毕业论文-基于OMNeT++的VANET最优传输路径选择.doc

二 一 四 届 毕 业 设 计基于OMNeT+的VANET最优传输路径选择学 院：电子与控制工程专 业：自动化姓 完成时间：2014年6月11日二一四年六月 摘 要近年来，随着智能交通系统的高速发展，车载自组织网络作为智能交通系统的关键技术备受关注，因此应用于VANET车载自组织网络中的关键技术得到了广泛研究。其中，OMNeT+是一种面向对象的离散时间仿真软件，并且能够运行于Windows、Linux等多个操作系统之下，能够对复杂的交通情况、随机的交通突发事件切合实际的模拟与仿真。 随着无线网络技术的发展，提出一种新型的无线网络技术无线Ad Hoc网络（Mobile Ad hoc Networking，MANET）。这种无线网络是不依靠任何基础设施，直接由无线节点组建而成的网络，各个无线节点通过无线接口传输数据，具有不依赖固定基础设施的数据传递、自组织和管理等特点。如今，许多路由协议是基于移动自组织网络设计的，而一些协议可以直接应用于VANET车载自组织网络中国,从而使VANET成为MANET在智能交通领域中新的应用技术，已经逐渐成为无线网络及智能交通系统中非常热门的研究课题。 车载自组织网络VANET(Vehicular Ad Hoc Networks)可谓是非常关键的技术，它具有高速运动、节点数量大、跟随路径移动以及通信的质量受复杂的环境影响等特点，因此其研究重点及网络体系结构跟常规的无线自组织网络有很大的区别。它是在道路上构建一个自动组织、高效模拟突发交通状况、位置布置开放的车辆间的通信网络。 由于车载自组织网络中车辆节点数量大，VANET系统中需要解决的难题就是寻找和维护实时路由信息，使得这项研究具有很高的挑战性。本论文在分析了VANET的特点，总结了VANET 研究现状的基础上，着重研究了VANET 下的路由协议，最后提出一种基于GPCR路由算法的VANET 仿真平台的设计与实现。基于位置信息的路由算法，很适用于网络环境高速动态变化的道路交通网络。很多路由协议都采用这种算法，比如Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR)等等。关键词：无线 Ad Hoc网络，车载自组织网络，OMNeT+ AbstractIn recent years, with the rapid development of intelligent transport systems, vehicle self-organizing network technology as a key concern of intelligent transportation systems, and therefore used in VANET car key self-organizing network technology has been widely studied. Which, OMNeT+ is an object-oriented discrete-time simulation software, and can run on multiple operating systems under Windows, Linux, etc., capable of complex traffic conditions, traffic incidents random realistic modeling and simulationWith the development of wireless network technology, the paper proposes a new wireless network technology - Wireless Ad Hoc Networks (Mobile Ad hoc Networking, MANET). This is not to rely on any wireless network infrastructure, set up by wireless nodes directly from the network, each wireless node to transmit data through a wireless interface, with no reliance on fixed infrastructure for data transmission, such as self-organization and management features. Today, many routing protocol is based on mobile ad hoc network design, and some protocols can be directly applied to VANET vehicle self-organizing network China, making VANET become MANET in the field of