Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在不同場景下的仿真研究

童孟軍,舒昌衡

(杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,浙江杭州310018)

0 引 言

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化,節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度很快,路由技術(shù)成為了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的重大挑戰(zhàn)之一。在早期的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中使用的是一些簡單洪泛路由技術(shù)。目前Ad hoc網(wǎng)絡(luò)使用的路由協(xié)議根據(jù)路由驅(qū)動(dòng)模式的不同,分為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。典型的表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議是DSDV,它是基于傳統(tǒng)的Bellman-Ford路由選擇算法經(jīng)改良而發(fā)展起來的。AODV是一種按需路由協(xié)議,采用廣播式路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制和逐跳路由、順序選號和路由維護(hù)階段的周期更新機(jī)制。有些學(xué)者研究了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議AODV和DSDV的性能仿真與比較,分析了在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議和按需路由協(xié)議的性能[1]。在實(shí)際的應(yīng)用中,不同復(fù)雜的環(huán)境對路由協(xié)議的性能影響很大,因此需要在仿真中模擬實(shí)際的場景,對路由協(xié)議的性能進(jìn)一步的分析。對井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)AODV和DSDV協(xié)議進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)相對較少的情況下表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議DSDV在井下表現(xiàn)出更好的優(yōu)點(diǎn)和很好的魯棒性[2]。本文對幾種典型的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)單播路由協(xié)議DSDV、AODV、DSR和TORA等在街道和公路場景下進(jìn)行了仿真分析。

1 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)模型的介紹

節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型決定了在不同的場景下運(yùn)動(dòng)的軌跡,不同環(huán)境所選用的運(yùn)動(dòng)模型也不同。下面介紹幾種常用的運(yùn)動(dòng)模型。

隨機(jī)路點(diǎn)移動(dòng)模型[3]是當(dāng)前研究最多,應(yīng)用最廣泛的運(yùn)動(dòng)模型。它的定義如下:節(jié)點(diǎn)首先在當(dāng)前位置停留一段隨機(jī)時(shí)間Tp∈[Tmin,Tmax],然后隨機(jī)選取一個(gè)目的地,并隨機(jī)選擇速度V∈[Vmin,Vmax]向該目的地運(yùn)動(dòng),節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的地后隨機(jī)停留一段時(shí)間Tp,然后再重復(fù)上述過程。

目前,很多Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的研究都是采用隨機(jī)運(yùn)動(dòng)模型來描述節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。而在很多情況下會(huì)發(fā)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)模型已經(jīng)不再適用。近年來有很多學(xué)者研究這個(gè)問題,并提出了一些具有地域限制的移動(dòng)模型,在這些模型中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)嚴(yán)格限制在預(yù)定的線路上。例如曼哈頓移動(dòng)模型[4],它是一種城市街道模型,在這種模型中首先要編寫地圖文件,每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)按照編寫的街道場景運(yùn)動(dòng)。

由于在NS2中setdest只提供了隨機(jī)運(yùn)動(dòng)模型,因此當(dāng)搭建城市街道模型和公路模型時(shí),需要重新編寫運(yùn)動(dòng)模型。在NS2中setdest是生成隨機(jī)運(yùn)動(dòng)模型的文件,要對其進(jìn)行擴(kuò)展,以便能生成模擬街道的運(yùn)動(dòng)模型。采用C++重新編寫了setdest文件。另外,本文還采用另外一種方法。由于構(gòu)建車輛Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)模型很復(fù)雜,所以采用已經(jīng)現(xiàn)有的車輛移動(dòng)綜合模型來構(gòu)建高速公路模型。VanetMobisim是在車載移動(dòng)方面的一個(gè)擴(kuò)展,它是由斯圖加特大學(xué)CANU研究組開發(fā)應(yīng)用的一個(gè)基于JAVA的移動(dòng)組模型[5]。它是目前最真實(shí)和包含綜合配置的車輛移動(dòng)模型,能夠產(chǎn)生城市場景和高速公路場景的真實(shí)車輛移動(dòng)軌跡。VanetMobisim有一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)就是可以產(chǎn)生各種流行仿真軟件的軌跡文件,方便的與網(wǎng)絡(luò)仿真軟件結(jié)合。本文是將研究如何將VanetMobisim中的trace文件應(yīng)用于NS2中的高速公路仿真。

