基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議書設(shè)計(jì)研究

./XX海事大學(xué)┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊二○一四年六月.基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議研究專業(yè)班級(jí)：電子信息工程1班姓名：陳平指導(dǎo)教師：那振宇信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院.摘要車載自組織網(wǎng)絡(luò)是由在高速公路或者城市街道上行駛的車輛以及道路兩側(cè)的路邊單元等構(gòu)成的一種特殊形式的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。它將自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于車輛之間的通信,能夠使駕駛員獲得超視距范圍內(nèi)的信息,在交通安全、娛樂服務(wù)等應(yīng)用方面都有著廣闊的前景。不同于傳統(tǒng)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò),車載網(wǎng)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化、網(wǎng)絡(luò)連通性差等特點(diǎn),而且隨著車流量密度的變化,網(wǎng)絡(luò)中的信息負(fù)載量也不斷地變化,這就給車載網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制層設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。因此,設(shè)計(jì)適合于車載網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制層協(xié)議逐漸變?yōu)橐粋€(gè)重要的研究方向。本論文主要對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制層協(xié)議進(jìn)行了相關(guān)研究。通過對(duì)基于IEEE802.11與IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)訪問控制層協(xié)議的對(duì)比,分析了802.11p介質(zhì)訪問控制層協(xié)議的性能優(yōu)勢(shì)與不足之處。論文首先介紹了車載自組織網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS-2。然后簡(jiǎn)單闡述了基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議。接著對(duì)基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的分析,在NS-2中通過修改802.11協(xié)議的源代碼,成功實(shí)現(xiàn)了802.11p協(xié)議,通過建立仿真場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了兩種協(xié)議的對(duì)比,結(jié)果表明802.11p協(xié)議更適合車載網(wǎng)中的各種應(yīng)用。最后針對(duì)802.11p協(xié)議提出了一些改進(jìn)的方向。關(guān)鍵詞：車載自組織網(wǎng)絡(luò);介質(zhì)訪問控制；IEEE802.11p；NS-2.AbstractVehicularAdHocNetworks<VANETs>,composedofmovingvehiclesandroadsideunits,areakindofself-organizingnetworks.Itappliesself-organizedtechnologytovehicle-to-vehiclecommunication,whichallowsdriverstoobtaininformationoutoftheirhorizons.Ithasabrightprospectinapplicationsoftrafficsafetyandentertainmentservices.However,differentfromtraditionalAdHocnetworks,sinceVANETsarefeaturedbyfrequentchangeandpoornetworkconnectivity,thenetworkloadwillchangewiththechangeoftrafficflow.ItmakesdesignofMAC<MediaAccessControl>protocolahugechallenge.Therefore,howtodesignafeasibleMACprotocolbecomesanimportantissueinVANETsresearch.ThisthesisworksonMACprotocolofVANETs.ComparingMACprotocolsbasedonIEEE802.11pstandardwithIEEE802.11standard,itanalyzestheadvantagesanddisadvantagesof802.11pprotocol.Firstly,thisthesisdescribesVehicularAdHocNetworksandnetworksimulatorNS-2,Secondly,asimpleintroductiontoMACprotocolbasedonIEEE802.11standard.Next,itdescribesMACprotocolbasedonIEEE802.11pstandardindetail,andrealizesthe802.11pprotocolbymodifyingsourcecodesof802.11inNS-2.Basedonsimulationscenarios,itcomparesthetwoprotocols.Simulationresultsshowthat802.11pprotocolismoresuitableforapplicationsinVANETs.Finally,someimprovementsuggestionsareproposedintheendofthepaperaccordingto802.11pprotocol.Keywords:VehicularAdHocNetworks,mediaaccesscontrol,IEEE802.11p,NS-2TOC\o"1-3"\h\u目錄21819第一章緒論1326401.1研究背景及意義 1178801.1.1研究背景 15211.1.2研究意義2173401.