空间链路协议（精选3篇）
空间链路协议 篇1
空间卫星光通信链路主要包含LEO-LEO、LEO-MEO, LEO-GEO以及GEO-LEO。在空间卫星光通信链路中, LEO将获取到的遥感数据, 通过GEO中继站转到相应的地面空间站, 这是星间通信和星地通信。卫星遥感图像分辨率的提高对卫星数据的传输速度有很高的要求, 现有的卫星数据传输速率不已能满足信息通过空间卫星链路进行大容量交换的工作。
空间卫星光通信能够有效突破低轨卫星与定点卫星间高码率通信, 但高频调制速率和大功率光源技术是目前空间卫星光通信链路中的关键点和难点, 为有效实现空间卫星间的光通信, 应当提高光源的发射功率和调制码速率, 并采用灵敏度相对高的接收机。
本文分析探讨了空间卫星光通信链路的关键技术, 在现有技术的支持下选择了可行性方案。
一、空间卫星光通信链路关键技术
捕捉、对准与跟踪系统、通信系统以及辅助系统组成了空间卫星光通信的整个终端。由于信号光束发散时角度很小, 大约10-20μrad, 在建立空间卫星通信链路过程中, 对准与跟踪技术是空间卫星光通信链路的关键技术, 对准与跟踪技术的精准度直接影响光通信系统的通信质量。
空间卫星间通行特点主要表现为距离长、码速率高以及误码率低, 空间卫星光通信对光通信光源的功率要求也因此而更高, 加上对准与跟踪精度和系统对体积、质量和功率的限制, 信号光的波速太小无法满足通信需要, 同时接收天线的限制和光源功率需求的增加也是空间卫星通信链路的关键技术。
LEO-GEO的通信距离为45000km, 通信码速率为1Gb/s, 通信误码率为10-7, 考虑到卫星的质量和体积的限制, 应当选择孔径为250mm的天线来实现卫星间的通信。当发射天线效率、接收天线效率、对准与跟踪指向偏差、链路储备以及接收机灵敏度分别为-3d B、-7 d B、-2d B、1d B和-40d Bm时, 根据以上公式可以得出, 当发射光束发散角为10μrad时, 光源发射功率应当达到5.9W;当发射光束发散角为20μrad时, 光源发射功率应达到23μrad。
二、空间卫星光通信链路尖技术的解决方案
卫星间光通信的波长通常在800nm、1060nm和1550nm三个波段中选择, 在质量、体积和功耗限制下, 卫星间通信的激光光源大多数选择的半导体激光器是800nm和1060nm波段的。目前, 对于1550nm波段, 随着光放大器技术越来越成熟, 光功率的放大技术也更为成熟。
由于目前相应的800nm波段的卫星光通信波放大器达不到理想的效果, 所以需要用更大功率的激光器进行直接和间接综合调制。然而, 激光器功率的增大, 对调制带宽和深度要求也越来越高, 同时也对调制电压提出了更高要求。800nm波段的激光器在单纵模和单横模方面比1550nm波段的激光器都要差, 不宜采用直接的调制方法。
对此, 对于800nm波段的调制最好采用间接调制的方式。从通信系统整体来看, 一味的想要提高发射端的功率是不现实的, 为更好的实现空间卫星光通信, 可以提高接收机的灵敏度, 将灵敏度改善3d B, 或者将光源发射功率降低3d B。但是设计和制造高灵敏度的接收机有很大的工作难度, 受目前技术的限制, 提高接收机的灵敏度是一项艰难的但又不得不解决的关键技术。
三、空间卫星光通信链路技术解决方案的对比
从空间卫星光通信链路关键技术来看, 以下两种方案可以采用:第一, 在1550nm波段, 可以直接耦合低功率分布反馈式激光器与光纤功率放大器得到码速率高的发射光源, 在接收端加入前置掺铒光纤放大器来提高接收机的灵敏度。第二, 是针对于800nm波段的, 调制时利用大功率的激光器进行, 同时同样用波分复用技术降低单路通信码速率, 这样可以提高接收机的灵敏度。
从激光器性能上看, 1550nm波段的分布反馈式激光器可以进行良好的单纵模激光输出性, 且系数相对较小。如果选择单模尾纤的输出方式, 有利于光束的微弧度量级的准直。多纵模输出是针对800nm波段的大功率激光器, 输出系数大, 使得光束的准直变得困难。从背景光的影响上来看, 来自太阳光、地面反射光以及其他星光的背景光对800nm波段的干扰相对比较大。