intelligent transportation applications of new technology, has gradually become a wireless network and smart transportation system is very hot research topic.Car ad hoc networks VANET (Vehicular Ad Hoc Networks) turns out to be very critical of technology, it has high speed, large number of nodes, the quality of the path followed by the mobile and communications complex environmental impact, etc., and therefore the focus of their research and network architecture with conventional wireless ad hoc networks are very different. Communications network which is built on the road an automatic organization and efficient simulation of unexpected traffic conditions, location, open layout between vehiclesAs the vehicle-vehicle ad-hoc network nodes in large quantities, VANET systems need to solve the problem is to find and maintain real-time routing information so that the study has a high challenge. This thesis analyzes the characteristics of VANET, summed up the status quo on the basis of VANET research, focuses on the routing protocol under VANET. Finally, the design and implementation of a GPCR-based VANET routing algorithm simulation platform. Routing algorithm based on the location information, it is suitable for high-speed network environment dynamic road network. Many routing protocols are using this algorithm, such as Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR), and so on.Keywords: Wireless Ad Hoc Networks, Vehicle Ad Hoc Network, OMNeT+摘 要2第一章 绪论61.1 课题研究背景61.2 国内外研究现状71.3 课题研究的目的及意义71.4 本次课题研究的创新点81.5 本次论文结构介绍81.6 本章小结10第二章 课题理论基础112.1 智能交通系统的描述112.1.1 智能交通系统的简单介绍112.1.2 智能交通系统中的子系统介绍122.1.3 无线技术在智能交通系统中的应用142.2 移动自组织网络的概述152.2.1 移动自组织网络的起源152.2.2 移动自组织网络的含义162.2.3 移动自组网的独有特性172.2.4 移动自组织网络的体系结构182.3 本章小结20第三章 车载自组织网络VANET的相关研究213.1 车载自组网的概念213.2 车载自组织网络的结构特点及应用233.3 车辆自组织网络面临的问题253.4 本章小结25第四章 车载自组织网络中路由协议的研究264.1 基于位置信息的路由协议264.1.1 辅助路由GPSR的介绍274.1.2 辅助路由GPCR协议的介绍314.2 广播路由协议324.3 本章小结33第五章 OMNeT+仿真软件345.1 OMNeT+软件概述345.2 OMNeT+仿真软件的组成345.3 OMNeT+的总体框架及仿真模型实例355.4 NED 网络描述语言375.4.1 NED网络描述语言的应用特性385.4.2 NED网络描述语言的应用实例385.5 C+中的算法编写405.5.1 C+中的算法实现405.5.2 C+算法实现的应用实例425.6 用 OMNeT+进行仿真建模的大致流程445.7 本章小结47第六章VANET 仿真平台设计与实现486.1 算法说明486.1.1 路由算法一：基于位置信息的路由算法（GPCR）486.1.2 路由算法二：广播路由536.2 VANET 仿真与测试556.2.1 仿真软件组件介绍556.2.2 仿真模型框架及仿真硬件介绍556.3 本章小结57第七章 结论587.1 本论文研究结果总结587.2 前景展望60致谢 63第一章 绪论 1.1 课题研究背景 在智能交通系统中，车载自组织网络VANET(Vehicular Ad Hoc Networks)可谓是非常关键的技术，它具有高速运动、节点数量大、跟随路径移动以及通信的质量受复杂的环境影响等特点，因此其研究重点及网络体系结构跟常规的无线自组织网络有很大的区别。