高速公路环境下的路由协议仿真分析

余瑞，向郑涛

（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰442002）

车联网技术成为城市建设的重点研究方向，车载自组织网络（vehicular ad hoc network，VANET）实现了车与车（vehicle-to-vehicle，V2V）之间、车与基础设施（vehicle-to-infrastructure，V2I）之间的通信，达到了数据快速传输与数据转发的目的。与传统通信网络不同的是VANET 具有应用范围广、场景复杂多样的特点，应用场景一般为城市道路、高速公路和乡镇街道。高速公路上每辆车相当于1个移动的节点，节点快速移动造成拓扑结构变化剧烈，并且节点具有道路属性。VANET 技术为行驶车辆提供及时加速提醒、减速警告和公路不适宜性等信息，在智慧交通系统中应用越来越广泛［1］。对安全数据预告与分析，有助于降低车辆交通事故发生概率，提高道路安全性和交通运输水平。路由协议是VANET 中基本的组成部分，为了使车辆之间能够准确交换数据，需要寻找路由性能较为优良的路由协议。在VANET 路由协议中，基于拓扑的路由协议分为按需驱动路由协议和表驱动路由协议［2］。典型的按需路由协议是按需距离矢量路由协议（ad hoc on-demand distance vector，AODV）［3］；表驱动路由协议的代表是目的序列距离矢量路由协议（destination-sequenced distance vector routing，DSDV）［4］。AODV和DSDV路由协议具有收敛速度快、路由回复时间短、可扩展性好等特点，在VANET路由协议中运用较为广泛。大量研究人员根据不同实验场景，对VANET 系统中不同的路由协议进行了仿真分析，为寻找合适VANET 的路由协议作了很多努力。Saed 等［5］给出了AODV、DS⁃DV、DSR 等路由协议在随机路点模型和高速公路模型的仿真结果，即DSDV 吞吐量最低，时延也较低，AODV 在吞吐量和分组投递率方面比DSDV 性能要好。Mayada等［6］选择了3条网状城市街道，比较AODV、DSDV、DSR 协议的不同性能。任春江等［7］在单向三车道高速公路场景下，对先应式和反应式路由进行对比仿真，得出AODV 的分组投递率、吞吐量高于DSDV，DSDV平均端到端时延相比AODV低的结论。文中针对VANET特点并结合目前使用较多的高速公路场景，通过对比AODV 和DSDV路由协议在不同移动场景下的通信效果，从分组投递率、平均端到端时延以及吞吐量对路由协议性能进行评估。

1 VANET基本路由协议分析

1.1 AODV路由协议

AODV 协议分为路由发现阶段和路由维护阶段。路由发现阶段实现了路由寻路，源节点需要发送数据时，若路由表中没有到达目的节点的有效路由，源节点通过广播路由请求消息RREQ进行路由发现过程。当中间节点收到源节点发送的RREQ后，查询路由表判断自己是否为目的节点，如果是目的节点就更新路由表信息，向源节点回复RREP并建立路由连接；反之则通过检查路由表信息，确认是否有到达目的节点的有效路径。当存在有效路由时，中间节点沿反向路由向源节点传输RREP应答帧，然后将收到的RREQ报文传输给下一跳节点，直至找到目的节点，建立或更新正向和反向路径；如果不存在有效路由，中间节点将更改收到的RREQ消息，将其目的节点序列号更新至当前最大值并将跳数加1，继续向邻居节点广播修改后的RREQ 信息。其他节点同样按照上述机制进行路由寻路过程，当源节点收到RREP 报文时，说明可以通过建立好的双向路由进行数据传输。在进行路由发现过程中，目的节点的IP 地址是用于寻路的关键字段，为了避免路由环路问题，其目的节点的序列号也会根据路由协议进行更新。AODV 路由表主要字段如图1所示。

图1 AODV路由表主要字段

路由维护阶段解决了链路中断问题，前驱节点列表主要用于路由维护阶段。若路由中断，需通过路由维护阶段重新建立有效路由，启动本地修复机制是根据中断节点位置来确定。如果进行本地修复且路由修复失败，断链的上一跳节点IP 地址可以在前驱列表中找到，上游节点就会沿反向路径发送RERR消息，收到RERR消息的其他节点根据其内容删除路由表中相应表项，将无关的路径设置为无效路径。如果仍需要与目的节点通信，则发出新的路由请求，进入路由发现过程。