同等条件下, 进入探测器时800nm波段的噪声比较大;从接收机的灵敏度来看, 虽然800nm波段的探测器性能优于长波的探测器性能, 但是1550nm波段采用的前置掺铒光纤放大器, 使得接收机的性能大大优于短波时的性能。此外, 800nm波段为了降低单路通信码速率, 必须采用复用技术。通过比较分析1550nm波段和800nm波段这两种解决方案的优缺点, 得出1550nm波段的方案更适合空间卫星光通信链路之间的高码速率通信。
空间链路协议 篇2
为IP模块发送和接收IP数据报;
为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答;
为RARP发送RARP请求和接收RARP应答;
以太网是当今TCP/IP采用的主要局域网技术，它采用CSMA/CD(带冲入检测的载波侦听多路接入)的媒体接入方法，速率为10Mb/s，地址是48bit。
ARP和RARP协议对32bit的IP地址和48bit的硬件地址进行映射。
IP数据报有以太网封装和IEEE 802分装格式等，常用的是以太网封装。
SLIP和PPP经常用在低速串行链路。
SLIP：串行链路IP，它是一种在串行链路上对IP数据报进行封装的简单形式。SLIP适用于RS-232串口和高速调制解调器接入Internet。
RS-232接口图：
SLIP封装比较简单，有一些缺陷：1.每一端必须知道对方的IP地址。数据帧中没有类型字段，
如果一条串行链路用于SLIP，则不能同时使用其他协议。3.没有在数据中加校验和。
由于串行线路的速率较低，且通信经常是交互式的，故有CSLIP(压缩SLIP)，CSLIP把20字节的IP首部和20字节的TCP首部，共40字节，压缩到3或者5个字节。
PPP点对点协议修改了SLIP协议中的所有缺陷。
PPP比SLIP具有下面这些优点：(1)PPP支持在单根串行线路上运行多种协议，不只是IP协议;(2) 每一帧都有循环冗余检验;(3) 通信双方可以进行I P地址的动态协商(使用IP网络控制协议); (4) 与CSLIP类似，对TCP和IP报文首部进行压缩;(5) 链路控制协议可以对多个数据链路选项进行设置。为这些优点付出的代价是在每一帧的首部增加3个字节，当建立链路时要发送几帧协商数据，以及更为复杂的实现。
环回接口：允许运行在同一台主机上的客户程序和服务器程序通过TCP/IP进行通信。一般环回地址是127.0.0.1。
最大传输单元(MTU)：以太网MTU为1500字节，IEEE802 MTU为1492，SLIP是296字节。如果IP层有一个数据报要传，但是数据长度比链路层的MTU大，则IP层需要进行分片，把数据报分成若干片，使得每一片小于MTU。
空间链路协议 篇3
在车载自组织网(Vehicular Ad-hoc NETwork,VANET)中,车辆快速移动以及拓扑频繁变化使得车流密度在完全连通、部分连通或连通性低三种状态来回切换,使得车载网中的路由协议一直处于不稳定状态,链路断裂时有发生。而设计路由的方法是为了提高路由稳定性,提升路由的整体性能,因此进行路由设计时应充分考虑影响路由稳定性的因素,进一步提高链路稳定性,提高端到端的链路持续时间。
按需距离矢量路由协议(Ad hoc On-demand Distance Vector Routing,AODV)是一种典型的按需路由协议[1],当某个节点需要与目的节点建立通信时会发起路由请求。AODV协议借鉴动态源路由协议(Dynamic Source Routing,DSR)路由寻找和路由维护的优点,同时又借鉴目的节点序列距离矢量路由(Destination Sequenced Distance Vector Routing,DSDV)协议的逐条机制、最新目的节点序列号的优点,因此AODV协议无需存储之前的路由,减少了网络开销。AODV路由主要分为路由寻找和路由维护,路由寻找又包括正向路径的建立和反向路径的建立。在路由寻找和路由维护过程中需要用到三种控制包:路由请求包(RREQ)、路由回复包(RREP)和路由错误包(RERR),这三种包都是由UDP产生,是标准的IP包。