城市场景车载自组网仿真平台及路由协议研究.docx

1、城市场景车载自组网仿真平台及路由协议研究城市场景车载自组网仿真平台及路由协议研究 分类号U DC密级单位代码大连海事大学硕士学位论文城市场景车载自组网仿真平台及路由协议研究杨帅指导教师何荣希职称学位授予单位大连海事大学10151教授申请学位类别工学硕士学科(专业)信息与通信工程论文完成日期xx10答辩日期xx11答辩委员会主席万方数据IlIlll ll1l ll llllIllll lUIY2696325Research onSimulation PlatformandRouting ProtocolforVehicular AdHoc Networksin UrbanScenariosA t

2、hesisSubmitted toDalianMaritime UniversityInpartial fulfillmentof therequirements forthe degreeofMaster ofEngineeringYangShuai(Information andCommunication Engineering)Thesis SupervisorProfessorHe RongxiNovemberxx万方数据大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博硕士学位论文!越壶扬量奎夔自缉圆鱼真王

3、鱼丞堕由迹这婴塞。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 同意将本学位论文收录到中国

4、优秀博硕士学位论文全文数据库(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、中国学位论文全文数据库(中国科学技术信息研究所)等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口(请在以上方框内打“”)燃一如叶?名邪日期矽中年7月仫日万方数据中文摘要摘要作为智能交通系统杰出的解决方案，车载自组网(Vehicular AdHoc Network，VANET)近年来吸引了越来越多的关注，己成为一个研究热点。 IEEE8021lp协议是对传统IEEE80211系列协议的扩展，是专注于车载环境通信而设计的技术。 VANET的

5、通信场景和网络结构等方面与其他无线网络存在重要差别，作为VANET的一个重要环节，路由协议扮演了重要角色。 本文对车载自组网的仿真平台和路由协议进行研究，搭建了基于IEEE80211p的城市场景联合仿真平台，分析了VANET中几种典型的路由机制，并提出一种改进的路由协议。 论文首先分析了车载自组网的特点、结构、应用以及接入技术与典型的路由机制，阐述了IEEE80211p物理层和MAC层技术特性，然后在OPNET己有IEEE80211a节点模型基础上，构建了IEEE80211p模块，并与专业交通仿真软件VaMobiSim搭建了城市场景下车载自组网联合仿真平台，其中VaMobiSim负责生成道路拓

6、扑和汽车交通数据，OPNET负责在搭建的不同城市场景中对网络协议的仿真。 随后利用该仿真平台对IEEE80211p的性能和AODV、DSR及GRP路由协议进行了仿真分析。 仿真结果表明IEEE80211p比IEEE80211a具有更优越的性能，而且相比于AODV和DSR，地理位置路由协议GRP更适合于车载自组网。 为了进一步提高GRP路由协议的性能，本文还对GRP邻区尺寸的划分进行研究，通过对大量仿真数据的分析，归纳出一定网络拓扑条件下GRP邻区尺寸与VANET中汽车数量对应关系的数学模型，为GRP邻区尺寸的划分提供理论依据。 在进一步深入研究GRP路由协议后，发现GRP在选择下一跳邻居节点的

7、转发算法上存在不足，为此对GRP算法中存在的缺陷进行了优化和改进，提出一种改进的地理位置路由协议fImproved GeographicalRouting Protocol，IGRP)。 最后，对GRP与IGRP进行仿真对比。 仿真结果表明IGRP充分利用了路由协议中邻区划分和分层的策略，有利于选择地理位置更具优势的节点转发数据包，增加了数据包到目的节点的机会，在投递率、延迟、路由跳数和回溯数方面都优于GRP。 关键词车载白组网；联合仿真；路由协议；lEEE80211p万方数据中文摘要万方数据英文摘要ABST队CTAs arlextension of IEEE80211standards，IE

