基于車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景的MANET移動(dòng)模型研究

盧　山，宋志群，賈　倩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景的MANET移動(dòng)模型研究

盧山，宋志群，賈倩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：針對(duì)特定場(chǎng)景研究移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，而移動(dòng)模型是研究MANET的基礎(chǔ)，因此如何選擇或建立更貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的移動(dòng)模型成為了研究MANET的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有典型移動(dòng)模型的研究和分析，提出了一種模擬車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景的移動(dòng)模型，并利用NS2軟件在此移動(dòng)模型基礎(chǔ)上對(duì)MANET性能進(jìn)行仿真與分析，仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的移動(dòng)模型相比，該模型能更好地貼近車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：MANET；NS2；移動(dòng)模型；實(shí)體移動(dòng)模型

0引言

MANET具有靈活性強(qiáng)、覆蓋范圍大、系統(tǒng)容量高且有著高效自組織能力的特點(diǎn)[1]，可以適應(yīng)各種復(fù)雜無(wú)線電環(huán)境，滿足即使沒(méi)有固定基礎(chǔ)設(shè)施也能保證通信性能的要求，因此MANET具有誘人的潛在應(yīng)用前景。MANET的核心為路由協(xié)議，而模擬仿真是研究MANET路由協(xié)議必不可少的手段[2]，且在模擬仿真過(guò)程中移動(dòng)模型是影響路由協(xié)議性能的關(guān)鍵性因素，因此，建立更貼近實(shí)際場(chǎng)景的移動(dòng)模型是研究MANET路由協(xié)議的基礎(chǔ)。

在車隊(duì)行進(jìn)過(guò)程中，車載通信范圍一般為兩個(gè)梯隊(duì)，當(dāng)通信目的車輛超出電臺(tái)的通信范圍時(shí)需要經(jīng)由其他車輛轉(zhuǎn)發(fā)，為了達(dá)到該目的需要引入MANET，因此需要針對(duì)該場(chǎng)景建立合適的移動(dòng)模型。在該場(chǎng)景下，各節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)趨勢(shì)一致且隊(duì)形呈線狀分布，但是受地形、車輛狀態(tài)等條件影響，各節(jié)點(diǎn)間距離會(huì)隨著時(shí)間的改變而改變。

1移動(dòng)模型研究

1.1　相關(guān)移動(dòng)模型研究

移動(dòng)模型是一種數(shù)學(xué)模型，用來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模式，主要包含節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)位置、移動(dòng)速率和移動(dòng)方向?，F(xiàn)有的移動(dòng)模型可根據(jù)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)特性分為四類：完全隨機(jī)的移動(dòng)模型、具有時(shí)間相關(guān)性的移動(dòng)模型、具有空間相關(guān)性的移動(dòng)模型和具有地理環(huán)境相關(guān)性的移動(dòng)模型[3，4]。

在現(xiàn)有移動(dòng)模型中，隨機(jī)路點(diǎn)(Random Waypoint,RWP)移動(dòng)模型[5]和參考點(diǎn)組(Reference Point Group,RPG)移動(dòng)模型[6]得到了廣泛的應(yīng)用。在隨機(jī)路點(diǎn)移動(dòng)模型中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)都是獨(dú)立的，且移動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生突變[7]，但在實(shí)際場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)狀態(tài)和前一時(shí)刻有關(guān)，不會(huì)出現(xiàn)突變的情況，因此該模型與節(jié)點(diǎn)實(shí)際移動(dòng)狀態(tài)有較大的偏差。參考點(diǎn)組移動(dòng)模型雖然考慮了節(jié)點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性[8]，但是不同組之間的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模式仍然是不相關(guān)的，然而在車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)間的移動(dòng)狀態(tài)是緊密相關(guān)的，且呈一定隊(duì)形的分布，因此上述移動(dòng)模型均不能很好地描述該場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)狀態(tài)。

1.2　隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型

在車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景下，為了更好地貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，需要提出有針對(duì)性的移動(dòng)模型。針對(duì)車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特點(diǎn)，本文提出了一種新的移動(dòng)模型：隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型(Relative Column Mobility model,RCM)。

類似于參考點(diǎn)組移動(dòng)模型，隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型存在多個(gè)參考組，每個(gè)參考組有一個(gè)參考點(diǎn)和若干成員節(jié)點(diǎn)。參考組的移動(dòng)趨勢(shì)由參考點(diǎn)確定，成員節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)趨勢(shì)和參考點(diǎn)保持一致，但在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，參考點(diǎn)的只起引導(dǎo)作用，沒(méi)有實(shí)體節(jié)點(diǎn)。其數(shù)學(xué)模型建立過(guò)程如下：

