基于车队行进场景的MANET移动模型研究

卢　山，宋志群，贾　倩

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



基于车队行进场景的MANET移动模型研究

卢山，宋志群，贾倩

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要：针对特定场景研究移动Ad Hoc网络(MANET)是当前研究的重点，而移动模型是研究MANET的基础，因此如何选择或建立更贴近实际应用场景的移动模型成为了研究MANET的关键环节。通过对现有典型移动模型的研究和分析，提出了一种模拟车队行进场景的移动模型，并利用NS2软件在此移动模型基础上对MANET性能进行仿真与分析，仿真结果表明，与传统的移动模型相比，该模型能更好地贴近车队行进场景。

关键词：MANET；NS2；移动模型；实体移动模型

0引言

MANET具有灵活性强、覆盖范围大、系统容量高且有着高效自组织能力的特点[1]，可以适应各种复杂无线电环境，满足即使没有固定基础设施也能保证通信性能的要求，因此MANET具有诱人的潜在应用前景。MANET的核心为路由协议，而模拟仿真是研究MANET路由协议必不可少的手段[2]，且在模拟仿真过程中移动模型是影响路由协议性能的关键性因素，因此，建立更贴近实际场景的移动模型是研究MANET路由协议的基础。

在车队行进过程中，车载通信范围一般为两个梯队，当通信目的车辆超出电台的通信范围时需要经由其他车辆转发，为了达到该目的需要引入MANET，因此需要针对该场景建立合适的移动模型。在该场景下，各节点的移动趋势一致且队形呈线状分布，但是受地形、车辆状态等条件影响，各节点间距离会随着时间的改变而改变。

1移动模型研究

1.1　相关移动模型研究

移动模型是一种数学模型，用来描述网络中节点的移动模式，主要包含节点的移动位置、移动速率和移动方向。现有的移动模型可根据节点移动特性分为四类：完全随机的移动模型、具有时间相关性的移动模型、具有空间相关性的移动模型和具有地理环境相关性的移动模型[3，4]。

在现有移动模型中，随机路点(Random Waypoint,RWP)移动模型[5]和参考点组(Reference Point Group,RPG)移动模型[6]得到了广泛的应用。在随机路点移动模型中，节点的移动都是独立的，且移动状态会发生突变[7]，但在实际场景中，节点的移动状态和前一时刻有关，不会出现突变的情况，因此该模型与节点实际移动状态有较大的偏差。参考点组移动模型虽然考虑了节点的时间相关性和空间相关性[8]，但是不同组之间的节点移动模式仍然是不相关的，然而在车队行进场景下节点间的移动状态是紧密相关的，且呈一定队形的分布，因此上述移动模型均不能很好地描述该场景下节点的移动状态。

1.2　队列相对移动模型

在车队行进场景下，为了更好地贴近实际应用场景，需要提出有针对性的移动模型。针对车队行进场景中节点的移动特点，本文提出了一种新的移动模型：队列相对移动模型(Relative Column Mobility model,RCM)。

类似于参考点组移动模型，队列相对移动模型存在多个参考组，每个参考组有一个参考点和若干成员节点。参考组的移动趋势由参考点确定，成员节点的移动趋势和参考点保持一致，但在实现过程中，参考点的只起引导作用，没有实体节点。其数学模型建立过程如下：

(1)首先确定参考点初始位置。在初始位置时，各参考点均在一条直线上，假设第i组的参考点i的初始位置为Pi，则Pi可以表示为：

Pi=(i+1)·L±αi·(L/2)，

(1)

(2)在移动开始后，参考点首先在距离等间距位置横坐标为[-L/2,L/2]、纵坐标为[-l,l]的区域内选择目的位置，其中l代表参考点在纵向上的最大偏移量。随后在区间[v_min,v_max]中随机选择速率v，然后以速率v向目的位置移动，并在到达目的位置后从区间[t_min,t_max]中随机选择停顿一段时间。在完成停顿之后，参考点重新选择新的目标位置，重复上述步骤，直至仿真时间结束。

除此之外，在车队行进过程中可能会存在某个车辆因为故障或任务脱离车队的情况，为了模拟这种情况，在队列相对移动模型中，节点会以概率p快速脱离队列，此时离开的节点将不能和其余节点进行通信。

(2)

2实现与仿真

2.1　队列相对移动模型实现

在MANET仿真中，移动模型的使用都是以场景文件实现[9]。本文中队列相对移动模型场景文件生成软件是通过在Linux系统下使用GCC编译工具完成，且在该软件的设计过程中设置了如下参数：参考组数量、成员节点数量、参考点间距、节点与参考点最大距离、仿真空间、仿真时间、停顿时间和相对移动速率，以保证该移动模型的可扩展性。

本文移动模型的参数如表1所示。

表1　仿真场景参数值

在移动开始前，各参考点首先按照式(1)确定初始位置，然后各组成员节点可由式(2)确定该成员节点的位置。在此次仿真中，参考组数目为16，每组成员节点数量为1，则各成员节点初始位置如图1所示。