8、EE8021l pis anexcellent solutionandspecially developedfor vehicularwireless municationsin Intelligent Transport SystemRecently，VANET hasattractedmuch attentionand beena researchhotspotThemunication environmentand workarchitecture in VANET aredifferent fromotherwireless municationsystemsAs acritical

9、part，routing protocol plays avery importantrolein VANETsIn thispaper，we investigatethe simulation platform androuting protocolfor VANETs inurban scenariosWe buildan urbanscenario simulationplatform with IEEE8021lpbased onOPNET andVaMobiSim，and evaluatethe performanceofIEEE8021la and IEEE8021lp，then

10、proposean improvedrouting protoc01We firstanalyze thecharacteristics，structure，application，aess technologyand differentmechanismsof routingprotocols for VANETs，and thenintroduce theIEEE8021lp physicallayerand MAClayer technologySecondly，we buildan IEEE8021lp modulebased onexistingIEEE8021la nodemode

11、l inOPNET toevaluate VANETswithIEEE8021lptechnologyThirdly，we developan integratedsimulationplatformforVANETsbased onVaMobiSimand OPNET，where VaMobiSimis responsiblefor generatingtraffic datawhileOPNET isin chargeof simulatingprotocols indifferent scenariosBased ontheintegrated simulationplatform，IE

12、EE8021la andIEEE8021lp areparedIn addition，we investigateAODV，DSR andGRProuting protocolsthoroughly byextensive simulationsSimulation resultsshow thatGRP whichuses geographicallocation informationis moresuitableforVANETsFurthermore，in orderto improve the performanceof GRP，we analyzethe neighborhoodd

13、ivisionand hierarchicalmethod inGRPAfter extensivesimulationsa mathematicalmodelabout relationshipbetween GRPneighborhood sizeand vehiclenumbers is presented for agiven workscale，which ishelpful toprovide atheoretical foundationto choosetheneighborhood sizeof GRPAfter anin-depth analysisof GRP，espec

14、ially itsnext hopselection，aiming atits twodrawbacks innexthopselection，some improvementshavebeenprovided aordinglyand anew improvedgeographical routingprotocol(IGRP)ispresented，which jointlyconsiders distanceand hierarchicalfactor andtakes fulladvantageofneighborhood divisionto choosea moresuitable

15、 neighboras nexthopSimulation results万方数据英文摘要show thatIGRP canimprovetheperformance inpacket delivery，work delay，routing hopsandbacktrack numberThereforeit ismuch beaerthan GI冲foraVANET withan urbanenvironmemKey WordsVehicularad hoework(VANET)；Joint Simulation；Routing Protocol；IEEE8021lp万方数据目录目录第1章绪

16、论?111课题研究背景?112课题研究意义?213论文的主要内容及结构安排?3第2章车载自组网概述?521车载自组网?5211车载自组网的特点?5212车载自组网的结构?6213车载自组网的应用?9214车载自组网研究面临的挑战?922车载自组网接入技术?10221蜂窝移动通信技术?11222WIMAX?11223WIFI?11224移动卫星接入系统?11225WAVE?1123车载自组网路由协议?13231基于拓扑的路由协议?14232基于地理位置的路由协议?18233基于地图的路由协议?2124本章小结?2l第3章基于IEEE80211p的城市场景VANET仿真平台研究?2331IEEE8

17、0211p?23311IEEE8021lp物理层技术?23312传统IEEE80211MAC层技术?24313增强式分布信道访f司(EDCA)协议?29314IEEE8021lp MAC数据单元?一33315IEEE8021lp MAC协议新特性?3532OPNET和VaMobiSim联合仿真平台搭建?36321城市场景车辆移动模型?36322VaMobiSim?37万方数据目录；23OPNET39324联合平台搭建?4033IEEE8021lp性能仿真分析?45331仿真参数设置?45332IEEE80211a与IEEE8021lp对比分析?4534基于IEEE80211p的路由仿真对比分析