(1)首先確定參考點(diǎn)初始位置。在初始位置時(shí)，各參考點(diǎn)均在一條直線上，假設(shè)第i組的參考點(diǎn)i的初始位置為Pi，則Pi可以表示為：

Pi=(i+1)·L±αi·(L/2)，

(1)

(2)在移動(dòng)開(kāi)始后，參考點(diǎn)首先在距離等間距位置橫坐標(biāo)為[-L/2,L/2]、縱坐標(biāo)為[-l,l]的區(qū)域內(nèi)選擇目的位置，其中l(wèi)代表參考點(diǎn)在縱向上的最大偏移量。隨后在區(qū)間[v_min,v_max]中隨機(jī)選擇速率v，然后以速率v向目的位置移動(dòng)，并在到達(dá)目的位置后從區(qū)間[t_min,t_max]中隨機(jī)選擇停頓一段時(shí)間。在完成停頓之后，參考點(diǎn)重新選擇新的目標(biāo)位置，重復(fù)上述步驟，直至仿真時(shí)間結(jié)束。

除此之外，在車隊(duì)行進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)存在某個(gè)車輛因?yàn)楣收匣蛉蝿?wù)脫離車隊(duì)的情況，為了模擬這種情況，在隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型中，節(jié)點(diǎn)會(huì)以概率p快速脫離隊(duì)列，此時(shí)離開(kāi)的節(jié)點(diǎn)將不能和其余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

(2)

2實(shí)現(xiàn)與仿真

2.1　隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)

在MANET仿真中，移動(dòng)模型的使用都是以場(chǎng)景文件實(shí)現(xiàn)[9]。本文中隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型場(chǎng)景文件生成軟件是通過(guò)在Linux系統(tǒng)下使用GCC編譯工具完成，且在該軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)置了如下參數(shù)：參考組數(shù)量、成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量、參考點(diǎn)間距、節(jié)點(diǎn)與參考點(diǎn)最大距離、仿真空間、仿真時(shí)間、停頓時(shí)間和相對(duì)移動(dòng)速率，以保證該移動(dòng)模型的可擴(kuò)展性。

本文移動(dòng)模型的參數(shù)如表1所示。

表1　仿真場(chǎng)景參數(shù)值

在移動(dòng)開(kāi)始前，各參考點(diǎn)首先按照式(1)確定初始位置，然后各組成員節(jié)點(diǎn)可由式(2)確定該成員節(jié)點(diǎn)的位置。在此次仿真中，參考組數(shù)目為16，每組成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1，則各成員節(jié)點(diǎn)初始位置如圖1所示。

圖1　隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型初始場(chǎng)景

在確定初始位置后，各參考點(diǎn)開(kāi)始按照該模型數(shù)學(xué)建模步驟2的方法選擇自己的目的位置，并在確定目的位置后選擇合適的速率向目的參考點(diǎn)開(kāi)始移動(dòng)。和初始位置不同的是，此時(shí)參考點(diǎn)在到達(dá)目的位置后，除橫坐標(biāo)的偏移量以外，縱坐標(biāo)也有一定的偏移量。由此時(shí)的參考點(diǎn)的位置可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)成員節(jié)點(diǎn)的位置，如圖2所示。

圖2　隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型移動(dòng)后場(chǎng)景

當(dāng)發(fā)生參考點(diǎn)脫離隊(duì)列的情況時(shí)，成員節(jié)點(diǎn)會(huì)跟隨參考點(diǎn)快速地移動(dòng)到仿真區(qū)域邊緣，此時(shí)該成員節(jié)點(diǎn)將不能和其他成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，如圖3中成員節(jié)點(diǎn)5所示。

圖3　隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型節(jié)點(diǎn)脫離場(chǎng)景

2.2　隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型分析與驗(yàn)證

移動(dòng)模型的建立是為路由協(xié)議的仿真做好鋪墊，因此，移動(dòng)模型的分析與驗(yàn)證也需要建立在路由協(xié)議的仿真基礎(chǔ)上。本節(jié)將按照表1參數(shù)生成50組隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型和參考點(diǎn)組移動(dòng)模型的場(chǎng)景樣本，并在此基礎(chǔ)上對(duì)按需距離矢量路由協(xié)議[10，11]進(jìn)行仿真與分析，如圖4、圖5和圖6所示，其中橫坐標(biāo)為業(yè)務(wù)數(shù)量，縱坐標(biāo)分別為傳輸層平均時(shí)延、路由開(kāi)銷和包投遞率[12，13]，其坐標(biāo)值取50組樣本的平均值。

圖4　業(yè)務(wù)數(shù)量與傳輸　圖5　業(yè)務(wù)數(shù)量與　圖6　業(yè)務(wù)數(shù)量與　層平均時(shí)延關(guān)系　路由開(kāi)銷關(guān)系　投遞率關(guān)系