该协议不能完全适应网络拓扑复杂多变的车载网,其缺点如下:①在路由寻找时采用洪泛机制发送RREQ包,所有接收到路由请求包的节点将都参与转发RREQ,导致网络竞争激烈,浪费网络带宽;②目的节点选择路径时,只考虑最少跳数,即最少跳数的路径为最优路径,而忽略了运动状态如:节点的相对速度,节点角度等影响链路稳定性的关键因素;③路由维护过程采用的本地路由修复,其实质是在断裂处上游节点重新发起路由,并没有考虑如何将断裂处上游节点和下游节点巧妙的连接,修复后的路由长度既大于断裂前的长度,增加了数据传输的时延,同时也浪费了资源。
基于以上AODV的缺点,国内外许多文献对AODV进行了系统的研究与改进,使该路由协议能够更好的适应于车载自组织网络。文献[2]提出一种混合路由协议HLAR,结合基于地理位置的贪婪转发路由AODV-ETX的特点,同时添加本地路由修复的功能寻找一条链路质量最好的路由,使之能更好的适应于车载自组织网络。文献[3]提出一种新的基于地理位置的混合路由协议,在链路出现故障时,该混合协议表现出位置信息的高效扩展功能,能够有效降低路由成本和网络负载,能够更好的适应于紧急智能传输系统。文献[4]提出利用多径路由协议CBM-AODV,该协议结合了端到端的成功投递率和链路质量两个度量提高路由的可靠性、增强通信链路的寿命,使其能够有效预防链路断裂,降低路由修复的成本。文献[5]侧重于多径路由多跳通信的改善,解决了链路稳定性问题,并且提出LLA方法来寻找更为稳定的通信路径,使路由符合Qo S的要求,能够提供实时安全信息服务。文献[6]提出AODV-DFR协议,该协议将定向转发机制和基于地理位置的贪婪转发机制结合,设计一个混合路由方案的定向转发,把节点的位置信息作为路由更新的依据。文献[7]提出AODV-ETX协议,该协议结合期望传输次数(ETX)和跳数两种影响因素选择一条链路质量最好的路由。文献[8]在路由寻找时考虑路侧辅助单元RUS,把连通时间最长的两条路径作为最优、次优路径,同时设置路径阈值,当链路连通时间超过阈值时自动进行最优、次优路径切换,降低链路断裂的几率。文献[9]分析影响路由性能的因素:车辆速度、车辆密度和车辆节点数,基于AODV协议引入群协议进行路由的选择,使数据包能够以高效稳定的传输到目的节点。文献[10]提出了G-AODV协议,该协议将周围邻居节点分为强邻居节点和弱邻居节点自适应发送HELLO;在此基础上按照稳定性和链路长短因素提出主路由和备选路由,提高路由稳定性。文献[11]提出LED-AODV协议,该协议在路由寻找过程中考虑转发角度,减少RREQ发送数目;在路径建立过程添加了路由持续时间进行对路径能持续时长的预测,进一步提高路由稳定性能。
为克服原有AODV协议本身的缺点,提高路由稳定性,降低因链路断裂造成的路由修复成本,本文在结合现有路由协议的基础上,提出一种具有稳定链路的改进AODV路由协议(AODV with Stable Link,AODV-SL)。该协议利用车载GPS定位,在路由发起时结合车辆的相对速度、转发角度及节点负载提出节点稳定度(St);在路由选择时选择链路质量(LQ)最高的两条路径作为最优、次优路径,提高路由稳定性;在路由修复时,既采用最优、次优路由直接切换方式,又采用在同向邻居节点、反向邻居节点进行本地修复方式,节约路由修复成本。仿真结果表明,路由协议AODV-SL对比于AODV以及混合式位置路由协议(Hybrid Location-based Ad hoc Routing,HLAR),在平均端到端时延、数据包投递率和标准化路由开销上都有所改善。
2 AODV-SL协议流程及设计
2.1 节点度量
在经典AODV的路由寻找环节综合考虑了车辆的相对速度、源节点和目的节点以及中继节点构成的转发角度、节点负载等影响路由稳定性的关键因素。将这几种关键因素通过归一化的综合加权方式设计出节点稳定度(St),比较节点稳定度大小选择是否再次转发RREQ报文。设节点i的Ni个邻居节点j构成集合为Φi,将定义节点度量St为