它是在道路上构建一个自动组织、高效模拟突发交通状况、位置布置开放的车辆间的通信网络。VANET 着重应用于智能交通系统中，它将非常先进的 IT 技术、信息实时更新技术、车辆跟踪技术、计算机处理技术以及电子设备控制技术等高速地集成运用于整个交通运输系统中，并且及时有效地解决交通运输中的问题，保证交通的顺畅，提高交通系统的承载能力，改善驾驶的疲劳情况。 由于车载自组织网络中车辆节点数量大，VANET系统中需要解决的难题就是寻找和维护实时路由信息，使得这项研究具有很高的挑战性。本论文在分析VANET的特点，总结了 VANET 研究现状的基础上，着重研究了VANET下的路由协议，最后提出一种基于GPCR 路由算法的VANET仿真设计与实现。 1.2 国内外研究现状 车载自组织网络 VANET 起源于军事应用，后来社会发展需要和人们的生活水平，对于信息获取的要求也急剧需要提高，那么车载自组织网络应用于生活中也是很有必要的，其快速地发展速度也给大量的汽车厂商和研究机构带来了福音，更多的资金投入到车载自组织网络的发展中，更有深度的技术研究投入到车载自组织网络中，使得其更加快速而有效的发展。 就现有数据表明，越来越多的政府机构科研院所和汽车厂商都加入了研究车载自组织网络的研究行列中，可见车载自组网络（VANET)技术的成熟应用指日可待。就研究起始时间而言，日本的汽车电子技术协会是最早研究车载间互相通信。紧跟着，国外的Car TALK2000项目也立即被加入研究工作的行列，研究重点就是提高汽车的安全性和舒适性。 1.3 课题研究的目的及意义 车载自组网络 VANET 的英文缩写是Vehicular Ad Hoc Networks,相对于比较一般移动自组织网络而言,它是一张应用环境比较特殊的移动自组织网络。车载自组织网络VANET(Vehicular Ad Hoc Networks)可谓是非常关键的技术，它具有高速运动、节点数量大、跟随路径移动以及通信的质量受复杂的环境影响等特点，因此其研究重点及网络体系结构跟常规的无线自组织网络有很大的区别。它是在道路上构建一个自动组织、高效模拟突发交通状况、位置布置开放的车辆间的通信网络。由于车辆间的通信要求及时有效，那么在传输是过程中能够允许的时延也实在是太短，因此对于车载自组织网络的技术要求就更高一个层次。如何选择当前最佳最短路径就是需要解决的重中之重的技术问题。车载组织网络对于路由协议最关键的问题是使用最少量的网络资源来实现最短的传输时延。对于以往研究中的移动自组网络的一些路由协议是完全能够直接应用于当前或者未来的车载自组网络中,但是由于当前和未来的车载自组网络中车辆节点的移动速度特别迅速，那么就显得使用的以往的路由协议的达不到节点位置快速变换的要求。总结这些多的实践与理论对比结果，分析出能够设计出一些路由协议专门应用于车载自组织网络成为车载自组织网络能够高效应用的关键。 1.4 本次课题研究的创新点 GPCR的英文全称是Greedy Perimeter Coordinator Routing，它提出了一种新型的专门解决城市道路环境路由问题的方法，具有创新性地采用了被限制的预备先选择路径的贪婪转发策略，为了保证所选路由路径安全可靠，这种策略提出了在总共的边缘结点中优先使用离目标地址距离最短的结点作为数据路由，这种策略结合了协调结点的概念。其中协调结点是表示位置处于路口的结点，如果要选择下一跳，优先使用离目标地址距离最短的结点作为数据路由。 本论文在分析了VANET的特点，总结了VANET研究现状的基础上，着重研究了VANET下的路由协议，最后提出一种基于GPCR 路由算法的VANET仿真设计与实现。 1.5 本次论文结构介绍 本文主要分为三部分：第一部分是详细地阐述了本次课题研究需要的理论基础知识以及一些关键的支撑技术，例如智能交通系统的概念，VANET技术国内外研究现状，VANET技术中路由协议难点等。第二部分主要详细地介绍了本次课题中依靠的仿真平台OMNET+，以及在VANET技术路由算法的基础知识。第三部分就是本次课题研究的重点就是GPCR路由算法实现车载自组织网络仿真与设计，这部分的内容分别阐述了 GPSR、GPCR 路由算法的概念,最后实现了基于GPCR路由算法的VANET仿真设计。 本篇论文章节安排如下： 第一章概括地阐述了本次课题研究的背景以研究目的，简单地分析了 VANET国内外的发展现状，并且明确了本次课题研究的主要内容，需要解决的问题，以及本次研究的创新点。 