图1　队列相对移动模型初始场景

在确定初始位置后，各参考点开始按照该模型数学建模步骤2的方法选择自己的目的位置，并在确定目的位置后选择合适的速率向目的参考点开始移动。和初始位置不同的是，此时参考点在到达目的位置后，除横坐标的偏移量以外，纵坐标也有一定的偏移量。由此时的参考点的位置可以计算出对应成员节点的位置，如图2所示。

图2　队列相对移动模型移动后场景

当发生参考点脱离队列的情况时，成员节点会跟随参考点快速地移动到仿真区域边缘，此时该成员节点将不能和其他成员节点进行通信，如图3中成员节点5所示。

图3　队列相对移动模型节点脱离场景

2.2　队列相对移动模型分析与验证

移动模型的建立是为路由协议的仿真做好铺垫，因此，移动模型的分析与验证也需要建立在路由协议的仿真基础上。本节将按照表1参数生成50组队列相对移动模型和参考点组移动模型的场景样本，并在此基础上对按需距离矢量路由协议[10，11]进行仿真与分析，如图4、图5和图6所示，其中横坐标为业务数量，纵坐标分别为传输层平均时延、路由开销和包投递率[12，13]，其坐标值取50组样本的平均值。

图4　业务数量与传输　图5　业务数量与　图6　业务数量与　层平均时延关系　路由开销关系　投递率关系

如图4所示，在参考点组移动模型条件下，传输层平均时延均小于队列相对移动模型条件下的传输层平均时延，这是因为在队列相对移动模型中，节点呈线状分布，节点间的通信往往需要更多的路由跳数才能达到目的节点，因而导致了传输层平均时延较长。在车队行进的场景中，随着业务数量的增加，节点存在到达目的节点路由的可能性增加，因而减少了路由发现的时间，降低了传输层平均时延，由此验证了该模型业务数量与传输层平均时延曲线的正确性。

如图5所示，在参考点组移动模型条件下，路由开销均小于队列相对移动模型条件下的路由开销，这是因为在队列相对移动模型中，节点的邻居节点数量较少，在一定程度上降低了发现目的节点的概率，因而导致了路由开销较高。在车队行进的场景中，随着业务数量的增加，节点应有更大的概率存在到达某一节点的路由，因而减少了路由发现的次数，降低了路由开销，由此验证了该模型业务数量与路由开销曲线的正确性。

如图6所示，在参考点组移动模型条件下，投递率均大于队列相对移动模型条件下的投递率，这是因为在队列相对移动模型中，源节点与目的节点间的可选路由路径较少，一旦出现路由断开的情况则很难启动路由修复过程，因而导致了投递率较低。在车队行进的场景中，虽然业务数量增加，但由于相邻节点数目较少，在MAC层并没有出现大量的碰撞现象，因而投递率的变化并不明显，由此验证了该模型业务数量与投递率曲线的正确性。

2.3　仿真结果分析

综上可知，在队列相对移动模型下，路由性能随业务数量的变化曲线与车队行进场景中的实际情况相符，因此验证了该模型的正确性。在参考点组移动模型下，路由协议的各性能指标均优于在队列相对移动模型下的指标，这反映了不同移动模型条件下对路由协议性能影响很大，验证了针对不同场景建立不同移动模型的必要性。

3结束语

针对特定场景研究MANET是当前研究的重点，而研究特定场景的MANET离不开移动模型，因此针对特定场景建立移动模型是值得研究的问题。针对车队行进场景节点的移动特点进行建模，得到了一种新的移动模型，并验证了其正确性，为在类似固定队形移动的场景下移动模型的建立提供了参考。

参考文献

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[14]陈川.基于NS2的太湖蓝藻监控系统网络分析及评估[J].无线电工程，2014,44(9):8-11.

Study on MANET Mobility Model in Vehicle Group Scenario

LU Shan,SONG Zhi-qun,JIA Qian

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The mobile Ad Hoc networks (MANET) for a specific scene is the focus of current research.The mobility model is the foundation of MANET.Therefore how to select or develop a mobility model which is closer to the real scenarios becomes the key in MANET research.A new mobility model for a vehicle group is proposed and simulated with NS2 by studying and analyzing the existing typical mobility model.The simulation results show that the new mobility model can be closer to the real application scenarios compared withthe traditional mobility model.

Key words：MANET;NS2;mobility model;entity mobility model

作者简介：卢山(1989—)，男，在读研究生，主要研究方向：无线通信、路由协议。宋志群(1963—)，男，研究员，主要研究方向：无线通信。

基金项目：国家自然科学基金项目(61371068)

收稿日期：2015-09-15

中图分类号：TN911

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)01-09-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.02

引用格式：卢 山，宋志群，贾 倩.基于车队行进场景的MANET移动模型研究[J].无线电通信技术,2016,42(1):09-11，17.