其中,j=1,2,…,Ni;β1,β2,β3为权重因子,且有β1+β2+β3=1;υijnormal、φijnormal及ψijnormal分别为以节点i的视角下其邻居节点j的归一化相对速率、归一化转发角度及归一化节点负载,分别定义如下。
设节点i和其邻居节点j的速度分别为矢量,则归一化相对速率υnormalij定义为
其中,j=1,2,…,Ni;υmax为车辆间最大相对速率,例如城市环境下车辆最大允许速率为60km/h,则车辆间最大相对速率为120km/h。
设节点i、邻居节点j以及目的节点d的坐标为(xi,yi),(xj,yj),(xd,yd),则以节点i为顶点,以节点i-节点j,节点i-节点d为边构成的夹角φi为
则归一化转发角度φijnormal可定义为
其中φmax为最大转发角度,取π。
设邻居节点j的负载为Qi,即该节点缓存队列中存储的数据包个数。令Qmax表示节点缓存的队列总长度,即允许存储的最大数据包个数,取64[12]。则归一化节点负载ψijnormal为:
2.2 路由发起
源节点需要与目的节点进行通信时,AODV-SL通过向邻居车辆广播RREQ发起路由,AODV-SL协议的具体流程如图1所示。接收到RREQ包的节点首先查看是否为环路,是则丢弃该报文;然后查看接收到的报文是否为重复的RREQ,是重复包则丢弃该报文;再查看是否与源节点建立反向路径,否则直接建立反向路径;最后在其邻居列表中获得一跳通信范围内邻居节点的位置、速度及角度(这些运动信息通过HELLO消息周期性的进行信息交互存储于邻居列表中),接收到RREQ的邻居节点通过归一化综合加权的方法计算中继节点的节点稳定度(St),判断自身稳定度是否符合继续参与路由寻找的条件,并将节点稳定度通过累加方式存储在路由请求报文中。具体过程为节点通过归一化综合加权的方法计算节点稳定度,比较节点稳定度与随机数(处于0~1)的大小,稳定度大于随机数将继续参与RREQ的转发,并将满足条件的节点稳定度采用累加的方式存储于RREQ报文中继续广播给下一跳邻居节点,继续参与路由寻找,直到路由请求报文达到目的节点;而节点稳定度小于随机数的节点将放弃继续参与路由寻找过程,减少了路由寻找过程中不满足节点稳定度的节点数,节省了网络资源。在比较节点稳定度与随机数大小时可能存在以下几种极端情况:①当节点稳定度很小但大于随机数从而被选为下一跳中继节点的情况,虽然从一跳看可能该节点会造成链路不稳定,但在AODV-SL中目的节点通过计算链路质量LQ的大小选择最终的最优、次优路由,目的节点通过这种方式在一定程度上补偿了误判带来的性能损失;②邻居节点的节点稳定度都小于随机数,即下一跳中继节点中不存在满足继续路由寻找的条件,该节点将通过存储-携带转发的方式承载着RREQ行驶一段距离后再采用AODV-SL路由发起的方式寻找下一跳满足继续寻找路由的中继节点;③节点稳定度较高但小于该节点产生的随机数,此时该节点将不再参与路由寻找过程,若该节点后续又收到其他节点发送的RREQ时,将重新与随机数比较,而高稳定度的节点连续多次小于随机数的概率很小。AODV-SL协议与AODV协议不同的是,在AODV-SL协议中,接收到RREQ的中继节点本身不是目的节点,但拥有到达目的节点的路径的节点,也将通过上述方法计算出节点稳定度,重新选择是否转发RREQ,原因在于该中继节点虽然有到达目的节点的路径,但由于该路径没有考虑相对速度、转发角度和负载等因素,其路由稳定性不是最好的。
相邻节点间的节点稳定度越大两节点越稳定,节点间发生断裂的几率越低,节点稳定度大小运用归一化综合加权的方法,考虑影响稳定性的因素,如相对速度、转发角度和节点负载因素,使得每跳参与路由寻找的节点具有相对较高的节点稳定度。在AODV-SL路由协议中,当源节点需要与目的节点建立通信时,向通信范围内的邻居节点广播RREQ,RREQ请求报文包含数据包类型、跳数、目的地址、目的节点序列号、源地址、源地址节点序列号、路由请求ID、数据包最大生存时间TTL、节点稳定度累加和。通过这种方式发起路由请求有两点优势:①确保了在路由选择过程中每跳选择的转发节点都具有较高的节点稳定度,降低了因链路断裂的风险;②因为不满足稳定度条件的节点将不再参与路由发起过程,避免了RREQ报文简单的进行全网广播,减少了路由请求包RREQ的转发数目,提高了无线信道带宽的利用率。