1.2 DSDV路由协议

DSDV 路由协议改进了Bellman-Ford 路由算法，解决了Bellman-Ford算法中存在的路由环路问题。在DSDV 协议中每个移动节点都维护1 个路由表，每个路由表包含目的节点、下一跳节点、到达每个目的节点的跳数和序列号等信息。DSDV 路由表主要字段图2所示。DSDV路由更新需要节点周期进行广播消息，在发送更新之前，节点进入等待状态，确保没有从其邻居节点收到更新消息，定期更新路由表有助于维护网络的拓扑信息［8］。目的节点的序列号可以用来区分已过期的路由和当前使用的路由，避免因使用过期的路由信息产生无效的路径。如果序列号与表中已有的序列号相同，则使用路径长度更短的路由作为优选路由；如果新记录的序列号比表中已有的序列号大时，则使用新的序列号大的路由。DSDV 协议可以利用节点序列号消除路由环路，解决无穷计数问题。

图2 DSDV路由表主要字段

2 网络仿真模拟器

不同应用环境下路由协议性能各不相同，网络协议的验证、测试以及设计需要先进高效的网络仿真模拟工具。Thmos R.Henderson教授及其小组研发了新型网络仿真模拟器——NS3［8］，NS3 是免费的开源离散事件网络模拟器，其网络构架包括模拟器内核和网络构件，支持很多开源软件，NS3 可以提供高性能的、与真实网络相近的网络仿真，为研究提供了准确灵活的技术支撑。

为了在VANET网络仿真中建立真实的车辆仿真模型，采用微观道路交通模拟工具（simulation of urban mobility，SUMO）来构建车辆在VANET 中的运动模式［9］。该模型通过设置一段时间内不同车辆的运动、速度和加速度等基本参数，实现车道类型更改、车辆跟驰、换道模型设置，具有开放的图形化界面，可观察到具体的仿真过程。

图3 SUMO和NS3仿真流程图

SUMO 和NS3 仿真流程图如图3 所示。根据VANET 仿真场景，在SUMO中可以对道路拓扑、车辆分布以及车辆状态进行配置。通过SUMO 仿真软件生成相应的路网文件和路径文件，并将最终的场景文件在交通控制接口的帮助下，实现NS3网络仿真器与SUMO 的互联。在NS3 中选择相应的模块，编写仿真脚本，对仿真结果进行分析和图像绘制。通过联合仿真可以更加清楚了解网络仿真对交通模式的影响，使仿真结果更加真实准确。

3 仿真验证及协议性能分析

3.1 性能评价指标

网络性能指标用来衡量网络性能的好坏。将AODV 和DSDV 路由协议在相同的模型和场景下进行比较，从以下路由协议性能指标进行分析：

1）分组投递率 指目地接收到的数据包与源产生的数据包的比率，其计算公式为

式中：P 为分组投递率；Nr为每个目的节点成功接收的数据包总数；Ns为所有节点发送的数据包总数。P描述网络传输的可靠性，P越大，说明传输过程中数据包传输成功率越高，链路稳定性较好。

2）平均端到端时延 指数据包在网络上从源传输到目的地所花费的时间，其计算公式为

式中：A为平均端到端时延；Δti为第i个数据包的延迟时间；n 为接收数据包总数。A 反映了数据传输的实时性，A越小，说明网络实时性越好。

3）吞吐量 指网络中单位时间内正确收到数据包的数量，其公式为

式中：Th为吞吐量；Rb为接收字节；T 为仿真时间。Th测量网络持续向目的地提供数据的能力，Th越大，说明实际传输的数据量越大，传输有效数据的能力越高。

3.2 仿真环境

文中使用Linux 操作系统，通过网络仿真器NS3.26 对AODV、DSDV 路由协议进行仿真分析。针对高速公路车辆行驶特点，利用SUMO生成节点移动场景，对运动文件中的车辆数量、车速等相关参数进行设置。采用周期边界环境，以保证仿真过程中道路上车辆密度不变，根据高速公路限速要求，设置SUMO仿真参数如表1所示。对于每种设置，仿真30 次并计算平均值，以减小随机性的影响。编译好场景文件后将其导入网络仿真器NS3中。NS3中的基本仿真环境参数设置如表2所示。

