IEEE 802.11p车载自组网协议研究

董敏娥，刘龙伟

（1.陕西交通职业技术学院 陕西 西安 710018；2.西安电子科技大学 陕西 西安 710071）

IEEE 802.11p车载自组网协议研究

董敏娥1，刘龙伟2

（1.陕西交通职业技术学院 陕西 西安 710018；2.西安电子科技大学 陕西 西安 710071）

针对增强分布式信道访问（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）机制所存在的问题，采用WAVE架构的VANET进行了分层研究，通过对IEEE 802.11p协议在车载无线通信环境下的性能和VANET在不同参数（节点数目，车辆间隔，车辆速度）的场景下进行仿真试验，分析其吞吐量和平均时延，得出网络拓扑结构是对IEEE 802.11p的性能影响最大的因素。该研究对IEEE 802.11p协议的实际应用具有一定的参考价值。

车载自组网；IEEE 802.11p协议；OFDM；仿真

车载自组织网络（Vehicular Ad hoc Networks，VANET）中存在大量的介质访问控制问题，例如半双工操作，时变信道，相比有线网络存在较高的误码率，载波侦听的位置依赖性会导致隐藏和暴露终端的问题，并会影响分组捕获机会等[1]。IEEE 802.11p对于车载自组织网络（VANET）的应用与部署起着非常重要的作用，为此，本文对IEEE 802.11p协议性能进行研究。

1 IEEE 802.11p的OFDM技术

IEEE802.11p所采用的多载波调制技术为正交频分复用技术（OFDM），目的是避免相邻信道之间数据传输的干扰，并有效利用带宽。OFDM技术的优越性在无线通信领域已经越来越明显，它能能够应对信道的突发性变化，快速与之相适应，尤其对于车载无线通信中数据传输速率较高、城区建筑物密集等特点，OFDM都发挥了重要作用，并取得预期的效果。具体落实车载无线网络协议的仿真时，需要在NS-2的MAC层增加一个新的类 class OFDMphy{}，用于模拟实现正交频分复用技术[2]。

在OFDMphy.cc文件中通过成员函数设定传输频率、调制方式、发射功率、计算最大数据包的大小、传输一个OFDMsymbol所需要的时间等大数据包的大小、传输一个OFDMsymbol所需要的时间等，主要函数及其功能如表1所示。

表1 OFDMphy.cc中计算函数

2 IEEE802.11p协议研究

在实际公路场景对进行车载自组织网络（VANET）的应用与部署进行试验是非常困难的，并且需要大量的投入。因此，大多数的车载无线通信领域的研究是在仿真环境下进行的[3]。

VANET的仿真由两部分组成：交通场景仿真和网络仿真。交通场景仿真使用VanetMobiSim生成trace文件，为网络仿真提供近似真实的车辆移动的数据。确定每个车辆节点近似现实的位置的trace文件被提供给网络仿真软件用于网络仿真[4]。网络仿真软件则负责实现了VANET的各个层的协议，通过编写脚本文件，使用仿真产生的trace的信息来分析和评估IEEE 802.11p标准的性能。

2.1 802.11p协议性能仿真

在仿真过程中设置了在相同参数条件下，分别对IEEE 802.11p和IEEE 802.11a的吞吐量，平均时延两个指标进行比较[5]。

2.1.1 仿真场景设置

仿真环境使用ns-allinone-2.34版本[6]，运行在基于Linux内核的Ubuntu 12.04系统上，采用 Otcl语言编写脚本程序，其意义在于布置网络环境，其中包括硬件参数的配置，网络拓扑结构的定义，以及节点移动事件和节点之间链路传输事件等[7-8]。表2是仿真参数配置及网络拓扑。

设置一条双车道的高速公路场景，两个车辆作相反方向的运动，从公路中点出发，都向对方发送数据帧。

图1 IEEE 802.11p和IEEE 802.11a性能对比场景示意图

表2 仿真参数配置及网络拓扑

图 2为根据仿真数据使用 gnuplot绘制的吞吐量（Thoughout）曲线，图3为平均时延（Average Delay）的曲线。

图2 吞吐量对比图

图3 平均时延对比图

2.1.2 仿真结果分析

由于发射结点速率的增加，并且在相同的传播模型下（Nakagami模型），IEEE 802.11p协议可以获得比较大的数据吞吐量，特别是在车辆速度低于80km/h的时候。对两个协议仿真得到的平均时延数据进行分析，可以证明802.11p协议是健壮的，同时证明了IEEE 802.11p协议标准中，可以获得较低的传输时延，比IEEE 802.11a协议的时延低将近三倍。

根据以上结果表明，在NS-2.34仿真中，IEEE 802.11p的实现是有效的，在接下来进行的仿真实验中，对车载自组织网络的性能在不同的场景下进行测试，对其性能用吞吐量和平均时延两个标准进行衡量。模拟结果分析，协议IEEE 802.11p与协议IEEE 802.11a相比，在数据包吞吐量，数据包平均点到点延迟时间以及第一个封包送到时间方面都有显著的优势[9]，能够提升高速移动的车载环境的安全性。