2.3 路由选择
选择节点稳定度较高的方法发起路由寻找,并将节点稳定度的累加和封装在RREQ包中,直到RREQ请求包到达目的节点。AODV-SL路由协议在路由选择过程中具体实现流程如图2所示。AODV-SL中目的节点第一次收到RREQ请求包后,将等待一个路由发现周期[13](源节点寻找目的节点允许的最大路由请求时间)接收后续发送的有效RREQ包。在等待时间内会有多条连通源节点与目的节点的路径,因此目的节点会收到多个RREQ报文,获取RREQ包中的节点稳定度累加和,同时结合整条路径所经历的跳数设计出链路质量(LQ),由链路质量的大小评估路径稳定性的高低。最终由目的节点挑选链路质量最高的两条路径作为AODV-SL协议的最优、次优路径,同时产生对应的路由应答报文RREP,在路由应答报文中除了目的节点ID外还将获取到最优、次优路由上所有节点的ID,即最优、次优路由上的任意节点都能知晓两条路由上的所有节点ID,修改该报文的目的是为后续的AODV-SL路由修复做准备。
设从节点i到节点d有Nr条链路,并设其中第m条链路包含Nhm跳,其中m=1,2,…,Nr。定义第m条路径的链路质量为LQm,Stmn为第m条路径第n跳的节点稳定度,其中n=1,2,…,Nhm,则有
如式(6)所示,路径的稳定度累加和越大或跳数越少,链路质量越好,链路稳定性越高;反之,链路稳定性越低。由上述方式选择的路径稳定性比传统的AODV更加可靠,因为克服了传统AODV中选择最优路径仅依赖于最少跳数而没有考虑运动状态因素对路由稳定性影响的缺陷。AODV-SL协议由于在路由发起过程中选择每跳中继节点稳定度是相对较高的,而且目的节点进行路由选择时通过比较每条连接源节点到目的节点的链路质量LQ,选择了链路质量最高的两条路径作为最优、次优路由。
AODV-SL路由选择过程包含反向路径与正向路径的建立。参与转发RREQ请求包的中继节点将主动与源节点建立反向路径,目的节点选择链路质量最高的两条路径沿着反向路径产生路由响应包RREP。在AODV-SL协议中,RREP回复包中除了封装有关目的节点信息、源节点信息和跳数外,还将链路质量LQ和所有参与最优、次优路由的节点ID存储在RREQ包中,以便最优、次优路径中的各节点都能掌握两条路由上的所有节点ID,其目的主要用于路由修复过程。RREP报文包含数据包类型、跳数、最优及次优路由所有节点ID、链路质量LQ、源节点及目的节点地址、数据包生存时间TTL。AODV-SL协议的正向路由建立是通过中继节点计算节点稳定度选择是否对路由请求包进行转发,直到目的节点接收到请求包为止。AODV-SL协议在第一次响应了路由请求包后将在以下两种情况进行路由更新:①当目的节点后续收到RREQ请求包后,通过比较链路质量的大小,当后续的链路质量大于原有最优或次优路径的链路质量时,目的节点响应路由请求,产生路由请求包RREP并发送给源节点,更新原有路径;②当后续产生链路质量与原来的最优、次优路径相同时,比较路径中跳数的多少,在相同链路质量条件下,跳数较少的路径比跳数较多的路径具有更高的稳定性,因此更新原有路径。
2.4 路由修复
AODV本地路由修复机制基本原理是当路由上某个节点检测到下游节点处于非连通状态时,该节点将启动本地路由修复过程,寻找是否有到达目的节点的路径,若存在则本地修复成功,若不存在则向源节点发送RRER错误报文。AODV本地路由修复存在的弊端之一是最大路由修复长度的取值将直接影响到修复报文的传播范围,进一步影响该协议的性能如端到端平均时延、分组投递率、路由请求频率及路由开销;另一个弊端是修复后的路由长度将大于原来路由[14],因此AODV-SL在AODV本地路由修复的基础上做了改进,快速处理数据传输时检测到链路处于断路的突发情况。
根据道路上车辆行驶的运动方向与最优、次优路由方向是否相同,可将断裂处上游节点的邻居节点分为同向邻居节点和反向邻居节点。断裂处上游节点的邻居节点中运动方向与原路由方向相同的节点称为同向邻居节点;而运动方向与原路由方向不同的节点称为反向邻居节点。