第二章介绍了如今被广泛关注的智能交通系统。详细地阐述了智能交通系统的定义以及一些典型的智能交通系统模型。然后是介绍了当前智能交通系统中涉及到的无线通信技术，包括智能交通系统中的车辆间互相通信技术、无线传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等。 第三章主要介绍车载自组织网络VANET技术中的路由协议的主要内容。由于车辆网络中节点移动速度迅速，网络拓扑结构变化频繁，因此在车载自组织网络中，路由协议的设计成为了重中之重的部分。路由协议决定了两个通信实体之间交换信息的方式，它包括了设定路由路线，转发决策，路由维护，路由恢复等。 就以往研究结果来看，车载自组织网络路由协议的分类主要有三大类，分别 是地理组播路由协议（geocast routing)、单播路由协议（unicast routing）、广播路由（broadcast routing）。本章内容中会详细地介绍这几种协议的相互区别以及在实际应用中的区别。 第四章是总结以往经验之后，对VANET的技术基础知识进行了简单而详细地阐述。本章主要从三个方面来阐述VANET技术，第一个方面车载自组织网络一般采用的三种路由算法，以及它们之间的相互区别，后续的工作会采用GPCR贪婪路由算法进行仿真。对于车载自组织网络的技术体系结构作出了详细而明了地介绍。本章的最后是总结了车载自组织网络的关键技术特点，简单提出了在后续的研究中需要解决的技术难点。 第五章着重研究了本次课题研究的仿真软件OMNeT+。OMNeT+模拟仿真器是面相离散事件的，对于智能交通系统中复杂的交通状况，路边设施的繁多，OMNET+仿真器都可以准确地、快速地将实际与仿真结合，分析交通突发情况，并且及时有效地提出解决办法，使得交通系统通畅，保证了驾驶的舒适度。 第六章是VANET仿真设计部分。GPCR 是基于位置信息的路由算法，很适用于网络环境高速动态变化的道路交通网络。这个章节分别从路由算法的选择，广播报文处理流程，仿真平台的选择与测试几个方面来阐述车子自组织网络的设计与实现，最后得出预期结论。 第七章是结论与展望部分。着重总结在本次课题研究中涉及到的关键技术和重要理论，是对本次课题研究的梳理与总结，以及在研究过程中遇到的问题和需要进一步研究的方向。第二章 智能交通和移动自组网原理2.1 智能交通系统的描述 智能交通系统ITS 英文全称是Intelligent Transport System，是就VANET 技术的应用方面提出来的，非常先进的 IT 信息技术、路况信息及车辆信息更新技术、车辆位置定位、以及计算机控制技术等多项先进技术高效地运行于整个车辆交通运输系统中，最后形成一种高质量运行、信息准确、控制技术先进的综合交通系统。 2.1.1 智能交通系统的简单介绍 随着生活水平逐渐提高，人们对驾驶的舒适度有了更高的要求。因此近年来对智能交通系统的研究引起了广泛的关注及相关部门的高度重视。对于路况实时信息、周边地区生活指南、车辆安全信息等，智能交通系统都可以在大范围内、准确地提供更新。因此智能交通系统能够准确地获取所需信息，相应地改善交通管理系统，减少交通事故，提高驾驶的舒适度。然而，只有交通网络中的车辆与车辆之间，车辆与路边建筑之间、路边建筑与路边建筑之间具有相互通信的能力，才能有效地、全面地发挥智能交通系统的作用。 2.1.2 智能交通系统中的子系统介绍 1)车载自动控制系统。车载自动控制系统，就相当于人机交互，车载能够辅助驾驶者或者车上乘客完成驾驶或相关车内操作。指辅助驾驶员驾驶汽车或替代驾驶员自动驾驶汽车的系统。该系统通过安装在汽车前部和旁侧的雷达或红外探测仪，可以准确地判断车与障碍物之间的距离，遇紧急情况，车载电脑能及时发出警报或自动刹车避让，并根据路况自己调节行车速度，人称“智能汽车”。目前，美国已有 3000多家公司从事高智能汽车的研制，已推出自动恒速控制器、红外智能导驶仪等高科技产品。 比如说车辆中的乘客需要听音乐，或者需要实时地或许路边设施的信息，那么车载可以智能地完成相关控制，满足人民的需求，如图2.1 所示。图 2.1 智能车载控制系统 2)交通环境实时监测系统。智能交通系统中的交通环境实时监测系统相当于行车周边情况探测器，它会实时准确地告诉驾驶者周边路况信息，比如说驾驶者需要到达的目的地，从原点出来，走哪条路线是最快速，走哪条路线是路况是最好，或者说会提示驾驶者哪条线路交通运输压力很大，哪条线路处于施工状态等等。 3)运行车载管理系统。运行车载管理系统的高质量运行就需要借助于全球定位技术，例如欧洲普遍使用的 GPS、中国的北斗导航系统等，如图2.2所示。图 2.2 运行车载管理系统 为了保证它能够高效运转，除了借助一些定位技术和网络技术，还需要一些车载装置，比如定位终端等等。 4)多方面信息更新系统。随着当前信息技术的发展，电子产品，数码产品成为人们生活不可缺少的一部分之后，人们对于多方面信息的获取需求逐渐提高。比如喜欢户外运动的朋友就会实时地关注最近景区天气情况，游客数量多少等，以方便自己的出行。喜欢新奇事物的朋友就会不断地刷新网页，获取实时的更新信息。 