摘 要

车载自组织网络VANET(Vehicular Ad Hoc Network)是智能交通系统不可或缺的一部分，由于车辆节点的行驶速度较快，所以网络的拓扑会不断的改变、通信链接不太稳定。在车辆机会网络中，信息的传递是通过车辆节点间相遇时的数据交换来实现的，这些交换的数据包含着许多信息，如节点的速度和位置。

在大多数关于车载网络的研究中，机会路由算法及其相关研究占了很大一部分比例，这些路由算法的主要实现目标是为信息的传输选择合适的中继车辆节点，从而在最短时间内完成信息的有效传输。

本文首先主要通过ONE(Opportunistic Network Environment)仿真平台对车辆机会网络完成网络系统建模，然后对车辆机会网络中几个经典路由算法进行研究，接着设置相关参数建立不同的车辆网络模拟场景，最后在仿真平台中，针对建模的车辆机会网络场景完成对经典路由算法的仿真，通过生成报告得到网络的递交率，信息延时和网络开销这三个性能指标，并综合分析这三个指标来判断几个经典机会路由算法的优劣性。

关键词：车载机会网络；ONE仿真平台；经典机会路由算法；性能指标

Abstract

The vehicle auto organization network VANET (Vehicular Ad Hoc Network) is an indispensable part of the intelligent transportation system. As the speed of vehicle nodes is faster, the topology of the network will be constantly changed and the communication links are not stable. In the vehicle opportunity network, the transmission of information is realized by the exchange of data when the vehicle nodes meet, and the data of these exchanges contain a lot of information, such as the speed and location of the nodes.

In most research on the vehicle network, the opportunity routing algorithm and its related research account for a large proportion. The main goal of these routing algorithms is to select the appropriate relay vehicle nodes for the transmission of information, so that the effective transmission of information is completed in the shortest time.

In this paper, ONE (Opportunistic Network Environment) simulation platform is used to model the network system of vehicle opportunity network, and then several classical routing algorithms in vehicle opportunity network are studied. Then the relevant parameters are set up to set up different vehicle network simulation fields. Finally, in the simulation platform, the model is modeled. The vehicle opportunity network scene completes the simulation of the classic routing algorithm, and obtains three performance indexes of the network delivery rate, information delay and network overhead through the generation of reports, and analyzes the three indicators to judge the advantages and disadvantages of several classic opportunity routing algorithms.

Key Words：VANET; ONE simulation platform; classical opportunistic routing algorithm; performance index

目 录

第1章 绪论 1

1.1 车载网络研究背景 1

1.2 车载网络相关应用 1

1.3 车载网络综述 1

1.4 机会网络的基本概念 3

1.5 章节安排 5

第2章 车载机会网络路由算法研究 6

2.1 路由算法概述 6

2.2 机会路由算法的分类 6

2.2.1 根据机会转发的路由算法 6

2.2.2 根据预测的路由算法 7

2.2.3 根据计划的路由算法 7

2.3 经典机会网络路由算法简介 7

2.3.1 First Contact和Direct Delivery路由算法 7

2.3.2 Epidemic路由算法 8

2.3.3 Spray and Wait路由算法 8

2.3.4 Prophet路由算法 9

2.3.5 MaxProp路由算法 10

2.4 路由算法度量值 11

2.4.1 递交率 11

2.4.2 消息延时 11

2.4.3 网络开销 11

2.5 本章小节 12

第3章 仿真实验及分析 13

3.1 仿真平台介绍 13

3.2 实验参数介绍 14

3.3 实验设置 15

3.4 仿真结果及分析 16

3.5 本章小节 20

第4章 总结与展望 21

4.1 总结 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 车载网络研究背景

随着时代的发展进步，汽车越来越成为人们日常出行的主要交通工具之一，一方面，汽车为人们的出行提供了便利；另一方面，随着道路上的车辆数持续增长，它也带来了很多交通方面的问题，如交通事故，交通拥塞，交通资源消耗等，对社会发展起到了消极影响^[1]。为了更好的发挥出汽车的用处，车载自组织网络技术越来越被人们关注。通过车载网络，车辆间可以进行数据通信，驾驶员可以及时的获得道路交通信息，这有利于行车安全，缓解交通拥塞，也有利于交通管理部门的监控和管理^[2]。除此之外，通过车载网络，还可以为驾驶员提供商业性服务，如视频和文件共享，移动办公等等。