在AODV-SL路由选择过程中,只有链路质量LQ最高的两条路径或者后续需要更新路径时目的节点才会产生路由响应,回复RREP报文。在AODV-SL中,RREP报文除封装目的节点信息、源节点信息和跳数等基本信息外,还存储了链路质量LQ及最优、次优路由上所有节点的ID,即最优、次优路由上的任意节点都能知晓两条路由上所有节点的ID。
在AODV-SL协议中数据包首先沿着最优路由发送数据包,当路由维护过程中检测到最优路由上某节点处于非连通状态,断裂处上游节点由于知晓次优路由上所有节点ID,首先查看其邻居列表中是否有次优路径上的任一节点ID(邻居列表中的信息在路由维护过程中周期性发送HELLO消息获得,从而实现相邻节点间信息的交互),若存在则直接将正在发送的数据从最优路由上切换到次优路由上进行传输,由断裂处的上游节点直接启动次优路由。由于车载网中的路由协议受道路的限制(双向六车道的道路设每个车道为5m,其宽度不会超过30m),AODV-SL在路由寻找过程中挑选的最优、次优两条路由可能存在公共的转发节点,即同一节点既在最优路由上,也在次优路由上;对于最优、次优路由而言,其节点稳定度和链路质量相差不大,次优路由上的某些节点也会是最优路由上某些节点的邻居节点,所以最优路由上断裂处上游节点的邻居列表中可能存在次优路由上某节点ID。如果最优路由断裂处上游节点的邻居列表不存在次优路由上的节点ID,则在同向邻居节点和反向邻居节点中启用本地路由修复,优先在同向邻居节点中启用路由修复,若同向邻居节点中路由修复失效,则在反向邻居节点中启动路由修复。若次优路由上某处节点也发生断裂时,则次优路由上断裂处的上游节点也同样在同向邻居节点和反向邻居节点中启动路由修复。
AODV-SL路由修复的具体流程如图3所示。若检测到最优路由某断裂处上游节点的邻居节点中不存在次优路由上节点ID或者次优路由也发生断裂后,断裂处的上游节点将优先在同向邻居节点中采用存储-携带-寻找-转发的方式启动本地路由修复。上游节点先存储正在发送的数据包;然后携带该数据包并在同向邻居节点中点依次由近及远以原路由建立的中继节点为目的节点发起路由请求报文RR-RREQ(Route Repair RREQ),若能从上游节点寻找到达以原路由中继节点为目的节点的路由,则正向路由修复成功,产生路由修复应答报文RR-RREP(Route Repair RREP)给断裂处上游节点;最后将存储在断裂处上游节点的数据包沿着修复路径传给目的节点。如果在同向邻居节点中本地路由修复失效后,则在反向邻居节点中也同样采用存储-携带-寻找-转发的方式进行本地路由修复。如果在同向邻居节点、反向邻居节点中能够寻找到以原路由中继节点为目的节点的路由,则本地路由修复成功;如本地路由修复失败后,则断裂处节点向源节点发送RRER报文,由源节点重新发起路由寻找。
3 性能仿真及分析
3.1 仿真环境设置
为了使AODV-SL路由协议的运动场景更接近真实模型,首先通过交通模拟仿真器SUMO生成城市环境道路图,接着将SUMO文件导入到NS2中。如图4所示,包含了12个交叉口且道路为双向8车道的道路图,车辆在道路上是随机分布的,且车辆的行驶轨迹遵循改进的Krauss跟驰模型,能够在不同道路上行驶。交通仿真参数如表1所示。
当SUMO文件嵌入NS2后,依据表1参数对双向8车道的道路图追踪1500×1500米仿真场景,仿真场景中的节点数从60辆到300辆不同节点数进行性能分析,通过多次测量取平均值的方法作为最终的AODV-SL路由协议的性能分析,在仿真场景中包括单一路由和交叉口,图4方框内为某个交叉口在某时刻1500×1500米仿真场景的道路放大图。在城市环境下车辆的最大运行速度变化为16.7m/s,模拟仿真时间为500s,使用数据流生成工具cbrgen生成CBR业务流,CBR包大小为128字节且数据流速率为4packet/s,节点的停留为0秒,仿真时使用OTcl语言编写NS2中的脚本语言,节点的具体无线仿真参数设置如表2所示。本次实验模拟网络拓扑中节点数从60变化到300比较AODV-SL路由协议和混合路由协议HLAR[2]及AODV路由协议在数据包投递率、平均端到端时延、标准化路由开销上的不同。
