N F. A Survey of Inter-Vehicle Communication Protocols and Their Applications[J].IEEE Cumunications Surveys and Tutorials,2009,11(02): 3-20.

[2]NZOUONTA J, RAJQURE N, WANG G. VANET Routing on City Roads Using Real-Time Vehicle Traffic Information[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology In Vehicular Technolory,2009,58(07):3609-3626.

[3]C2C-CC Manifesto. Car-to-Car Communications Consortium Manifesto[EB/0L].(2007-08-28)[2011-7-23].http://www.Car-to-car.org/index.php?id=3.

[4]闫跃龙. IEEE成员美国聚会标准字母游戏错乱交织——直击美国波特兰 IEEE802标准组高层聚会[J]. 通信世界, 2004,116(08):52-53.

[5]张燕，王玉皞. 三维开阔区车辆间通信的无线信道模型[J]. 通信技术，2009，42(09):29-31.

[6]熊飚, 张小桥. VANET网络中小尺度衰落信道仿真[J]. 通信技术，2010, 43(12)：56-58.

[7]AGUAYO D, BICKET J, BISWAS S. Link-level Measurements from an 802.11b Mesh Network[C]. USA:ACM. 2004:5-9.

[8]User Manual.OMNET++Use Guidel[EB/0L].(2010-06-07) [2011-07-23].http://wenku.baidu.com/view/b1f5e3d233d4b14e85246878.html/.

[9]Wang Jianping.NS-2 Tutorial(1)[EB/0L].(2004-09-10)[2011-07-23].http://www.isi.edu/nsnam/ns/.

[10]Jarmo Prokkola. OPNET User Manual[EB/0L]. (2006-04-19)[2011-07-23]. http://cn.opnet.com/solutions/.

[11]WANG Yuhao, ZHANG Yan. An Integrated Propagation Model for VANET in Urban Scenario[C]. USA:ACM, 2010:6-9.