2 仿真場景

2.1 街道模型

在實(shí)際的生活場景中,節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和信號的傳輸接收受到不同復(fù)雜因素的影響。當(dāng)在街道或校園里,信號總會(huì)受到障礙物的干擾。文獻(xiàn)6考慮了存在障礙物的情況,并提出了PRMO模型,假設(shè)障礙物能完全阻斷無線電波的傳輸。設(shè)障礙物是一條直線如圖1所示。節(jié)點(diǎn)信號被阻隔的算法為:假設(shè)節(jié)點(diǎn)N1(x3,y3)與N2(x4,y4)進(jìn)行通信,障礙物的一條邊由點(diǎn)P1(x1,y1)和點(diǎn)P2(x2,y2)構(gòu)成。設(shè)定R(x0,y0)為直線P1P2與直線N1N2的交點(diǎn)。由此判斷節(jié)點(diǎn)通信被阻隔的情況:(1)兩直線平行或重合,認(rèn)為沒有交點(diǎn);(2)兩直線相交,且交點(diǎn)在直線j1,i1上;(3)兩直線相交,交點(diǎn)在直線P1P2的延長線上;若交點(diǎn)在直線P1P2上則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)間的無線電波被阻隔。

圖1 存在障礙物時(shí)的信號傳播模型

本文采用NS2加入了障礙物模型,在原有的NS2中加入能夠表示出城市街道模型中的障礙物,模擬在障礙物的情況下的無線網(wǎng)絡(luò)[7]。經(jīng)擴(kuò)展后的NS2生成的街道場景如圖2所示。

2.2 公路模型

本文采用VanetMobisim搭建了在單向單車道和雙向雙車道的高速公路運(yùn)動(dòng)場景,運(yùn)動(dòng)場景是通過XML語言編寫,分別采用勻速和勻加速的沿道路行駛。下列代碼是通過VanetMobisim生成的NS2的部分場景文件:＄ns_at 35.0“＄node_(1)setdest498.70652400305664 200.000001 21.461658”;這一行的意思是節(jié)點(diǎn)1在35.0s開始以速度21.461 658m/s向目標(biāo)位置(498.706 524 003 056 64,200.000 001)移動(dòng),其他行以此類推。場景文件經(jīng)NS2模擬后產(chǎn)生的NAM圖如圖3所示。

圖2 街道場景

圖3 雙向雙車道

3 仿真分析

本文仿真在不同場景下的移動(dòng)Ad(oc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能指標(biāo)。

在城市街道模型中的仿真參數(shù)如下:仿真區(qū)域大小為500m×500m,節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)20,仿真時(shí)間200s,移動(dòng)通信距離250m,分組大小512Byte,CBR數(shù)據(jù)源個(gè)數(shù)10個(gè),CBR發(fā)送數(shù)率分別為1-8Packet/s。

以發(fā)包投遞率和鏈路延時(shí)作為對協(xié)議性能的評價(jià),其中分組投遞率和平均延時(shí)定義如下:分組投遞率=成功收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)/發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù),分組的平均延輸?shù)姆纸M數(shù),rt表示分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間,st表示分組發(fā)送的時(shí)間。仿真分析結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)分組投遞率的變化情況

圖5 隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)端到端平均延時(shí)的變化情況

從圖4可以看出隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加,各種路由協(xié)議的分組投遞率都在下降。其中DSDV的分組投遞率最低,DSR和AODV的分組投遞率最高。從圖5可以看出隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加,DSR的端到端的延遲最大,而DSDV的端到端延遲最小。因?yàn)镈SR、AODV和TORA是按需路由協(xié)議,在每次發(fā)送分組時(shí)需要建立路由,所以延遲比較大。通過對這兩個(gè)指標(biāo)的分析,得出的結(jié)果與楊裕輝的有一些不同[8]。在添加障礙物的情況下,各種路由協(xié)議的性能有所下降。