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3286691.3論文的主要工作5231951.4論文的章節(jié)安排516972第二章車載自組織網(wǎng)絡(luò)7189662.1車載網(wǎng)介紹7240862.1.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)760952.1.2網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)749672.1.3典型應(yīng)用827872.2研究現(xiàn)狀8289752.3主要問題969592.4本章小結(jié)108154第三章網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-212147903.1NS-2簡(jiǎn)單介紹12273273.2NS-2基礎(chǔ)12139943.2.1NS-2的運(yùn)行機(jī)制1284653.2.2NS-2的基本組成1284653.2.3NS-2的簡(jiǎn)單應(yīng)用13273273.3NS-2仿真過程14234073.4本章小結(jié)1518828第四章介質(zhì)訪問控制〔MAC層協(xié)議概述16184394.1MAC層的基本概念16142244.2基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議17142244.3車載網(wǎng)MAC層協(xié)議1960754.4本章小結(jié)1923509第五章車載網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議仿真20.202015.1引言20122755.2基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議2013492協(xié)議的基本概述2027333協(xié)議的工作機(jī)制211988199825.3仿真結(jié)果分析2227115.3.1仿真場(chǎng)景2316372仿真結(jié)果23147945.4本章小結(jié)2531952第六章總結(jié)與展望26169736.1MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)總結(jié)26203086.2目前學(xué)習(xí)方向與展望 26133656.2.1目前學(xué)習(xí)方向2613412展望 2728499結(jié)論 2929762參考文獻(xiàn) 3019379致謝 3215444附錄11.基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議研究第一章緒論1.1研究背景及意義1.1.1研究背景最近幾年,汽車行業(yè)發(fā)展的非常迅猛,人們的生活水平也不斷提高,汽車已經(jīng)逐步成為人們不可或缺的出行工具,它為我們的生活帶來了很大的便利。但同時(shí),日益增加的汽車數(shù)量也帶來了新的問題,如交通堵塞、交通事故等頻繁發(fā)生,交通事故帶來的危害已經(jīng)是眾所周知。在這種需求背景下,車載網(wǎng)被提出來,這一概念一經(jīng)提出便引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的極大興趣。自1970年以來,北美、歐洲和日本紛紛加大了在該領(lǐng)域的投入力度。車載自組織網(wǎng)絡(luò)基于目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),然后與交通車輛聯(lián)系在一起。該網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)傳遞給駕駛者相關(guān)的信息,從而提高交通效率和交通安全,改善目前的交通狀況。其中,車間通信〔Inter-VehicleCommunication,IVC通常被認(rèn)為是車載網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),為此,研究人員建立了許多基于Vehicle-to-Vehicle〔V2V圖1-1車載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和Vehicle-to-Roadside〔V2R的通信網(wǎng)絡(luò)。這也構(gòu)成了車載自組織網(wǎng)絡(luò)的主要通信組成部分。隨著人們對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的研究不斷深入,其應(yīng)用也逐漸多元化。圖1-1表示的是車載網(wǎng)絡(luò)的一些基本應(yīng)用,主要可以概括為以下幾項(xiàng)：安全應(yīng)用。在車輛行駛過程中,當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí),駕駛者總是根據(jù)可視化的信號(hào)做出反應(yīng)。但是,由于駕駛者的視距和反應(yīng)速度的限制,采取制動(dòng)措施往往會(huì)造成延時(shí),這就可能為不可避免的沖突埋下了隱患[1,2],根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,全球每天都會(huì)發(fā)生數(shù)十萬起交通事故,并造成非常大的損失。而車載網(wǎng)絡(luò)通過車輛間的通信可以將危險(xiǎn)信號(hào)通知給附近的車輛,使駕駛者有足夠的反應(yīng)時(shí)間,從而減少事故的發(fā)生。此外,車間通信技術(shù)還能夠提前通知道路障礙,十字路口沖突等信息,協(xié)助駕駛者以很小的事故發(fā)生概率通過這些區(qū)域。輔助駕駛。在城市中,交通壓力一直在增加,堵車現(xiàn)象成為人們經(jīng)常會(huì)遇到的狀況。借助車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),駕駛員可以選擇車流量較小的路徑行駛,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)擁堵的車流量進(jìn)行分流。此外,駕駛者通過使用車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可以方便的找到停車場(chǎng)。