3.2 平均端到端时延
平均端到端时延定义为数据包从源节点到达目的节点的总时间与接收到数据包的比值,它包括数据包的传播时延,在队列中等待发送的时延,信道接入时延以及链路断裂后路由修复的时间,平均时延越低,路由协议性能越好。该性能指标反映路由协议运行快慢,影响路由时延的因素包括路由寻找时间、数据包的传输时间、排队等待时间以及路由断裂后路由修复时间。如图5所示为AODV-SL路由协议和HLAR路由协议、AODV路由协议的平均端到端时延性能曲线。整体上看随着节点数的增加,车辆密度流增大,网络拓扑变化相对较小,路由稳定性增强,因此端到端的平均时延大体有所下降。在节点数小于120辆时,三种路由的平均时延相差不大,原因在于车辆处于稀疏场景中,容易造成链路断裂,三种路由都因链路断裂消耗了大量的路由修复的时延,AODV-SL和HLAR两者都有修复机制,所以时延小于AODV协议;AODV-SL在路由修复时既采用从最优路由到次优路由直接切换的方式,又采用在同向邻居节点和反向邻居节点中进行路由修复的方式,节省了路由修复时间,HLAR路由没有最优路由到次优路由的直接切换方式,所以AODV-SL平均时延小于HLAR。随着节点数的增加,车流量密度也随之增大,网络拓扑越来越稳定,三种协议的平均时延差距增大的原因有以下两点:①随着节点数的增加,车辆之间进行其他业务量增大,节点本身负载增大,在AODV-SL路由协议中选择节点负载相对较小的节点,减少了排队时间和信道竞争时间,而HLAR通过计算网络开销率的大小衡量节点的负载,选择网络开效率越小的节点参与路由选择;②AODV-SL在路由寻找时考虑了车辆的相对速度、转发角度和跳数,对比于AODV仅仅考虑跳数而言,AODV-SL提高了路由稳定性,降低了路由断裂几率,缩短了因链路断裂造成的路由修复时间,因此随着节点数增大,AODV-SL和HLAR协议的优势越明显;而当节点数大于240时AODV-SL和HLAR的平均时延缓慢下降而AODV的时延却反而上升,原因在于随着节点数的增大,节点间进行其他信息交互频繁造成网络拥塞,AODV没有考虑节点本身负载,造成排队等待时延和MAC接入时延都增大,所以平均时延呈上升趋势,而AODV-SL在路由寻找时选择负载较小的节点,HLAR通过控制网络的开销率尽量避免了负载较大的节点传输数据。AODV-SL的平均时延小于HLAR是因为AODV-SL除了控制节点负载外,还考虑了节点相对速度和转发角度,提高链路稳定性,节省了路由修复时间。
3.3 数据包投递率
数据包投递率定义为目的节点接收到数据包个数与源节点发送数据包个数的比值,该性能间接反映路由协议能够支持的最大吞吐量,同时衡量网络中数据传输的可靠性。影响路由协议的数据包投递率因素有节点队列达到最大承受负载而不得不做出丢包处理,路由不稳定引起的链路断裂也是影响分组投递率的重要因素。如图6所示为三种路由协议的分组投递率的性能比较,当车辆节点数小于120时处于稀疏环境,网络拓扑变化快,导致路由稳定性差,发送数据包过程中由于链路不稳定容易引起数据包的丢失,三种路由协议的分组投递率相差不大且变化平缓。当节点数从120变化到240时,车流量密度增大,网络拓扑变化相对较小,路由稳定性提高,三种路由协议的分组投递率相差越来越大,一方面是由于AODV-SL在路由发起过程中考虑了节点本身的运动状态,只有那些节点稳定度符合条件的节点才继续参与路由寻找,在路由选择时目的节点通过比较链路质量LQ的大小,选择链路质量高的两条路径作为最优、次优路由,这在很大程度上提高了路由的稳定性,提高了端到端的投递率;另一方面AODV由于没有考虑车辆的运动状态仅仅考虑最小跳数充当最优路由容易引起链路断裂且在城市环境中障碍物的阻挡,链路断裂在所难免,AODV-SL在路由修复时既采用最优路由、次优路由直接切换方式,也启用在同向邻居节点和反向邻居节点中进行路由修复方式,这两方面的原因使得AODV-SL的分组投递率高于AODV;HLAR在路由选择时没有考虑速度、位置和角度等运动状态对路由稳定性的影响,链路稳定性低于AODV-SL,所以HLAR的分组投递率性能低于AODV-SL。当节点数大于240时,AODV路由协议的分组投递率呈下降趋势而AODV-SL和HLAR协议仍缓慢上升,原因是当车流量很大时,AODV-SL和HLAR在路由选择时考虑了节点本身负载,选择节点负载相对较小的节点作为路由的中继节点,而AODV由于没有考虑节点负载使得车辆密度流很高时因为发生碰撞而做出丢包处理,导致一部分正在发送的数据包被迫丢弃,因此AODV的分组投递率呈下降趋势。