表1 SUMO仿真参数设置

表2 NS3仿真参数设置

3.3 仿真比较及结果分析

1）不同车辆数量下协议的性能 VANET 网络中，车辆数量影响节点的密度以及节点分布情况，也影响车辆之间通信质量以及路由协议性能。设置车速为100 km·h⁻¹，节点个数为40～120，其他参数参照表2 进行设置。不同车辆数量下，AODV和DSDV分组投递率、平均端到端时延和吞吐量变化见表3。随着车辆数量增加，AODV 和DSDV 路由协议分组投递率呈缓慢上升然后下降趋势。车辆数量小于100 辆时，AODV 的分组投递率高于DSDV 路由协议。车辆数量大于100 辆时，AODV和DSDV 分组投递率数值变化趋势基本相近。车辆数量为40～80辆时，平均端到端时延数值较为稳定；车辆数量在80 辆以上时，AODV 和DSDV 的平均端到端时延均呈现增加趋势，AODV路由协议的平均端到端时延增长幅度略大于DSDV 协议。整体来看，DSDV 比AODV 路由协议平均端到端时延要低。车辆数量变化对AODV 和DSDV 路由协议的吞吐量影响较小，随着车辆数量的增加，AODV和DSDV 路由协议整体的吞吐量变化趋势不大。在车辆数量相同情况下，AODV路由协议的吞吐量较高，DSDV的吞吐量较低。

2）不同车速下协议的性能 车速的变化是影响VANET中节点拓扑结构的主要因素之一。在高速公路环境中，车速较快，拓扑结构变化较为剧烈，路由性能随之改变。设置车辆数量为100辆，车速为60～120 km·h⁻¹，其他参数参照表2进行设置，分析不同车速对路由协议性能的影响。不同车速下AODV 和DSDV 路由协议分组投递率平均端到端时延和吞吐量变化如表4 所示。在高速公路环境中，随着车速的增加，分组投递率逐渐下降。车速一定时，AODV 路由协议的分组投递率略高于DS⁃DV。随着车速的增加，DSDV路由协议平均端到端时延较为稳定。车速为60～100 km·h⁻¹时，DSDV路由协议的平均端到端时延基本维持在10 ms以下，而AODV 路由协议的平均端到端时延先增大后减小；当车速超过100 km·h⁻¹时，AODV 的平均端到端时延增长速度明显大于DSDV 路由协议。车速小于100 km·h⁻¹时AODV和DSDV路由协议吞吐量呈下降趋势，车速为120 km·h⁻¹时吞吐量有较小幅度上升，车速相同的情况下DSDV协议在吞吐量方面比AODV协议效果差。

表3 车辆数量与分组投递率、平均端到端时延及吞吐量的关系

表4 车速与分组投递率、平均端到端时延及吞吐量的关系

3）仿真结果分析 根据表3 可以看出，当车辆数量增加时，双向车道上的车辆密度变大，在与对向车辆进行信息传输时，信息链路增加，数据在传输过程中发生拥塞和碰撞几率随之增大。在车辆数量一定的条件下，随着车速增大，双向车道中车辆位置变化较为剧烈（表4），导致了车辆拓扑结构不稳定。AODV是按需路由协议，当有信息需要进行传输时才启用路由发现过程，导致了较大的时延，但降低了路由开销，提高了路由利用率。车辆数量的增加使得车辆之间传输的数据包数量增多，在信息量增加的情况下，AODV路由协议能够较好地控制路由的开销，带宽的利用率较高，因此AODV路由协议分组投递率和吞吐量均高于DSDV路由协议。DSDV 路由协议中的节点无论是否需要进行通信，都要建立和维护路由表，该路由表包含到达网络中所有其他节点信息，在传输数据时不需要路由发现过程，具有时延较低的特点，符合表驱动路由协议特点。DSDV 路由协议不考虑实际节点拓扑中是否用到具体的路径，随着数据包增加，通信量变大，使得带宽的利用率较低，因此在路由建立、维护过程中开销增大，导致其分组投递率和吞吐量较低。综上所述，在车辆数量和车速变化的情况下，AODV路由协议的分组投递率和吞吐量高于DSDV，但DSDV 路由协议的平均端到端时延低于AODV路由协议。

4 结论

应用NS3 仿真平台仿真分析了高速公路环境中在不同车辆数量和车速下AODV 和DSDV 路由协议的性能，结果表明：在分组投递率和吞吐量方面，AODV 高于DSDV 路由协议，但在平均端到端时延上DSDV 路由协议的优势更大。从路由协议整体性能来看，AODV 路由协议性能更好，但在网络拓扑变化大的场景中，其链路稳定性就会受到影响。针对车辆运动方向变化以及道路约束条件，未来可在不同场景下对路由协议的性能进行模拟和测试，并通过优化AODV 路由协议，提高AODV 路由协议性能。