收集并發(fā)布交通信息。車載網(wǎng)絡(luò)是無中心的,分布式的結(jié)構(gòu)。因此在車載網(wǎng)絡(luò)中,車輛從網(wǎng)絡(luò)中收集和發(fā)布實(shí)時(shí)交通信息,例如統(tǒng)計(jì)車流量狀況,更新電子地圖等,這都能有效地提高路況信息的實(shí)時(shí)性。車載娛樂。在出行過程中,借助于車載網(wǎng)平臺(tái),車輛可以與因特網(wǎng)連接。在行車過程中,車上的人們可以享受到網(wǎng)上的資源,而不會(huì)覺得枯燥無味。尤其是路途比較遙遠(yuǎn)的時(shí)候,這項(xiàng)服務(wù)能大大緩解長(zhǎng)途旅行的疲憊。Internet服務(wù)。車輛可以通過路邊的AP〔AccessPoint站點(diǎn)接入Internet,這樣車輛上的乘客便可隨時(shí)享受Internet服務(wù)。對(duì)于駕駛?cè)藛T來說,他們可以利用這項(xiàng)服務(wù),以及結(jié)合車輛自帶的GPS,查詢酒店、快餐店以及停車場(chǎng)等一些相關(guān)的地點(diǎn)信息?；谏鲜鰬?yīng)用的分析可以知道,車載網(wǎng)的前景是非常好的。而且,我國(guó)人口眾多,車輛工業(yè)也處于高速成長(zhǎng)階段,因此在我國(guó)進(jìn)行車載自組織網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究意義重大。但車載網(wǎng)與傳統(tǒng)自組織網(wǎng)之間是有很多差別的。例如,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量與車流量密度相關(guān)、節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)的特點(diǎn)等。正是這些不一樣的特點(diǎn),使車載網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)更加困難。因此,車載網(wǎng)介質(zhì)訪問控制層協(xié)議的設(shè)計(jì)成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。1.1.2研究意義信息傳播是車載網(wǎng)的各種應(yīng)用中的一個(gè)核心部分。對(duì)于接入Internet、收發(fā)電子郵件等私人應(yīng)用,信息需要進(jìn)行單播傳輸,即單一的源節(jié)點(diǎn)對(duì)單一的目的節(jié)點(diǎn),數(shù)據(jù)的隱私性具有較嚴(yán)格的規(guī)定。而對(duì)于交通擁堵信息、天氣預(yù)報(bào)等公共消息,單播傳輸將浪費(fèi)大量的帶寬等資源,廣播此類消息能夠提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。除了效率,對(duì)于不同的信息類型,他們需要的可靠性也不同。此外,在道路高峰期,隨著車流量的增加,網(wǎng)絡(luò)的信息負(fù)載量也不斷增加,網(wǎng)絡(luò)的信息負(fù)載量是隨車流量不斷變化的。MAC層是自組織網(wǎng)絡(luò)信息傳播中的一個(gè)關(guān)鍵問題,MAC協(xié)議是一種重要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能產(chǎn)生顯著的影響。所以,研究車載自組織網(wǎng)絡(luò)的高效MAC協(xié)議對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)的性能、保證用于的服務(wù)質(zhì)量、更好地實(shí)現(xiàn)車載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有重大的意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r在20XX的ITU-T的汽車通信標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議上,車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被正式提出。通過利用該技術(shù)可能會(huì)大大降低世界上的交通事故發(fā)生率。截止到現(xiàn)在,許多國(guó)家都對(duì)車載網(wǎng)技術(shù)很感興趣。歐美的一些國(guó)家和政府也建立了相關(guān)的研究項(xiàng)目,如表1-1所示。在上個(gè)世紀(jì)的80年代,有關(guān)車載網(wǎng)絡(luò)的研究就已經(jīng)在日本開展了。它在90年代和隨后的10年內(nèi)研究的協(xié)同駕駛系統(tǒng)DEMO2000展現(xiàn)了車載通信網(wǎng)絡(luò)在道路交通安全方面的重要性[3]。與此同時(shí),歐美也進(jìn)入了如火如荼的車載網(wǎng)絡(luò)研究。表1-1國(guó)際上有關(guān)車載網(wǎng)的研究項(xiàng)目項(xiàng)目的名稱起止時(shí)間項(xiàng)目的發(fā)起者主要的研究?jī)?nèi)容CarTel2002-2012麻省理工學(xué)院構(gòu)建車載網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)DieselNet2004-至今馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校DTN路由,網(wǎng)絡(luò)容量,WIFI,移動(dòng)模型UCLACVeT2013-至今加州大學(xué)洛杉磯分校信息分享,移動(dòng)傳感器平臺(tái)FleetNet2000-2003德國(guó)建立通信平臺(tái)NOW2004-2007德國(guó)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)安全ASVs1995-2009日本增強(qiáng)型安全車輛JARI2003-至今日本汽車的工業(yè)方面20XX,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)劃分了一個(gè)專用頻段用于車輛間通信,也啟動(dòng)了一系列的車載網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目,其中包括著名的CarTel[4,5]項(xiàng)目。麻省理工學(xué)院主導(dǎo)了CarTel項(xiàng)目。