基于SUMO的路由协议仿真研究

基于SUMO的路由协议仿真研究
苗晓锋;罗志辉;洪亮
【摘要】This paper refers TIGER database, builds a realistic road map as simulation scene. It evaluates the applicability of three routing protocols including AODV, DSR and DSDV in Vehicular Ad-hoc NETwork(VANET) by the joint simulation of Simulation of Urban MObility(SUMO) traffic simulator and NS2 network simulation platform. Experimental results show that existing routing protocols exist the shortages of low packet transmission success, high normalized routing load and big average end-to-end delay under urban VANET environment, it can not meet the needs of existing VANET communications in urban scenarios and needs developing new routing protocol.%利用TIGER数据库,构建一个实际道路地图作为仿真场景,借助SUMO交通仿真器和NS2网络仿真平台,评估ADOV、DSR、DSDR 3种路由协议在城市场景车载自组网(VANET)中的适用性.实验结果表明,上述3种协议在城市VANET环境下,存在分组传输成功率低、归一化路由负载高、平均端到端延时大的缺点,难以满足现有城市VANET的通信需求,需要开发新的路由协议.
【期刊名称】《计算机工程》
【年(卷),期】2011(037)001
【总页数】3页(P107-109)
【关键词】车载自组网;移动自组网路由协议;SUMO交通仿真器;TIGER数据库
【作者】苗晓锋;罗志辉;洪亮
【作者单位】西北工业大学自动化学院,西安710072;哥伦比亚大学工程与应用科学学院,纽约10025;延安大学西安创新学院,西安710100;哥伦比亚大学工程与应用科学学院,纽约10025;西北工业大学自动化学院,西安710072
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
1 概述
车载自组网(Vehicular Ad-hoc NETwork,VANET)是一种以行驶车辆为节点，车辆间可以进行多跳无线通信的移动自组网(Mobile Ad-hoc NETwork,MANET)，它是移动Ad Hoc技术在交通领域的新应用，具有较好的前景。

作为一种特殊的Ad Hoc网络，它与MANET具有很多共性，如多跳传输、拓扑结构动态变化等，这也使 VANET借鉴并使用大量已有的MANET路由协议成为可能。

但VANET本身有很多不同于MANET的独有特点，如网络规模大、节点运动轨迹被严格限制在道路中，其移动速度快导致网络拓扑结构变化更频繁，网络密度极不均匀，网络状况容易受时间、空间等因素影响等，需要重新评估MANET中路由协议在VANET场景下的适用程度。

城市环境是VANET研究的首选场景，也是当前VANET研究的重点和热点，在此环境下开展仿真实验研究具有重要意义。

构造准确反映车辆运动方式的节点运动模型对于提高仿真实验的准确性至关重要。

文献[1]利用常用的移动模型进行仿真研究。

本文利用TIGER[2]数据库信息和SUMO(Simulation of Urban MObility)[3]交通仿真器，生成真实地图和交通流量，在此基础上利用NS2仿真平台比较3种
路由协议的性能，并评估它们的适应性。

2 相关工作
本文工作基于SUMO。

SUMO是一个由德国航空航天中心开发的，微观、多模态和连续的道路交通仿真软件。

它本身开源，高度可移植，可导入多种实际地图数据库数据生成仿真地图，可逼真模拟各种大规模交通场景，尤其是城市复杂交通网络实际运行过程，规模直至上万车辆和街道。

借助直观的图形界面，可以清晰观察具体仿真过程，SUMO仿真中一个路口的情景如图1所示。

图1 SUMO仿真中一个路口的情景
本文借助其内建的车辆运动模型，设定相关参数，并实现真实道路地图作为仿真环境，最后进行联合仿真，评估目标协议的性能表现。

2.1 地图
TIGER数据库是一个大型地理信息数据库，包含全美真实精确的城市道路地图用于仿真实验，可以保证仿真结果的精度与准确性。

本文提取其中编号lkA36061的Manhattan地区道路信息数据包，从中选择纽约市曼哈顿区部分街区的地图作为实验场景。

通过SUMO自带工具netconvert，由地理信息数据生成可用
的.net.xml文件，然后将其导入到仿真器中作为仿真场景，生成的曼哈顿地区道路地图如图2所示。

图2 生成的曼哈顿地区道路地图
2.2 移动模型
SUMO中实现了Car-Drive[4]移动模型。

在这个模型中，时间步在碰撞避免机制的制约下，车辆速度都受到前方行驶车辆速度的影响，这时的车速称为安全速度，用safev 表示，具体计算如下：
其中，vl(t)是在时刻t前方车辆速度；为前后两车的平均速度；g(t)为距离前车的
距离；τ为司机的反应时间，通常是1 s；b是减速函数。

考虑到车辆实际的加速能力和道路实际的限速情况，正常行驶车辆比较理想的最大行驶速度 vdes应满足式(2)：
其中，maxv 为道路限速；a为车辆最大速度增量。

事实上，司机的具体操作情况通常不能达到以及保持最理想的行驶速度，因此，引入人为因素系数ε。

同时车辆在行驶过程中不能后退，最小速度应大于 0。

综合考虑以上因素后，车辆的实际运行速度 ()v t应满足式(3)：
3 路由协议
AODV[5-6]协议是 DSR[7]和 DSDV[8]路由协议的结合，它借鉴 DSR的路由发现策略及 DSDV的逐跳路由、序列号和定期广播机制。