1.2 车载网络相关应用

一般地，车载应用可以分类为道路安全、行车效率和信息娱乐应用。

⑴ 道路安全

关于道路安全相关的应用，车辆安全通信（VSC）联合会确立了一些潜在的应用：交通信号违章警告，车道变换警告，预碰撞感知，曲线速度警告等等。希望通过VANET来减少交通事故的发生，特别是连环交通事故。车载网络可以及时有效的将附件发生的交通事故或者道路异常在附近路段进行广播，驾驶员也能够主动查询周围路段的道路信息，可以及时疏散车流，有效的避免交通事故的发生。

⑵ 行车效率

关于行车效率的应用，车到车通信联盟（C2C-CC）综合研究了线路导航、红绿灯设置咨询服务和合并车道助手。一些比较经典的应用有智能路口系统，实时交通等等，可以智能调节红绿灯时间间隔来控制路口的车流量，还能为车辆规划车辆行驶的最优路径^[3]，有利于提高行车效率。

⑶ 信息娱乐

对于信息娱乐的应用，这是一个非常多样化的概念，包括：收费、燃料消耗管理、广播、兴趣点通知和连接网络等等。车辆用户能够更好的更加便利的得到信息服务，获取实时信息，更好的规划行程。

1.3 车载网络综述

对VANET的阐述，可以出以下四点来说：

⑴ 智能交通系统（ITS）

在VANET中，节点有两种，分别是车辆节点和路边单元节点^[4]，两者都具有接收，存储，转发数据和路由的功能。区别在于，车辆节点代表的是可以移动的车辆，其所处位置是可以不断变化的，而路边单元节点则是固定在道路两边的节点，位置是固定不变的。实际中，ITS中存在着三种通信结构^[5]，分别是车辆之间通信、车辆到路边单元之间的通信和基于路由的通信。这三种通信结构都依赖于周围环境的精确和及时的信息，这就需要精确的定位系统（如Bluetooth，ZigBee等）和智能的通信协议（如GPS，DGPS等）。

⑵ 车辆间通信

这种车辆间通信模式是行驶在道路上的车辆之间进行数据交换的模式。其模式图如图1.1所示，车辆间通信配置使用多跳多播/广播来将与多个跳变^[6]相关的业务传送到一组接收机。

图1.1 车辆间通信模式

⑶ 车辆到路边的通信

该通信模式是固定在道路两边的路边单元给行驶在道路上的车辆传递数据的结构。其模式图如图1.2所示，车辆到路边单元的通信配置是单跳广播，其中路边单元向附近所有装备的车辆发送广播消息。

图1.2 车辆到路边单元的通信模式

⑷ 基于路由的通信

基于路由的通信模式如图1.3所示，其通信配置是多跳单播，其中消息以多跳方式传播，直到到达所需数据的目的车辆。

图1.3 基于路由的通信模式

1.4 机会网络的基本概念

容忍延迟网络（Delay Tolerant Networking）^[7]指的是网络中的连接和消息的传递会有很大延迟。而机会网络（Opportunistic Network），顾名思义，则是利用节点相遇机会进行信息传递。机会网络是延迟容忍网络的一种路由方式^[8]。

机会网络与传统的自组织网络不同，即使源节点和目的节点之间没有一条完整的链路，它也能运作。 因为其通信机制是利用节点间的机会相遇进行数据交换的，各个节点间使用“存储-携带-转发”的路由策略进行通讯的^[9]。 正是因为这种基于相遇机会的通信机制，在一些通信比较差的环境，比如在一些通信设备不完善的地方，机会网络有比较大的应用，其也能更好的发挥作用。

