基于OMNET++的VANET無線鏈路性能仿真

熊 飚， 朱桌爾

0 引言

車載自組網(wǎng)(VANET , Vehicle Ad Hoc Network)是應(yīng)用于道路交通的一種特殊的無線自組網(wǎng)，旨在實現(xiàn)車輛之間(V2V,Vehicle to Vehicle)，車輛與路邊節(jié)點之間（V2I, Vehicle to Infrastructure）能夠通過多跳的方式實現(xiàn)互聯(lián)通信[1-2]。一方面，車輛間的通信如同人與人之間的相互交流，能夠提高道路交通的安全性與高效性；另一方面，車輛與路邊節(jié)點之間通信，旨在實現(xiàn)將VANET網(wǎng)絡(luò)方便、快速地接入現(xiàn)有固定或者移動通信網(wǎng)絡(luò)，以提供更豐富的娛樂、遠(yuǎn)程協(xié)助及車內(nèi)辦公等服務(wù)，極大地提高了用戶出行的舒適性及方便性。

目前，世界各國都在積極開展關(guān)于VANET的研究，如6家歐洲汽車制造商合作展開的C2C-CC[3]，其基于無線局域網(wǎng)WLAN技術(shù)，致力于為VANET建立一個公開的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，以保障歐洲范圍內(nèi)不同制造商的車輛能正常通信。同時，IEEE標(biāo)準(zhǔn)會議提出了專門用于車輛間通信的802.11p標(biāo)準(zhǔn)以實現(xiàn)車輛間、車輛與路邊節(jié)點間等這樣的通信[4]。該協(xié)議是在分析VANET網(wǎng)絡(luò)獨特特性，如車輛節(jié)點的雙高速移動，車輛運行軌跡的可預(yù)見性等的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的802.11協(xié)議的改進，還需要進行更深入的研究與設(shè)計，而這些都需要首先對其無線鏈路質(zhì)量進行準(zhǔn)確的評估。

VANET網(wǎng)絡(luò)由于其雙移動節(jié)點，導(dǎo)致其多普勒效應(yīng)不同于傳統(tǒng)的但移動節(jié)點的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，文獻[5-6]表明無線電波在移動-移動節(jié)點鏈路間的傳播特性不同于傳統(tǒng)的移動-固定節(jié)點間鏈路。麻省理工學(xué)院和卡耐基·梅隆大學(xué)的合作項目專門對在802.11b協(xié)議下的信道鏈路質(zhì)量進行了研究，指出多普勒效應(yīng)是在某些特殊范圍內(nèi)高丟包率的主要原因，并更深一步討論了和MAC層的聯(lián)系與路由協(xié)議設(shè)計[7]。

現(xiàn)提出 1種以物理層模型（無線信道傳播模型、節(jié)點移動模型及運行環(huán)境模型等）為基礎(chǔ)，通過 OMNET++來仿真VANET網(wǎng)絡(luò)無線鏈路丟包率(PLR， Packet Level Ratio)的方法。

1 仿真原理

OMNET++是一款面向?qū)ο蟮碾x散事件網(wǎng)絡(luò)仿真工具[8]，用C++編程，支持OSI七層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與NS-2[9]、OPNET[10]等流行網(wǎng)絡(luò)仿真軟件相比較，OMNET++能運行于多個操作系統(tǒng)平臺，可自主定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持仿真節(jié)點的移動性。這里利用OMNET++的這些特性，通過該軟件仿真VANET網(wǎng)絡(luò)無線鏈路丟包率，圖 1給出仿真節(jié)點配置框。應(yīng)用層模塊控制節(jié)點數(shù)據(jù)包的發(fā)送；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由功能的實現(xiàn)；MAC層模塊主要負(fù)責(zé)各種通信協(xié)議；物理層模塊的功能包括：車輛運行場景模擬、車速控制等功能，是所提方法的重點，圖2給出了其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。其中節(jié)點移動模塊控制節(jié)點的移動，包括速度及方向；計算接收信號功率模塊由現(xiàn)有的無線信道傳播模型設(shè)置；判決模塊主要依據(jù)信噪比。

圖1 節(jié)點配置框

圖 2 節(jié)點配置物理層模塊

2 仿真模型建立及仿真結(jié)果分析

這里仿真典型城區(qū)環(huán)境下VANET網(wǎng)絡(luò)中雙移動節(jié)點間鏈路丟包率，涉及2個節(jié)點，1個作為發(fā)送節(jié)點；1個作為接收節(jié)點，初始位置固定，做同向勻速直線運動，速度設(shè)為54 km/h，應(yīng)用層每秒發(fā)送100個UDP，鏈路層采用802.11b協(xié)議。采用符合高斯隨機過程背景噪聲，同時依據(jù)文獻[11]中介紹的綜合信道模型作為計算接收信號功率的依據(jù)。給出節(jié)點間距離分別為20 m，30 m，40 m時鏈路層丟包率的概率密度函數(shù)(PDF, Probability Density Function)及累計概率分布(CDF, Cumulative Distribution Function)的仿真結(jié)果。

圖3和圖4分別給出了不同節(jié)點距離時PLR的PDF與CDF仿真結(jié)果。分析可知，PLR隨著雙移動節(jié)點之間的距離增大而增大，其中當(dāng)車輛間距離為 20 m時，PLR取值[0,0.122]，而當(dāng)車輛間距離為40 m時，PLR取值[0, 0.59199]。這也表明，在VANET網(wǎng)絡(luò)中，車輛間通信質(zhì)量和車輛之間的距離有關(guān)系。

圖3 不同節(jié)點距離時PLR的PDF結(jié)果

圖4 不同節(jié)點距離時PLR的CDF結(jié)果

3 結(jié)語

VANET網(wǎng)絡(luò)在道路交通中的應(yīng)用能夠提高道路交通的有效性及高效性，同時能夠滿足旅客出行要求的舒適性，具有很高的商業(yè)應(yīng)用前景，而關(guān)于VANET網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究也吸引了越來越多的研究機構(gòu)，成為近15年研究的熱門課題。這里提出1種以無線傳播信道模型為基礎(chǔ)，仿真VANET網(wǎng)路無線鏈路丟包率的方法，并仿真了典型城區(qū)環(huán)境下VANET網(wǎng)絡(luò)中雙移動節(jié)點間無線鏈路的丟包率。一方面，通過該方法可以分析車輛運行場景對VANET網(wǎng)路無線鏈路質(zhì)量的影響；另一方面，依據(jù)對VANET網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實場景的分析，可以配置仿真實際場景下VANET網(wǎng)路無線鏈路丟包率，對VANET網(wǎng)路無線信道的網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計及各層協(xié)議的研究有很高的借鑒意義。

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