2.1.3 无线技术在智能交通系统中的应用 目前，国内外众多国家都面临这许多交通现实问题，比如城市道路拥堵，道路吞吐量小，驾驶质量，行车环境，能源浪费，空气污染等等一系列的问题，而智能交通系统就是解决上述问题的最佳方法，提高道路运输质量，增强驾驶舒适度。而要有效解决城市交通问题，让智能交通系统有效地发挥作用的前提条件是智能化的交通管理与交通信息更新，实现车辆间，车辆与道路设施间信息化更新传递。 就现有技术而言，国内实现车辆间信息更新传递主要是依靠固定的监测传感器，这种技术在现实应用中取得了一定的成功，但是距离人们预想的需求还是相差很多，需要更进一步的研究。从传感技术最大化实现上来看，车辆本身的信息特别是车辆在道路中的位置是智能交通系统全面化实现的基础，因此在研究仿真平台的时候，应该注意对车辆位置信息的更新。在典型的智能交通系统中，现在能够实现的一些系统有 GPS 定位导航系统、交通信息更新系统、不停车收费系统、智能交通信号灯控制系统电子警察抓拍系统等等。 在智能交通系统的无线技术的实质应用来看，就是将现有的无线通讯技术应用于日常交通控制和交通管理中，由人工与智能交通系统相结合来管理交通，解决交通事件。无论你是在办公室、大街上、家中、汽车上，只要采用其中任何一种方式，你都能从信息系统中获得所需要的信息。有了该系统，外出旅行者就可以眼观六路、耳听八方了。例如GPS定位导航系统，就是将无线通信技术与计算机设备结合安装在每辆汽车上，那么在一个大范围内，这些搭载了通信设备的车辆就能够组成动态自组织网络，达到车辆之间互相通信的目的，从而预防和避免交通事故的发生，动态地调整行车路线，避免交通拥堵。这种应用就是实用性非常高、技术比较成熟的车载自组织网络的应用。 2.2 移动自组织网络的概述 自组网(Ad Hoc)是一种基于无线技术的移动通信网络。这种网络具有多跳的实时性自治能力,整个网络没有固定的基础设施,由一系列带有无线收发装置的移动节点构成。 众所周知，只有找到移动通信网路的中心点，并且把这个中心点给予预先设置的网络，那么网络中的交通设施才能正常运行。但是就实际应用而言，很多网络都是动态的，不是静态的。比如说交通系统中车辆位置改变，地质灾害后的营救部署等等。这些动态的环境不能仅仅依赖于任何固定的网络通信设施，而是需要一种能够快速自组织的移动网络，那么Ad Hoc网络就应运而生了。 2.2.1 移动自组织网络的起源 从移动自组织网络的发展来看，美国在1973年提出了 PR 网络PacketRadio。ALOHA网络是在1969年建立的一种网络，这种网络需要有位置是固定的基站，而且技术上要求网络中的全部节点都能够和其它任意节点直接连接，并且能够做到实时地点对点通信，它是一种比较单一的单跳网络，一直到美国提出的PR 网络，真正含义的多跳网络才正是出现，PR网络中的每一个节点跟任一节点不要求能够直接连接，而是可以通过中继的方式，在两个相隔距离比较遥远无法直接传递信息的节点之间能够实时通信。IEEE 协议组在研究并发布802.11标准时，率先提出将PR网络正式更名为Ad Hoc 网络，但是技术上保持一致，因此Ad Hoc网络技术就此诞生了。 2.2.2 移动自组织网络的含义 简而言之，自组织网络实际上就是移动终端和计算机控制技术、有线技术相互融合的一种网络。在信息网络中，自组织网络选择的信息交换机制是计算机技术中的分组交换方式，移动终端需要扮演双重身份。第一种身份就是电脑主机，这种身份是面向用户而言，用户需要在主机上浏览各种网页、安装各种应用程序、编辑各种语言等。第二种身份是路由器，移动终端能够根据用户需要运行各种路由选择路径，并且可以根据相关要求策略完成分组交换中的转发任务和路由维护任务。自组织网络技术要求拥有实时准确、高效快捷的路由协议，那么就要求移动终端话费最短的时间资源，找到最为准确快捷的路径，更新准确的路由信息， 最大程度地降低路由协议的开销，使得自组织网络基本满足移动终端内存较小、电源续航能力差的硬性条件限制。 移动自组织网络中没有固定的基础建筑、监测设施，网络中的终端是采用分布式机制，具有自我修护能力、无线多跳的功能。它能够不借助交通环境中的路边建筑设施和现有的通信网络设施，就能够使网络中的所有移动终端相互实时通信，由于移动终端受到自身技术条件的限制，比如电池续航能力、发射功率、覆盖直径范围等等。所以相对于距离比较遥远的移动终端就需要借助其他终端设备作为节点转发信息，如图2.3所示，节点与节点之间的相互通信就形成了移动自组织网络的多跳性。 图 2.3 车载自组织网络的多跳性 综上所述，移动自组织网络具有两种工作方式，第一种方式是与Internet网络、现有智能电话网络等融合共同工作，实现节点与节点之间的相互实时通信，第二种方式是移动自组织网络独自工作，兼顾选择最快速准确的路径和转发节点线通信信息的功能。 2.2.3 移动自组网的独有特性 移动自组织网络中没有固定的基础建筑、监测设施，网络中的终端是采用分布式机制，具有自我修护能力、无线多调的功能。它能够不借助交通环境中的路边建筑设施和现有的通信网络设施，就能够使网络中的所有移动终端相互实时通 信，它独有的特性有以下几点： 1)通信路径实时变化。