图1.4是一个机会网络的模型图，节点S想要将数据发送给节点R，然而在t1时却没有一条连通这两个节点的路径，所以t1时刻节点S把数据传给了节点3，然后到了t2时刻，因为节点3没有到节点R的通路，所以t2时刻节点3把数据传给了节点4，最后到了t3时刻，因为节点4有连接到节点R的通路，所以在t3时刻，节点4就将数据传给了节点R，至此数据就算是传送成功了，整一个通信过程结束。

图1.4 机会网络模型图

与传统的自组织网络相比，机会网络有以下特点：

⑴下一跳不能确定

因为节点是随机运动的，节点间的通信完全是基于相遇，但因为节点相遇具有一定的随机性，所以节点的下一跳是无法确定的。

⑵时延大

因为机会网络的数据传输并不一定有一条端到端的传输路径，当节点没有发生相遇，含有消息数据的节点会将数据信息继续保留在缓存中，等到节点相遇后才会再次转发，所以时延通常会比较大。

⑶传输不一定成功

因为节点间的数据通信是随机的，如果包含数据的节点始终都没有和目的节点相遇，那么数据就传不到目的节点，那么本次传输就是失败的。

⑷网络间歇性连通

由机会网络的特性可知，机会网络中并不能保证一条端到端的完整链路并且机会网络中网络的拓扑结构变化很快。

⑸误码率较高

由于机会网络中节点相遇时间较短并且通信链路不稳定，在这较短的时间里面要传输数据就容易导致误码，从而误码率就会偏高。

1.5 章节安排

本文主要是对车载机会网络的经典路由算法进行研究分析，总共分为四个章节，具体的各章节的安排如下：

第一章是本文的绪论部分，主要介绍了车载网络的研究背景、作用及相关应用和车载网络的通信模式，还为我们介绍了机会网络的基本概念和其与移动自组织网络之间的一些区别。

第二章主要是介绍路由相关的知识，首先讲述了什么是路由算法，路由算法应该具备什么样的特性，接着按转发策略将路由进行分类，然后介绍6种经典的机会路由算法，最后再介绍路由算法的度量值。

第三章主要介绍ONE仿真平台及其参数表示的含义，接着介绍应该如何设置参数，在default_setting.txt记事本中分别进行两组实验参数的设置，进行仿真，根据仿真结果比较各种经典路由算法的优劣性。

第四章是总结章，是对前面三章进行总结。总结了一下本文所做的一些工作，然后对6个经典算法的性能做了个分析总述，并对车载网络以后的研究方向进行了一些展望。

第2章 车载机会网络路由算法研究

2.1 路由算法概述

路由算法是指在网络中选择最优的消息传输路径，即网络中的节点利用网络中的相关信息，按照一定的原则进行消息转发路径的选择。路由算法的主要功能是确定消息转发的下一跳传输路径。一般地，一个理想的路由算法应该具有以下的几个特征^[10]：

⑴准确性：顾名思义，准确性意味着路由算法必须是准确，这是路由算法所有特性的前提条件。

⑵简洁性：简洁性是说路由算法应该尽可能的简单一些。如果路由算法太过复杂的话，会给整个网络带来额外的传输时延和网络开销，这就有悖于路由选择的初衷，所以路由算法要尽可能的设计的简单些，争取做到获得较大消息转发成功率的前提下而传输时延和网络开销尽可能小。