18、?4935本章小结?51第4章GRP路由协议的改进及仿真分析?5341GRP路由协议介绍?53411GRP划分邻区分层策略?54412GRP路由表?55413GRP转发策略?5642GRP邻区尺寸设置?一59421研究方法?59422研究结论?5943GRP路由协议改进?61431GRP路由算法的缺陷?61432具体的改进措施?6344仿真结果?65441仿真参数设置?65442仿真场景?66443仿真结果?6745本章小结?71第5章总结与展望?73参考文献?75攻读学位期间公开发表论文?79致射?80作者简介?81万方数据城市场景车载自组网仿真平台及路由协议研究第1章绪论11课题研究背景全

19、球经济的高速增长带来了交通运输行业的迅猛发展，随着机动汽车数量的迅速增加，交通安全事故频发、道路交通堵塞、停车困难、道路交通引起的沿路环境恶化、全球环境不协调、能源消耗增长等现象日趋严重，交通基础设施土地资源紧张等问题日益突出，为了有效地解决这些交通问题，欧洲、美国等世界主要发达国家都提出了智能交通系统(IntelligentTransportSystem，ITS)的概念【l2】。 ITS系统采用了检测、通信、计算机、控制、GPS和GIS等现代高新技术，有效地集成运用于整个交通运输管理体系13J，以建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统，从而提高路网的交通

20、吞吐量和服务质量、改善环境质量、提高能源利用率、预防交通事故的发生。 ITS还能够实现车辆的智慧驾驶和辅助驾驶，通过信息采集和无线通信技术，ITS将各种交通与车辆相关的信息(行驶速度、路El红绿灯、刹车、超车、道路状况等1和周围车辆实现交换和共享，车载自组网(Vehicular Adhoc Networks，VANET)为这种无线通信技术提供了重要技术支持。 无线通信技术的发展带动了车载通信技术的进步，在提高道路交通安全、道路运行效率、提供舒适应用等方面，VANET正起着越来越重要的作用，越来越多的国家、汽车工业、研究机构开始致力于VANET的研究，而VANET也正成为一个热点研究方向。 智能

21、交通系统对VANET具有很高的性能需求，IEEE8021lp是一个标准的IEEE80211扩展通信协议1，主要用于车载无线通信接入技术。 IEEE80211p定义和规范了车辆环境无线通信技术的MAC层和物理层，它是决定VANET性能的一个重要环节。 VANET是一种移动自组织网络(Mobile AdHoe Network，MANET)，但它表现出截然不同的特点，比如具有高度动态的拓扑、预定义的车辆道路、不可预知司机行为等16J。 由于VANET中的所有节点的地位平等、自组织、没有预先安排的基础设施或中央控制节点和节点的高速移动导致了网络拓扑的动态变化的通信环境，这使路由协议成为VANET中最关

22、键的技术【781，在很大程度上路由协议决定了VANET整体的性能。 因此分析、研究、选择和设计合适的路由协议具有重要意义。 万方数据第1章绪论12课题研究意义人类生活水平不断提高，人们外出旅游、办公、购物时需要一种更为安全、舒适与高效的出行环境。 加快交通基础设施建设，提高交通基础设施和运输装备的利用效率、减少交通公害对加速发展公路交通运输事业具有十分重要的意义。 在城市环境下，车辆密度大，城市道路密集错综复杂，交通规则众多以及受树木和高大建筑影响，城市场景下的车载通信技术研究面临着新的挑战和机遇，因此研究城市场景下的车载自组网对交通安全、道路资源利用等方面具有重要意义。 主要表现在以下几个方

23、面 (1)交通安全紧急情况发生时，车辆之间的信息交换和车辆的辅助驾驶功能能够使驾驶员第一时间了解紧急情况信息，减轻驾驶员的驾驶疲劳，有助于驾驶员根据实际情况做出及时、正确的操作，减少交通事故的发生，保障驾驶员和乘客的交通出行安全。 (2)道路资源利用利用车辆终端采集到的道路路况信息，通过车与车、车与控制中心共享，能够使驾驶员及时了解道路使用和车流量信息，使驾驶员合理规划路程，避开占道率高的交通线路以选择合适道路，从而节省驾驶员出行时间，有效解决道路交通阻塞问题，提高通行效率，实现道路资源的有效利用。 (3)协调控制车与车、车与路的协调控制是未来智能交通发展的趋势，车辆之间的协调控制可以通过车辆