該系統(tǒng)結(jié)合了移動(dòng)計(jì)算和感知、無線網(wǎng)絡(luò)以及云計(jì)算等技術(shù),能有效解決道路交通的安全以及車輛分流等問題。CarTel是一個(gè)集合了移動(dòng)電話和定制的車載遠(yuǎn)程信息處理裝置的,分布式的移動(dòng)感知和計(jì)算系統(tǒng),該系統(tǒng)也被認(rèn)為是一個(gè)"車載網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)"。該項(xiàng)目的研究貢獻(xiàn)主要包括交通疏導(dǎo),路面監(jiān)控和危害檢測(cè),車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互連,數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及只采用WIFI連接的車內(nèi)硬件設(shè)計(jì)等。到目前為止,該項(xiàng)目的硬件版本已經(jīng)升級(jí)到第二代。DieselNet[6]是由馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校主持的一個(gè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目啟動(dòng)于20XX,主要是基于公交網(wǎng)絡(luò)。一些配置了特殊硬件的公交車每日從阿默斯特分校校園行駛到周邊的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)還可以用于公共試驗(yàn)。該項(xiàng)目在DTN路由,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量,WIFI連接以及移動(dòng)模型等方面均取得了一些成果。CVeT[7]是由加州大學(xué)洛杉磯分校主持的一項(xiàng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目由一個(gè)包括大約50輛小汽車,貨車以及校園公共汽車的車隊(duì)組成,車隊(duì)中的車輛可以直接通過WIFI接入點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng),或者如果超出了接入點(diǎn)的覆蓋,則可以通過在無線網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的其他車輛接入互聯(lián)網(wǎng)。這將形成一個(gè)校園汽車的互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng),通過這些汽車的移動(dòng),校園的互聯(lián)網(wǎng)范圍將可以超出校園的地理邊界。這個(gè)項(xiàng)目先后提出了CarTorrent、CodeTorrent等文件共享協(xié)議,同時(shí),該項(xiàng)目在移動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)方面也取得了一些成果,為實(shí)現(xiàn)MobEyes[8]這一城市監(jiān)控項(xiàng)目提供了一定的理論支持。著名的FleetNet[9]項(xiàng)目啟動(dòng)于20XX,是由六家公司以及三所大學(xué)組成的聯(lián)盟共同完成。FleetNet的主要目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)用于車輛通信系統(tǒng)的示范平臺(tái)。實(shí)施適當(dāng)?shù)膽?yīng)用示范可以充分展現(xiàn)車間通信的好處,對(duì)商業(yè)案例和市場(chǎng)推廣策略的研究則補(bǔ)充了該技術(shù)的目標(biāo),而該項(xiàng)目成果又可以被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)借鑒采用。FleetNet項(xiàng)目持續(xù)了三年于20XX底結(jié)束,隨后啟動(dòng)了后續(xù)的NOW[10]項(xiàng)目,該項(xiàng)目獲得了德國(guó)聯(lián)邦教育與研究中心的資金支持,旨在于解決通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)安全等方面的問題。日本對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)方面的研究也投入了很大的成本。除了DEMO2000系統(tǒng),其他比較有名的還包括ASVs項(xiàng)目[11]、JARI項(xiàng)目[12]等,它們分別在車輛安全以及車輛的工業(yè)方面取得了較為顯著的成果。目前在學(xué)術(shù)領(lǐng)域,車載網(wǎng)也是一個(gè)重點(diǎn)研究方向。為了更深入的了解車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀,國(guó)際計(jì)算機(jī)組織還專門成立了一個(gè)VANET小組。主要對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行專題研討會(huì),在這期間發(fā)表的論文一般都比較能夠代表目前的最高水平。國(guó)內(nèi)發(fā)展概況在車載網(wǎng)絡(luò)方面,國(guó)內(nèi)在很晚才開始研究。但是近年來一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也成立了相關(guān)項(xiàng)目,并取得了一些成果。上海交通大學(xué)于20XX與上海政府合作啟動(dòng)了SG〔ShanghaiGrid項(xiàng)目[13],這個(gè)項(xiàng)目以建設(shè)大都市規(guī)模的交通信息系統(tǒng)為宏偉目標(biāo)。具體來說,分為兩大部分。首先,它試圖提高現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)備的效率；其次,它的目的是為公眾提供更多的交通系統(tǒng)應(yīng)用。其他一些高校也對(duì)車載網(wǎng)表現(xiàn)出了很大的研究興趣。XX國(guó)立交通大學(xué)構(gòu)建了一個(gè)由16輛車組成的車載網(wǎng)絡(luò),主要研究車輛的監(jiān)督應(yīng)用,城市空氣質(zhì)量測(cè)量,以及蜂窩網(wǎng)、4G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)管理等應(yīng)用。