⑶自调节性：自调节性是指路由算法能够根据网络拓扑和流量变化做出对应的调节。比如网络中突发故障，通过自调节性，路由算法可以重新得出一条最优路径。

⑷公正性：公正性是指路由算法一定对全部客户是公正的，确保整个网络达到最佳。如果只考虑让某一用户享受最优服务就是不公正的表现。

⑸最优性：最优性意味着路由应提供最佳传输路径来最小化分组延迟并最大化吞吐量。所谓最优是在各种标准下，如延迟、网络开销、错误率等，综合起来达到最优。

2.2 机会路由算法的分类

机会网络路由算法多种多样，算法的思想、适用情形也各不相同。如果按照转发思想来分类的话，可以将其分为2.2.1到2.2.3所介绍的这三类^[11]。

2.2.1 根据机会转发的路由算法

在机会网络中，根据机会转发的路由算法比较常见。当节点A和节点B相遇时，携带数据的节点A会把数据转发给另一个节点B，B节点可能只是中间节点，也可能是目的节点，并且A节点也不会判断转发数据给B节点是否为最佳路径。根据机会转发的路由算法有Epidemic算法、Spray and Wait算法、EBR(Erasure coding Based Routing)算法和MULE（Mobile Ubiquitous LAN Extensions）算法等等。其中Epidemic算法和Spray and Wait算法属于机会网络的经典路由算法，其思想将在2.3小节介绍。

2.2.2 根据预测的路由算法

在根据预测的路由算法中，预料最优转发节点的依据是历史记录。经常相遇的节点间再次相遇的概率也会比一般不常相遇的节点的概率要大。这类路由算法有Prophet算法、MaxProp算法、MobySpace算法、MV算法和CAR路由算法。其中Prophet算法和MaxProp算法也是经典路由算法，其思想也将在第2.3小节进行介绍。

2.2.3 根据计划的路由算法

在一些应用下，一些节点会按照计划移动，比如公共汽车会按照计划在固定线路上行驶，所以各个节点只要提前知道这个计划，那么它们就能够通过该计划来判断用不用把数据分组转发过去。MF（Message Ferrying）算法就是一种根据计划的路由算法，其工作机理如下：Ferry节点拥有分发数据分组的功能，并且它们能够在整个网络中移动，把那些需要转发的数据分组集合起来。因为知道Ferry节点的移动计划，如果网络中的其它节点需要获得某些数据，这些节点会主动朝着Ferry节点移动。

2.3 经典机会网络路由算法简介

机会网络有众多的路由算法，每一种路由算法都有其各自的特点，并且适用于不同的场景，本文中主要研究的有2.3.1到2.3.5小节所介绍6种典型路由算法。

2.3.1 First Contact和Direct Delivery路由算法

就First Contact和Direct Delivery路由算法而言，两者同属于根据转发策略的路由算法，在这一种路由算法中，节点只会转发数据分组而不会复制，所以全部网络场景中只留有唯一的数据分组。First Contact算法的思想是源节点A把数据分组转发给其本身所遇到的第一个节点B，然后该节点B又将数据分组转发给它所遇到的第一个节点C，就这样一个传一个，一直到传送到目的节点，传送结束。First Contact算法数据转发是完全随机的，即碰到哪个节点就把数据转发给哪个节点，且网络中只有一个副本，所以容易推想该路由算法的递交率很低，信息延时很大，而网络开销也会较大，综述可得，First Contact算法性能不是很理想。Direct Delivery算法转发数据分组的唯一情况是：源节点和目的节点相遇。若两者一直都没有相遇，则源节点一直保留着数据分组而不进行转发，直到超过消息的存在时间，丢弃消息。Direct Delivery路由算法是一个极端，即从不复制消息，只有在与目的节点相遇的时候，才会转发消息。根据Direct Delivery算法转发思想可知，该路由算法的递交率是比较小的，信息延时又比较大，这两个性能都不怎么好，但其有一个优点，即网络开销为0，所以该路由算法适用于网络环境较差的情景。

2.3.2 Epidemic路由算法

Epidemic算法是Amin Vahdat和David Becker在文献^[13]中提出的，Amin Vahdat等人在文献^[13]中给出算法的3个目标，分别是：

⑴最大化数据分组的传输成功率；

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