24、间的通信实现，例如，根据交叉路口的回馈信息，通过控制中-th,合理控制交叉路口的红绿灯时间，协调车辆先后通行顺序。 在交叉路口红灯结束时，实现所有车辆的同步起步，减少红绿灯等待时间，解决滞后拖延问题，提高路VI车辆通行效率。 (4)服务和应用车载自组网与Intemet、移动蜂窝网、无线局域网等网络的互联，能为乘客在乘车之余提供正常的娱乐、通话、办公、网络购物等服务和应用。 作为新兴产业，VANET在世界各国的不断发展和巨大的市场应用潜力，将为汽车工业、硬件设备制造商、网络服务提供商以及数据通信工业提供新的市场商机。 VANET作为未来社会智能交通运输管理的核心系统，是一个能够进行快速、双向、大

25、规模信息万方数据城市场景车载自组网仿真平台及路由协议研究交换的系统。 信息通讯技术的发展为VANET的实现提供了必要条件。 同时，推行ITS将会加速信息相关技术装备的进步，并带动其它领域信息与远程通信社会的进步，从而推动信息与远程通信工业的普及与发展。 13论文的主要内容及结构安排本文首先对车载自组网的特点、应用等方面进行了深入讨论，对VANET的接入技术和路由协议进行了研究，随后研究了IEEE8021l系列技术和专用于智能交通车载环境的IEEE80211p新技术及其优势特点。 同时研究分析了斯图加特大学开发的开源交通仿真器VaMobiSim，掌握该仿真器的技术及相应的关键模块设计，对其在道路

26、仿真的具体参数设置以及产生的道路交通仿真数据进行分析，并以此搭建了城市场景下OPNET与VaMobiSim智能交通联合仿真平台，实现了VaMobiSim与OPNET的联合应用。 在联合仿真平台的基础上对IEEE80211p的性能进行了仿真分析。 最后，分析了车载自组网中AODV、DSR和GRP三种典型的路由协议，并针对GRP路由协议的不足进行改进，提出一种适合城市场景下VANET的路由协议IGRP，并进行了仿真研究。 论文共分为五章，各章的组织结构及内容如下第1章绪论，介绍了本文研究的背景和意义，描述了论文的研究内容，最后给出了论文的结构安排。 第2章车载自组网概述，首先介绍了车载自组网的特点

27、、结构、应用和车载自组网所面临的挑战，讨论了车载自组网的接入技术，最后详细分析了车载自组网的三种主要路由协议。 第3章基于IEEE80211p的城市场景VANET仿真平台搭建，首先从物理层到MAC层对专用于车载通信环境的IEEE8021lp技术进行了详细研究，并利用OPNET与VaMobiSim搭建了基于IEEE80211p城市场景智能交通联合仿真平台，利用该平台对IEEE80211p的性能进行了仿真研究，在此基础上，对比了IEEE802“p协议下AODV，DSR和GRP三种路由协议的性能。 万方数据第l章绪论第4章GRP路由协议的改进及仿真分析，从邻区划分与分层、路由表和转发策略三个方面对GRP路由协议进行了深入分析和研究，并对GRP邻区尺寸的设定给出了数学模型，为邻区划分提供依据。 最后设计了一种改进的GRP路由协议IGRP，并通过仿真验证了改进协议的有效性。 最后是全文的总结与展望，对论文的研究内容和研究成果进行总结，并指出论文研究中存在的不足及下一步需要进行深入研究的方向。 万方数据城市场景车载自组网仿真平台及路由协议研究第2章车载自组网概述车载自组网(VANET)是智能交通和智慧城市建设当中重要的一个环节。 不