移动自组网中由于移动终端具有随时变换位置、终端随便待机和开机、终端无线设备发射功率实时变动、信道间信噪比变化不定、信道噪声不可预料等等一系列复杂情况的特点，那么直接导致移动终端在选择最佳最优路径时需要根据情况的变化而实时变化，那么基于无线信道的网络结构必然发生变化无规律的变化，那么节点与节点之间的实时通信路径也将变化无常。 2)具有较强的适应性。由于自组织网络中节点与节点间的实时通信路径变化无常，那么由路径选择形成的路由网络也就随时随地变化，那么自组织网络中就区别于其他网络最大的特点就是没有中心节点，没有严格的指挥控制节点，网络中所有的节点一视同仁，所以它是一种平等的自组织网络。任何节点可以随时随地地加入或者离开网络，同理可得网络中的任意节点突然离开网络，都不会对网络造成质的影响，不会导致移动自组织网络不能正常运转，因此具有很强的适应性。 3)特有的多跳性。移动自组网中由于移动终端具有随时变换位置、终端随便待机和开机、终端无线设备发射功率实时变动、信道间信噪比变化不定、信道噪声不可预料等等一系列复杂情况的特点，那么节点与节点之间要实现实时通信就需要利用相近节点进行转发分组信息，那么无线自组网就具有很强适应性，是一种多跳无线网络。 4)信道带宽有限。由于无线自组织网络中，完成路径选择和信息转发的功能都是移动终端设备完成的，所以移动终端的特性直接决定了无线自组织网络的传输质量。由于移动终端设备具有电池续航能力差、内存小，而与之相互竞争的无线信道发射功率强、无线覆盖范围大的特点，那么在相互竞争时，在无线信道中产生的时延、抖动、噪声、衰减等不可避免的因素都将是移动终端的实际带宽利用率降低。 5)不可抗拒的移动终端物理特性。由于无线自组织网络中，完成路径选择和信息转发的功能都是移动终端设备完成的，但是为了终端具有良好的移动性，那么必然会牺牲一部分硬件资源，比如说电池续航能力降低、终端体积变小、无线发射功率降低等等一系列的物理因素，因此就要求我们在设计软件程序时，必须要照顾这些不可抗拒的移动终端物理特性。 2.2.4 移动自组织网络的体系结构 移动自组织网络 MANETMobile Ad Hoc Network 实际上就是移动终端和 计算机控制技术、有线技术相互融合的一种网络。在移动自组织网络中，节点与节点直接可以无距离限制地相互实时通信。它是由一组带有无线接收送装置的移动节点组成的临时性自治系统，具有不需要基站支持，能够处理多种临时突发事件的特点，移动自组织网络由互联网和计算机通信设备组成，主要用于突发事故较多的地区，满足应急通信，以及军用移动通信领域。Ad Hoc 网络采用分布式控制方式，并且节点之间具有自组织功能。分布式控制就是将网络的控制功能分散到多个节点或者全部节点中，而节点的自组织功能是指网络拓扑结构变化的情况下可以自动检测到网络拓扑改变的信息，动态确定传输路由和选择工作参数，从而实现网络的控制和管理的功能。由此可见，Ad Hoc 网络的体系结构和设计需要充分考虑到。网络的自组织特性和其特殊的应用环境。 1)移动节点结构 Ad Hoc 网络节点既具有移动节点的作用，也具有路由器的功能。所以就节点的作用而言，可以将节点分为计算机主机、路由器设备、电台三个部分。移动终端需要扮演双重身份。第一种身份就是电脑主机，这种身份是面向用户而言，用户需要在主机上浏览各种网页、安装各种应用程序、编辑各种语言等。第二种身份是路由器，移动终端能够根据用户需要运行各种路由选择路径，并且可以根据相关要求策略完成分组交换中的转发任务和路由维护任务。 2)移动网络结构 移动自组织网络的体系结构从技术上可以分为两种结构，第一种是平面结构，第二种是分级两种结构。平面结构网络中所有节点由网络控制。路由选择和流量管理上都是平等的。平面结构的优势就是非常简单，在原则上不存在瓶颈，网络比较容易壮大。节点和节点之间一般存在多条路径，能够理想地实现负载平衡和选择最优化路由。平面结构不足之处就是网络规模有限，可扩充性差。当平面结构的网络规模增加到一定的数量的时候，所有的带宽都将被路由协议所占用完。分级结构的 AdHoc 网络被划分为团。每个团由团头和多个团成员组成，把这些团放在一起就形成高一级的网络。在高一级的网络中，可以的继续分团知道最高级。在分级结构中，团头节点负责团间数据的转发。在分团结构网络中，团成员的功能都非常基础简单，它们不需要具有记忆复杂的路由信息的功能，所以分团结构具有很好的可扩充性和抗毁性。而它的缺点也非常显著它增加了路由计算的复杂性，团头的节点任务比较繁重，团间的路由也不一定是最佳路由。在通过团头转发的过程中，造成报文时延的可能性还是比较大。2.3 本章小结本章介绍智能交通和移动自组网的原理并分别用模型图形象描述其框架。2.1节进行了智能交通系统介绍，2.2节移动自组网的介绍。其中智能交通系统是大的前提，移动自组网是一大类应用概述，基于OMNET+的VENET仿真是实现智能交通系统的一个步骤。第三章 车载自组织网络VANET 的相关研究 车载自组织网络VANET（Vehicle Ad Hoc Networks）是智能交通系统中非常关键的技术，是智能交通系统高效发挥作用的前提条件。 