3.4 标准化路由开销
标准化路由开销定义为在路由寻找和路由维护过程中,控制报文数目与目的节点接收到总分组数目的比值,在路由寻找和路由维护中发送的控制报文数目越少,目的节点接收到的数据包个数越多,则路由开销越小。图7所示为AODV-SL和HLAR、AODV路由协议的标准化路由开销性能曲线。整体上随着节点数的增加,三种路由协议在路由寻找与路由维护过程中需要发送的控制报文增多,因此路由开销随着节点数的增加而增大。当车辆节点数小于120时,车流量密度较稀疏但仍保持一定的连通性,此时参与转发的节点数不多,在路由寻找和路由维护过程中耗费的控制报文不多,同时由于网络拓扑不稳定容易引起链路断裂,分组投递率较低,使得三种机制的路由开销性能相近。当节点数超过120时,一方面随着节点数的增加,路由稳定性增强,接收端接收到的数据包总数增大,但随着节点数的增加,在路由寻找过程中发送的路由请求报文增大,且路由维护过程中信标消息得到数量会增大;另一方面AODV-SL在路由发起过程中通过比较节点稳定度与随机数的大小,只有节点稳定度满足继续寻找路由的条件才转发RREQ,不满足节点稳定度的将不再参与路由寻找过程,HLAR路由协议运用数据包发送率、带宽大小和数据包大小设计网络开销率减少控制报文的数目,这相比于AODV通过全网广播RREQ寻找路由而言,AODV-SL和HLAR在很大程度上减少了RREQ控制报文的数目,且AODV-SL在路由寻找时考虑了车辆的相对速度、转发角度,提高了路由稳定性,降低了链路断裂的几率,路由维护过程中的控制报文也随之减少,因此AODV-SL的路由开销小于HLAR和AODV的路由开销。当节点数再增大时,AODV-SL的路由开销变化平缓而AODV却快速上升。这是由于当车辆处于密集场景中AODV-SL在路由寻找时只有满足节点稳定度条件的节点转发RREQ,但目的节点接收到的数据包增大,控制报文的增长速率小于接收端的数据包增长速率,所以AODV-SL路由开销变化平缓;来而AODV在车辆密集场景中仍然通过全网广播RREQ,且在路由修复过程中也采用相同方式发送路由修复的请求报文,增加了路由开销同时也给整个网络带来了沉重负担,因此AODV的路由开销的增长速度随着车辆节点数的增加而递增。
4 结束语
为了解决车载自组织网中由于拓扑动态变化导致路由链路不稳定的问题,以AODV为基础并针对其缺陷提出具有链路稳定性的路由协议AODV-SL。该协议在路由寻找中,结合节点稳定度和跳数设计链路的质量,选择最优、次优路由以提高数据包投递率,增加路由稳定性;在路由维护中既采用最优、次优路由直接切换的方式,也采用在同向邻居节点和反向邻居节点进行路由修复的方式,减少路由修复时间,从而降低端到端传输时延并减小路由开销。通过仿真模拟了AODV-SL的平均端到端时延、数据包投递率和标准化路由开销的性能,并与传统的AODV协议以及HLAR进行比较分析,仿真结果表明AODV-SL能够整体提高路由性能,使其更好适应于车载自组织网络。
摘要：车载自组织网中节点拓扑动态变化,针对节点间链路不稳定从而影响路由性能问题,提出了具有稳定链路的改进AODV路由协议。该协议构造了由车辆间相对速度、转发角度以及节点负载等关键因素组成的节点稳定度(St)参量;以节点度量为基础,引入随机数筛选机制完成中继节点的选择;进一步构造链路质量度量(LQ)参量,选择最优及次优路由提高数据包投递率;在路由修复中,使用断点修复机制完成最优及次优路由间快速切换以及断链修复,降低网络开销及数据传输延迟。仿真表明,AODV-SL在平均端到端时延、数据包分组投递率以及标准化路由开销上都优于AODV及HLAR路由协议。