在高速公路場景下的仿真參數(shù)如下:仿真區(qū)域大小為700m×700m,仿真時(shí)間400s,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為2,信道類型為WirelessChannel,傳播模型為TwoRayGround,天線模型為Antenna/OmniAntenna,網(wǎng)絡(luò)接口類型為WirelessPhy,MAC協(xié)議采用的是IEEE 802.11b,路由協(xié)議采用的是AODV,DSDV,DSR和TORA。本文分別對單向車道和雙向車道進(jìn)行仿真。在單向車道中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)以勻加速同向行駛。

如圖6所示,是在雙向雙車道下各路由協(xié)議的分組投遞率,可以看出按需路由協(xié)議AODV、DSR的投遞率較高,而DSDV的分組投遞率較低。在單向單車道下,各種路由協(xié)議的分組投遞率都達(dá)到100%,這意味著在這種情況下,零個(gè)PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)丟失,這對于車載組網(wǎng)是非常重要的。

圖6 雙車道的分組投遞率

圖7 相向和同向的路由開銷對比

如圖7所示,是單向單車道和雙向雙車道的路由開銷,明顯的可以看出,前者的路由開銷遠(yuǎn)大于后者。這是因?yàn)橥蜻\(yùn)動(dòng)是加速運(yùn)動(dòng),路由請求頻繁,路由開銷比較大。在相向和同向的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中,按需路由協(xié)議DSR、AODV較表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議DSDV開銷較小,其中TORA的路由開銷最大。結(jié)論表明網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劇烈變化時(shí),表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議DSDV的開銷增大。這是因?yàn)楸眚?qū)動(dòng)路由協(xié)議在每一次拓?fù)渥兓卸家侣酚杀?所以導(dǎo)致路由開銷比較大。

4 結(jié)束語

本文通過對NS2的擴(kuò)展,分別實(shí)現(xiàn)了街道場景和高速公路場景,并在這兩種場景下進(jìn)行了移動(dòng)路由協(xié)議的仿真分析。其中按需路由協(xié)議AODV性能比較穩(wěn)定。通過仿真分析,發(fā)現(xiàn)在復(fù)雜的場景中,路由協(xié)議的性能會(huì)有所影響。如何能進(jìn)一步提高路由協(xié)議的性能,將是今后研究的重點(diǎn)。

[1] 劉洛琨,張遠(yuǎn),許家棟.AODV和DSDV路由協(xié)議性能仿真與比較[J].計(jì)算機(jī)仿真,2006,23(2):118-120.

[2] 吳玉全,孫怡寧.井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)AODV和DSDV協(xié)議的仿真對比[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009,22(10):1 515-1 518.

[3] Camp T,Boleng J,Davies V.A Survey of Mobility Models for Ad Hoc Network Researeh[J].W ireless Communication＆Mobile Computing,2002,2(5):483-502.

[4] Bai Fan,Sadagopan N,Helmy A.The Important Framework for Analyzing the Impact ofMobility on Performance of Routing for Ad Hoc Networks[J].Ad Hoc Networks Journal,2003,l(4):383-403.

[5] Macro Fiore.VanetMobiSim:Genemdng Realistic Mobility Patterns for VANETs[EB/OL].http://vanet.eurecom.fx/publication,2010-08-20.

[6] Jardosh A,Belding-royer EM,Almeroth KC,et a1.Towards realisticmobilitvmodels formobilead hoc networks[C].London:MobiCom'03,2003:14—19.

[7] 張歆彥.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)流量自相似性研究[D].上海:交通大學(xué),2006.

[8] 楊裕輝.移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[D].成都:電子科技大學(xué),2009.