3.1 车载自组网的概念 车载自组网VANETVehicle Ad Hoc Networks是一种快速移动户外通信网络 Fast Moving Outdor Comunication Network，还有另外一种说法是自组织交通信息系统SOTISSelf-organzing Traffic Informtion System。 车载自组织网络是一种具有自身特殊特性的的移动自组织网络，在车载自组织网络中，搭载了无线互连接口设备的车辆统一称之为节点。车载自组织网络将车载与车载之间的通信，车载与车载之间的简介通信，车辆与路边固定设施之间的通信都包括在其中，因此它是一种节点与节点之间混连网络。车载自组织网络的整体框图如图3.1所示。图 3.1车载自组织网络体系结构图 由车载自组织网络体系结构图可知，整个网络从通信对象上来讲可以分为两种方式。第一种是车载与车载之间的有效通信V2VVehicle to Vehicle；第二种是车载与路边固定设施之间的相互通信V2IVehicle to infrastructure。由上图可知，图中的卫星通信系统提供了全球定位技术GPS和数据控制多媒体技术DMB，这两项技术在都是有车内网关的定位模块和乘客通信设备共同完成。车载自组织网络结构中车载单元包含几大模块，它们分别是用于定位通信的定位模块，车辆通信模块，车辆状态的参数采集模块，车辆与车辆之间的通信模块，通信信息输入输出模块设备。 车辆与车辆之间的实时准确通信就能使道路交通系统中的路况信息得到最大化的资源共享，例如车辆之间的安全距离、行驶道路的路况信息等，这就充分保证了交通道路的最大流通性，提高了驾驶者的舒适度，缩短了驾驶者的驾驶时间。车辆可以跟固定在路边的路边单元进行通信。路边固定设施，例如周边娱乐场所，电子显示屏，生活服务站等等都统一称之为路边单元。例如一位驾驶者驾车寻找周边用餐的地点，那么通过信息实时更新，驾驶者不仅仅能够在最短时间内找到最佳行驶路径，还可以预定餐位等。 车载单元可以通过驾驶者或者乘客的便携式设备跟无线VLAN网络互连，跟车载自组织网络的核心控制中心进行相互实时通信。核心控制中心主要具有道路交通管理、紧急时间发布与处理、车载收费管理及通信信息发布等功能。例如在道路交通系统中，有些路段车流量过大，吞吐量过小，那么控制中心就会以广播的通信方式向周边车辆发布实时信息，这条道路的周边车辆就会及时地调整行驶路线，避免道路拥塞了。又例如道路交通系统中有重要紧急事故发生，那么控制中心就会及时地发布事故信息，并且及时地联系有关部门联系协助解决交通事故。 3.2 车载自组织网络的结构特点及应用 移动自组织网络中没有固定的基础建筑、监测设施，它就具有自我修护能力和无线多条的功能，但是它还是具有自己独特的特性，比如说移动自组织网络的通信路径随时变化，对于实际交通情况有很强的适应性，不同的交通道路情况都可以随时随时改变网络拓扑。还有就是移动自组织网络特有的多跳性，移动终端可以随时变换位置。但是由于移动终端的物理性限制，它的通信信道带宽利用率比较低。 移动自组织网络中应用广泛的就是现在大家常说的车载自组织网络，在人们的生活中始终存在，它除了具有传统移动自组织网络的特点之外，还具有自己的独特特性。 由于现代城市交通情况相当复杂，紧急交通事件的发生，道路的及时维护，车流量的不定性多与少，这些因素都随时随地地增大交通压力，而使得车载自组织网络对于实际交通道路情况实时更新，还要以广播的方式发布实时信息，无形中车载自组织网络中的核心控制中心的管理压力会随之加大。 随着城市生活节奏越来越快，生活服务类信息越来越多，那么在城市交通系统中车载节点的移动速度都非常之快速，那么在技术支持方面要求车载自组织网络VANET能够快递准确地解决各种问题。比如说车载自动倒车系统，对于驾驶证初学者来讲，在车位非常紧张的停车场内，利用自动倒车系统停靠车辆既安全又很有效，那么必然会受到越来越多的驾驶者的欢迎。再例如驾驶者不用再便携式的终端设备，就可以及时或许周边娱乐信息，商场打折促销信息，24 小时天气信息，实时交通信息等等。因此随着未来的城市的快速完整发展，生活水平的 逐渐提高，车载自组织网络会广泛并有效地应用于各个领域中。这也促使越来越多的研究机构对其进行深入研究和理论实践，越来越多的汽车厂商会注重开发车载自动服务类技术，从而整体带动车载自组织的发展。 正是由于车载自组织网络这么众多的独有特性，促使它在各个领域都得到了有效的应用。 车辆自组织网络在满足车辆间实时通信要求，提高驾驶者车辆安全质量表现得非常优秀。其中包括紧急情况处理、防撞系统、倒车雷达等等多项实用技术。但是，我们要清楚只有车辆间能够快速准确地实时通信，接收最新交通道路路况信息，才能有效地做出应急措施，才能够最大化地将减少交通事故。例如在车辆行驶过程中，突然出现机械故障造成紧急制动，那么车载就需要马上启动车载广播通信系统，告知周边车辆，周边车辆需要作出紧急措施，尽量将事故的发生率控制到最小。又或者说，在恶劣的天气环境下车辆行驶更加需要车载自组织网络的辅助功能，避免重大交通事故的发生和车流量的拥塞。 随着科技水平的提高，数码产品也越来越融入到人们的日常生活当中。