高速公路车载自组网数据收集协议及仿真研究

时间：2021-10-12 12:27:40

关键字：车载自组织网络数据收集 NS-2 AODV

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[导读]摘要：近年来车载自组织网络已成为无线自组网新的研究重点。鉴于车载自组织网络自身高动态性网络拓扑结构等相关特点，使得传统的数据收集协议在VANET中的表现并不理想。所以，对于车载自组织网的研究主要集中在对VANET数据收集协议方面。文中总结了近些年出现的VANET数据收集协议，并选取其中AODV和DSR两种协议，在模拟高速公路的相关场景下，通过设置不同的参数研究两种不同的性能指标，得出AODV协议比DSR协议性能好的结论。

引言

车载无线网络以信息收集、处理、发布、交换为主，为参与者提供丰富的服务。车载无线网络将车辆内部的相关器件、车辆与路边节点、车辆与车辆、车辆与互联网连接起来，构成一个异构的复杂网络系统，为车载智能交通系统提供多样化的应用。车联网符合云计算 [1]（Cloud Computing）、物联网[2] （Internet of Things，IoT）两大炎手可热的研究主题，顺应当今信息技术的发展趋势。车载自组织网络（Vehicular Ad HocNetwork，VANET）具有自组织、易扩展、易部署、低代价、低通信延迟等优点 [3] ，是车载网络中最重要的一种组网形式。数据收集是VANET 中一项至关重要的技术，如何在 VANET 中提高网络通信的性能，根据不同的需求进行有效的数据收集，是学术界一直关注的研究热点。

本文总结了近些年出现的VANET 数据协议，选取其中的 DSR（Dynamic Source Routing，DSR）、AODV（Ad hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV）协议，由17 个无线节点组成VANET，建立一个 M 型固定的拓扑结构，再加一个移动节点来模拟固定节点的数据收集场景，通过设置不同的参数研究了两种协议的相关性能指标，得出AODV 协议较 DSR 协议性能好的结论。

1 车载自组网数据收集协议

数据收集协议可以在一定程度上节省能耗。目前常见的数据收集协议包括 EMDA（Energy Efficient Meter Data AggregationProtoco1，EMDA）、AODV、PEADG（Power Eficient Algorithm for Data Gathering，PEADG）、DSR 等。但是以上协议中已得到广泛认可的是 AODV 协议、DSR 协议。

AODV 协议与DSR 协议均具有一系列优点。在消除路由环路方面，AODV 协议通过使用序列号来避免出现路由环路，而 DSR 使用源路由机制消除路由环路。此外，DSR 协议转发数据分组的中间节点无需存储路由信息，节省了存储空间；AODV 协议支持中间节点应答，能使源节点快速获得路由，而 DSR 允许节点侦听数据分组，缓存路由信息；AODV 协议能快速响应活跃路径上的断链，并具有良好的可扩展性。而DSR 支持到目的节点的多条路径。

2 仿真实验

采用网络仿真软件NS-2[4] 对DSR 和 AODV 协议进行性能分析，通过仿真分别得到了其数据包的平均端到端延迟、端到端时延、网络吞吐量，以此来衡量数据收集协议的性能。

2.1 仿真环境

我们采用17 个无线节点来组成车载自组织网络。其中DSR 的队列类型为 CMUPriQueue，而AODV 采用DropTail/ PriQueue。模型中每个节点的无线传输范围为 50.0 m，我们将仿真时间设置为 20.0 s。将移动节点的初始坐标设为（50.0，93.3），移动节点开始传送数据的时间设为 1.0 s，研究将其移动速度分别设置为 10.0、20.0、30.0、40.0、50.0、60.0、70.0、80.0、90.0（单位均为 m/s）时AODV 和DSR 协议的端到端时延、平均端到端时延以及平均吞吐量等性能指标。我们采用CBR 业务作为一种典型的无连接UDP 业务来进行仿真实验。我们在相同的实验场景下采用相同的数据源分别对两种协议进行模拟运行，使仿真结果尽量准确。

2.2 仿真结果与分析

图 1、2 分别为AODV 协议和 DSR 协议的仿真图。图 3 展示了两种协议的平均端到端时延性能，可以看出随着移动节点速度的增大，AODV 及DSR 协议的变化趋势相同，均呈下降趋势，但相对于同一移动速度，AODV 协议的时延略大于DSR 协议，当速度大致在 56 ～66 m/s 范围内时，DSR 协议的时延略大于AODV协议的时延。图 4展示了两种协议的端到端时延性能，由图 4可知，当移动节点的速度在（10，20）以及（20，30）两个区间范围内时，DSR协议的时延波动范围较大，此后波动范围较小，而AODV 协议的时延波动范围一直较小。由于只进行了一次实验，所以会出现较大的波动范围，当进行多次实验取平均值后，便不会出现这种现象。由此可以看出AODV协议的时延性能较 DSR协议的性能好。

高速公路车载自组网数据收集协议及仿真研究

图 5 展示了模型仿真中网络的吞吐量，由图可见，随着移动节点速度的增大，两种协议的网络吞吐量性能变化趋势相同，均呈下降趋势。在相同的速度下，DSR 协议的网络吞吐量大于AODV 协议的吞吐量，因此在本实验中DSR 协议的网络吞吐量性能较AODV 协议的性能好。

3 结语

在车载自组网应用中，通信半径的限制使网络中车辆节点

之间的数据交互形式是多跳转发进行的，因此数据收集协议和路由协议是其重要的组成部分。由于传统的路由协议不能有效地应用，无线自组网中的数据收集技术、路由技术有非常广阔的研究空间。本文详细介绍了车载自组网的主要特点，以及典型的数据收集协议，并分析了其中两种协议的优缺点，并在一定场景下，通过设置不同的参数研究了两种不同的性能指标，得出AODV协议较 DSR 协议性能好的结论。