2.2 IEEE 802.11p在公路场景下的性能仿真

由以上IEEE 802.11a和IEEE 802.11p协议在车载无线通信环境下的性能对比仿真结果分析得知，IEEE 802.11p比IEEE 802.11a更适用于车载无线通信环境，在高速移动的环境下拥有更为优越的性能[10]。在接下来的仿真试验中，将对VANET的WAVE结构在不同的场景下进行仿真，选取车辆节点个数 （number of nodes），车辆节点的平均速度（average speeds），车辆节点间的平均距离（nodes average distance）作为场景的参数，选取吞吐量和平均时延作为衡量VANET性能的指标[11]。

2.2.1 仿真场景设置

设置一条双车道的高速公路场景，设置不同的车辆节点数目和不同的车辆速度和车辆间距[12]。表3是仿真的参数设置，一共可以组合成27种不同的场景。

仿真实验是基于TCP传输进行的，由设在道路前后两端的两个节点来进行通信。图4展示出了场景的整体布置。

2.2.2 车辆间距不同仿真

设定不同车辆节点的距离（10 m，30 m and 50 m）的情况下，如果车辆节点的平均速度增加（70 km/h，90 km/h and 110 km/h），会影响车载自组织网络（VANET）的数据吞吐量。图5展示出了数据吞吐量在不同的车速下的变化趋势。（n表示节点的数目，d表示车辆节点之间的距离）。

表3 仿真参数设置

图4 仿真环境设置

仿真结果表明，在独立虚拟信道 （Independent Virtual Channel，IVC）[13]的传输中，当车辆节点平均速度保持相对不变时，数据吞吐量是几乎保持常数。然而，车辆节点距离对数据吞吐量的影响是成反比的。因此可得出，在这种情况下，IEEE 802.11p标准对高速移动的公路场景下的数据传输的适用性很好，汽车可以高速运行，根据所采用的速度生成通信模块，来保证数据吞吐量。

图5 吞吐量对比图

对于城市场景下的传输，其中车辆节点平均距离和平均速度是不断变化的，IEEE 802.11p标准建议建立固定的基础设施，应用RVC传输，在大多数情况下，保持数据传输稳定[14]。

再分析在该条件下分析数据包传输的平均时延。结果表示如图6所示，其中n是车辆节点数目，d为车辆平均间的距离。

仿真结果表明，在速度超过90 km/h情况下，出现一些异常值，结果表明，在大多数的情况下，数据延迟较为稳定的，同时，该实验结果证明了IEEE 802.11p能很好的适用于高速车载无线传输环境。

图6 平均时延对比图

2.2.3 改变车辆数目和车辆距离仿真

在本实验中，车辆节点的平均速率为固定在70 km/h，通过改变车辆节点的数量和平均距离，进行仿真。结果如图7，n是节点的数量[15]。

图7 吞吐量对比图

仿真结果分析：固定车辆节点的平均速率，当改变车辆间的平均距离，在车辆节点以恒定速度行驶的情况下，数据吞吐量的主要影响因素是由网络拓扑结构（网络密度）。在此种情况下，分布于道路两端的两个传输节点，当它们中间有30个车辆节点时，只能获得两个节点直接传输的5%左右的数据吞吐量。如图5所示。

最后，为了验证网络拓扑的变化对VANET性能的影响，仿真中设定车辆节点的速度为90 km/h，改变车辆节点的数目和车辆节点之间的平均距离，观察仿真中数据包的平均时延，如图8所示，其中n是车辆节点的数量。

仿真结果表明，在相同的车辆速度下，改变网络的拓扑结构（车辆密度）会也会导致明显的数据包接收延迟。

3 结论

本文通过设计了两组实验：对比IEEE 802.11a和IEEE 802.11p在相同公路场景下的性能，和研究影响 IEEE 802.11p性能的因素，得出IEEE 802.11p协议更适合于高速车载无线通信环境，对IEEE 802.11p性能影响最大的因素是网络拓扑结构的变化（车辆节点密度），对IEEE 802.11p协议的实际应用具有一定的参考价值。

图8 平均时延对比图

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Research on 802.11p IEEE vehicle ad hoc network protocol

DONG Min-e1，LIU Long-wei2
（1.Shaanxi College of Communication Technology，Xi’an 710018，China；2.Xidian University，Xi’an 710071，China）

For the problems of enhanced distributed channel access，we study VANET using WAVE architecture.The IEEE 802.11p protocol in-vehicle wireless communication environment and VANET in different scenarios（number of nodes，vehicle spacing，and vehicle speed）were simulated，the throughput and average delay was analyzed.It is concluded that the network topology is the largest impact on the performance of IEEE 802.11 p.The study has certain reference value for the practical application of IEEE 802.11p protocol.

vehicular Ad Hoc network；IEEE 802.11p；OFDM；simulation

TN919.1

A

1674－6236（2016）15-0105-04

2015-11-10 稿件编号：201511096

陕西省教育厅自然科学类专项科研计划项目（2013JK0966）

董敏娥（1981—），女，陕西咸阳人，硕士研究生，副教授。研究方向：交通信息工程及控制、车载移动自组网。