众多的车辆搭载了 GPS 等一系列的定位导航设备，结合卫星通信系统，车辆会自动定位自己所在的位置，并且接收控制中心发来的紧急周边信息，这样驾驶者就能充分知晓车辆位置信息，明白所在道路的各种复杂情况，那么驾驶者就能做出相应的驾驶措施，提高驾驶质量，保证驾驶过程中安全。现在电子狗的应用也非常广泛，在相应的行驶路段，会有不同的限制速度，比如说高速路上快车道和行车道都有上限速度的限制，那么驾驶者就会实时地控制自己的车速，避免超速而造成交通事故的发生。比如说有些交通情况复杂的路口会安装红绿灯通行指示装置，那么在靠近路口时，车载装置会自动提示驾驶者，保证驾驶者按照交通灯的指示通行，也确保了驾驶者和过往行人的安全。 随着城市生活节奏越来越快，生活服务类信息越来越多，那么在城市交通系统中车载节点的移动速度都非常之快速，那么在技术支持方面要求车载自组织网络VANET 能够快递准确地解决各种问题。比如说车载自动倒车系统，对于驾驶证初学者来讲，在车位非常紧张的停车场内，利用自动倒车系统停靠车辆既安全又很有效，那么必然会受到越来越多的驾驶者的欢迎。再例如驾驶者不用使用便携式的终端设备，就可以及时获取周边娱乐信息，商场打折促销信息，24 小时天气信息，实时交通信息等等。因此随着未来的城市的快速完整发展，生活水平的逐渐提高，车载自组织网络会广泛并有效地应用于各个领域中。 3.3 车辆自组织网络面临的问题 车载自组织网络路由协议目前面临的问题还比较严峻。比如说怎么样才能跟上节点变换快速的节奏，如何让网络拓扑的路径利用率提高等等一系列问题都急需解决。再则，由于车辆与车辆之间的实时通信部不允许传输时延过大，那么如何缩短传输时延也是车辆自组织网络一直面临的问题。 综上所述的一些问题，那么我们在研究车辆自组织网络路由协议的理论实践并且设计路由协议模块时应该考虑到一些实际的问题。主要包括预测网络拓扑图的下一次变化方式，提高无线通信质量，缩短传输时延等。3.4 本章小结本章介绍车载自组织网络VANET（Vehicle Ad Hoc Networks），从其特点应用及所面临的困难进行了着重描述。3.1节介绍了车载自组网的概念：一种快速移动户外通信网络，还有另外一种说法是自组织交通信息系统。3.2节介绍了车载自组网的结构特点及应用。3.3节阐明了车载自组网所面临的问题。概念是前提，应用是目的，所面临的困难是我们为了更好地应用需要解决的问题。第四章 车载自组织网络中路由协议的原理及建模 前面的理论研究表明，鉴于车辆网络中车辆节点位置变化速度相当快，导致网络拓扑结构变化非常频繁，因此路由协议的设计技术在车载自组织网络中占有相当不可取代的地位。路由协议决定了两个通信实体之间交换信息的方式，它包括了设定路由路线，转发决策，路由维护，路由恢复等。 就以往研究结果来看，车载自组织网络路由协议的分类主要有三大类，分别是地理组播路由协议（geocast routing)、单播路由协议（unicast routing）、广播路由协议（broadcast routing）。但是本次课题研究中使用到的路由协议是基于位置信息的路由协议和广播路由协议，那么下面就从概念和应用两个方面详细介绍这两种路由协议。 4.1 基于位置信息的路由协议 随着全球定位技术GPS和中国北斗卫星定位导航技术的广泛应用，已经从军事领域的应用延伸到民用领域，这就促使很多电子厂商对于定位终端产品的开发与生产，那么在车辆上安装 GPS 定位信息接收器和北斗卫星定位终端就是一件低成本的投资，车辆就可以最大限度地获知最新的交通道路路况信息，自己车辆所在的位置，陌生地点的路线导航信息等等。而基于位置信息的路由协议就是在这些车载终端设备为硬件基础的先决条件之下提出的一种基于分组发布信息的路由协议，在随着网络中车辆节点的位置变化而不断改变路径选择，设计路由策略等技术方面变得相当良好。那么在众多路由协议中，基于位置信息的路由协议被许多专家学者公认为是非常有发展前景的路由协议，也是当前研究追捧的佼佼者。 就以往研究理论来讲，基于位置信息的路由协议一般包括两个方面，第一个方面是车载位置信息更新服务，实时获取网络中车载节点所处道路中的位置信息。另外一个方面是更新的信息要求分组转发。在基于位置信息的路由协议中，车辆节点可以通过无线通信网络结合车辆搭载的 GPS 定位终端进行实时的获取周边道路信息以及车载节点的位置信息，陌生道路的导航信息等等。车辆获得相应的实时信息之后，就会以分组转发的方式把信息及时地发送给无线局域网覆盖内的车辆及路边信息接收设施，做到所接收到信息能够最大化的全网共享，尽量避免重大交通事故的发生，保证交通道路的通畅，提高车辆驾驶舒适度。 4.1.1 辅助路由GPSR的介绍 就目前基于位置信息的路由协议发展来看，基于位置的辅助路由GPSR、GSR、GPCR、SAR、A-STAR、GyTAR 等在路由协议设计中扮演了重要角色。 GPSRGreedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Networks这是一种贪婪便捷无状态路由，它是一种非常到目前为止比较新颖的为无线数据包网络专门设计