它是一种按需路由协议，即只有在上层有数据发送时才启动路由建立过程，采用请求-应答方式在源节点和目的节点间建立传输路径。

因为不需要周期性地交换控制分组更新路由信息，所以不会降低路由开销，但由于建立路由需要一个过程，因此通常会增加数据传输的平均端到端延时。

DSR路由协议是一种基于源路由方式的按需路由协议。

它采用源路由方式取代逐跳分组路由形式，每个数据分组都会携带通往目的节点路径上的各节点信息。

其优点是根据源节点的需求建立路由，中间节点不必维护路由信息，也不需要发送任何周期性信息，同时该协议还支持单向及不对称链路。

DSDV路由协议是一种典型的表驱动路由协议。

按照该协议，每个节点在本地保留一张路由表。

表中记录该节点的所有可达目的节点、到达各目的节点的下一跳节点及跳数、由目的节点分配的序列号等。

4 仿真实验
借助TIGER数据库导出的地理信息数据和SUMO仿真器中的地图生成工具，构建逼真的仿真场景，并联合NS2网络仿真器进行仿真实验。

4.1 仿真场景
实验场景选择纽约曼哈顿中城西部地区道路地图，截取街区面积约1.4 km×1km，从最东边第8大道到最西边第12大道，最北58街到最南42街，如图3所示。

图3 曼哈顿中城西部地区道路地图
4.2 仿真环境
网络仿真平台选用 NS2，它是一种针对网络技术、源代码公开、免费的软件模拟
平台。

它是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器，由UC Berkeley开发而成，本身有一个虚拟时钟，所有仿真都由离散事件驱动，研究人
员通过它可以很容易地进行网络技术的研究。

本文实验主要评估了3种不同的MANET路由协议在仿真车辆密度变化时对路由
协议性能的影响情况。

为了减小偶然误差，每组实验重复10次，然后对实验结果求平均值。

网络实验参数如表1所示。

表1 网络实验参数指标参数地图区域曼哈顿中城区域大小/km 1.0、1.4车辆密度/(辆·km-1)5、10、15、20 NS2版本 2.28仿真时间/s 900无线覆盖距离/m 250 MAC协议 802.11DCF应用层业务流量恒定比特率(CBR)业务负载/Byte 512包传输率/(packet·s-1)4路由协议 AODV、DSR、DSDV运动模型 Car-Drive业务节
点比率/(%)10网络带宽/(Mb·s-1)2
4.3 实验结果
实验选用的评估指标包括3种路由协议性能指标：
(1)分组成功传输率(Packet Delivery Ratio,PDR)表示所有源节点发送的CBR分组总数与所有目的节点接收的CBR分组总数之比。

分组成功传输率表征了路由协议
的业务分组投递能力，值越高说明协议的选径能力越强，传输路径的稳定性越好。

(2)归一化路由负载(Normalized Routing Load,NRL)表示成功发送一个CBR分组所需发送的平均路由控制分组数量。

归一化路由负载指标体现了路由协议投递业务分组的效率，可以用来评估路由开销。

该值越小表明投递单位数量业务分组所需要的路由协议控制分组越少，路由开销也越小。

(3)平均端到端延时(Average End-to-end Delay,AEL)表示目的节点接收分组与源节点相应分组发送时间的平均差值。

平均端到端延时指标表征了路由协议投递业务分组的及时程度，该值越小，说明路由协议可以更快地将业务分组发送到目的端。

图4表示车辆密度对3种协议分组成功传输率的影响。

可见，3种协议的PDR性
能都随着车辆密度的增加而略有增加，然后稍有下降。

其中，AODV协议性能表
现最好；DSDV最差；DSR居中。

在车辆密度较低时，随着密度增加，车辆间的
有效连接也逐渐增加，PDR性能稳步上升。

但当车辆密度过大时，无线连接的碰
撞冲突开始加剧，数据分组开始大量丢失，控制分组增加，使得PDR性能开始下降。

DSDV协议作为一种先验式路由协议，在节点移动快速的城市 VANET环境中，对于剧烈变化的拓扑，需要不断地更新路由表以适应通信需求，经常中断的路由链路使得数据分组的PDR性能表现不佳。

图4 分组成功传输率随车辆密度的变化
图5表示车辆密度对 3种通信协议归一化路由负载的影响。

可以发现，3种协议
的NRL值都随车辆密度的增加而逐渐增大。

DSDV协议最高，AODV和DSR次之。

随着车辆密度逐渐增加，拓扑变化引起传输路径上的节点不断变化，而频繁的路由更新和切换产生了大量控制分组，使得NRL值不断增加。

尤其是DSDV协议，由于周期性地向全网广播链路状态，增加了网内控制分组的流量，使其在 NRL上
的负载显著增加。

图5 归一化路由负载随车辆密度的变化
图6表示车辆密度对3种协议平均端到端延时的影响。

仿真说明3种协议的AEL
性能随着车辆密度的增加而增加，并且增速越来越快。

DSR协议由于路由发现过程较慢，AEL值最大。

DSDV协议是先验式路由协议，需要定期更新路由表项，因此，总能保持最新的可用路由，在发送业务负载时，可快速获得可用路由，缩短了延迟时间。

AODV协议表现居中。

图6 端到端延时随车辆密度的变化
5 结束语
真实的实验场景和反映节点确切运动状态的运动模型对仿真实验结果影响很大。

本文评估了MANET中3种主要路由协议在城市 VANET场景下的可用性，利用TIGER数据库生成真实地图，并借助 SUMO和 NS2仿真器进行联合仿真实验，最后分析了实验数据。

结果表明，已有路由协议不适于VANET的实际应用，下一步将在更接近实际运动状态的移动模型基础上，开发应用于VANET的路由协议。

参考文献
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