如圖4所示，在參考點(diǎn)組移動(dòng)模型條件下，傳輸層平均時(shí)延均小于隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型條件下的傳輸層平均時(shí)延，這是因?yàn)樵陉?duì)列相對(duì)移動(dòng)模型中，節(jié)點(diǎn)呈線狀分布，節(jié)點(diǎn)間的通信往往需要更多的路由跳數(shù)才能達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)，因而導(dǎo)致了傳輸層平均時(shí)延較長(zhǎng)。在車隊(duì)行進(jìn)的場(chǎng)景中，隨著業(yè)務(wù)數(shù)量的增加，節(jié)點(diǎn)存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)路由的可能性增加，因而減少了路由發(fā)現(xiàn)的時(shí)間，降低了傳輸層平均時(shí)延，由此驗(yàn)證了該模型業(yè)務(wù)數(shù)量與傳輸層平均時(shí)延曲線的正確性。

如圖5所示，在參考點(diǎn)組移動(dòng)模型條件下，路由開(kāi)銷均小于隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型條件下的路由開(kāi)銷，這是因?yàn)樵陉?duì)列相對(duì)移動(dòng)模型中，節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，在一定程度上降低了發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)的概率，因而導(dǎo)致了路由開(kāi)銷較高。在車隊(duì)行進(jìn)的場(chǎng)景中，隨著業(yè)務(wù)數(shù)量的增加，節(jié)點(diǎn)應(yīng)有更大的概率存在到達(dá)某一節(jié)點(diǎn)的路由，因而減少了路由發(fā)現(xiàn)的次數(shù)，降低了路由開(kāi)銷，由此驗(yàn)證了該模型業(yè)務(wù)數(shù)量與路由開(kāi)銷曲線的正確性。

如圖6所示，在參考點(diǎn)組移動(dòng)模型條件下，投遞率均大于隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型條件下的投遞率，這是因?yàn)樵陉?duì)列相對(duì)移動(dòng)模型中，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的可選路由路徑較少，一旦出現(xiàn)路由斷開(kāi)的情況則很難啟動(dòng)路由修復(fù)過(guò)程，因而導(dǎo)致了投遞率較低。在車隊(duì)行進(jìn)的場(chǎng)景中，雖然業(yè)務(wù)數(shù)量增加，但由于相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少，在MAC層并沒(méi)有出現(xiàn)大量的碰撞現(xiàn)象，因而投遞率的變化并不明顯，由此驗(yàn)證了該模型業(yè)務(wù)數(shù)量與投遞率曲線的正確性。

2.3　仿真結(jié)果分析

綜上可知，在隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型下，路由性能隨業(yè)務(wù)數(shù)量的變化曲線與車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景中的實(shí)際情況相符，因此驗(yàn)證了該模型的正確性。在參考點(diǎn)組移動(dòng)模型下，路由協(xié)議的各性能指標(biāo)均優(yōu)于在隊(duì)列相對(duì)移動(dòng)模型下的指標(biāo)，這反映了不同移動(dòng)模型條件下對(duì)路由協(xié)議性能影響很大，驗(yàn)證了針對(duì)不同場(chǎng)景建立不同移動(dòng)模型的必要性。

3結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)特定場(chǎng)景研究MANET是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，而研究特定場(chǎng)景的MANET離不開(kāi)移動(dòng)模型，因此針對(duì)特定場(chǎng)景建立移動(dòng)模型是值得研究的問(wèn)題。針對(duì)車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行建模，得到了一種新的移動(dòng)模型，并驗(yàn)證了其正確性，為在類似固定隊(duì)形移動(dòng)的場(chǎng)景下移動(dòng)模型的建立提供了參考。

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Study on MANET Mobility Model in Vehicle Group Scenario

LU Shan,SONG Zhi-qun,JIA Qian

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The mobile Ad Hoc networks (MANET) for a specific scene is the focus of current research.The mobility model is the foundation of MANET.Therefore how to select or develop a mobility model which is closer to the real scenarios becomes the key in MANET research.A new mobility model for a vehicle group is proposed and simulated with NS2 by studying and analyzing the existing typical mobility model.The simulation results show that the new mobility model can be closer to the real application scenarios compared withthe traditional mobility model.

Key words：MANET;NS2;mobility model;entity mobility model

作者簡(jiǎn)介：盧山(1989—)，男，在讀研究生，主要研究方向：無(wú)線通信、路由協(xié)議。宋志群(1963—)，男，研究員，主要研究方向：無(wú)線通信。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371068)

收稿日期：2015-09-15

中圖分類號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)01-09-3

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.02

引用格式：盧 山，宋志群，賈 倩.基于車隊(duì)行進(jìn)場(chǎng)景的MANET移動(dòng)模型研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(1):09-11，17.