此外,XX大學(xué)、XX大學(xué)等也都對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)方向做了大量的研究工作,并取得了一些成果。到目前為止,有關(guān)車載網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)很深入了,但是在研究的道路上仍然存在著很多障礙。這些障礙主要存在于路由協(xié)議、MAC層協(xié)議以及安全性等幾個(gè)方向。其中MAC層專注于研究車載網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)如何對(duì)信道進(jìn)行訪問以及數(shù)據(jù)資源的分配問題。現(xiàn)階段根據(jù)不同場(chǎng)景設(shè)計(jì)MAC協(xié)議是車載網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)。1.3論文的主要工作車載網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為當(dāng)前自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一大熱點(diǎn),國(guó)內(nèi)外對(duì)這一領(lǐng)域的研究也取得了一定的成果,但是目前這方面的研究工作還有很多不足之處。本文對(duì)目前車載網(wǎng)的802.11pMAC層協(xié)議進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)與研究。主要工作和成果包括以下幾個(gè)方面：對(duì)車載網(wǎng)的概念、體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)性的介紹,研究了普通無線局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議802.11,,并針對(duì)它的工作方式和不足之處進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。學(xué)習(xí)了網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-2的仿真過程,并在完全掌握NS-2中802.11協(xié)議的源代碼之后,對(duì)其進(jìn)行了修改,從而在NS-2中實(shí)現(xiàn)了802.11p協(xié)議的功能。詳細(xì)闡述了802.11p協(xié)議的工作方式。通過建立仿真環(huán)境,對(duì)802.11p與802.11協(xié)議進(jìn)行了相關(guān)的性能比較分析。仿真結(jié)果表明,在對(duì)安全信息、娛樂信息等優(yōu)先級(jí)不同的信息同時(shí)進(jìn)行傳送的過程中,802.11p能夠更高效的傳送優(yōu)先級(jí)最高的安全信息,而對(duì)于優(yōu)先級(jí)較低的娛樂信息,802.11p選擇降低其發(fā)送成功率,這樣滿足了各種不同應(yīng)用的基本要求,還提高了安全應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量?；谝陨系墓ぷ?本文最后也都做了小結(jié),并且提出了有很大改進(jìn)空間的研究方向,并對(duì)下一步的深入研究工作進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。1.4論文的章節(jié)安排本論文共由六章組成,具體的章節(jié)安排如下：第一章,緒論。簡(jiǎn)要闡述了與車載網(wǎng)相關(guān)的發(fā)展背景。然后對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。第二章,車載自組織網(wǎng)絡(luò)。首先對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)的概念等進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述,包括其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與典型應(yīng)用。然后根據(jù)其研究現(xiàn)狀,提出了目前存在的一些主要問題。第三章,網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-2。在論文后面的章節(jié)中會(huì)通過NS-2對(duì)相關(guān)的MAC層協(xié)議進(jìn)行性能仿真,本章節(jié)介紹了網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-2的運(yùn)行機(jī)制、基本組成以及簡(jiǎn)單的仿真過程。第四章,介質(zhì)訪問控制〔MAC層協(xié)議概述。簡(jiǎn)單介紹了MAC層的基本概念。接著對(duì)802.11MAC協(xié)議的工作機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)略的闡述。最后介紹了車載網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議的相關(guān)情況。第五章,基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)MAC層協(xié)議。詳細(xì)介紹了802.11pMAC協(xié)議的工作機(jī)制。然后在NS-2中通過建立仿真環(huán)境對(duì)802.11p協(xié)議的性能進(jìn)行了分析。第六章,總結(jié)。首先根據(jù)本文的研究工作進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié)。然后介紹了目前的學(xué)習(xí)方向,最后對(duì)后期的研究方向提出了展望。第二章車載自組織網(wǎng)絡(luò)車載自組織網(wǎng)絡(luò)是近幾年剛剛發(fā)展起來的新型的網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò),車載網(wǎng)有著自己的不一樣的地方。例如節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)的特點(diǎn)、無能量限制等。這些特征使得車載網(wǎng)的研究和發(fā)展面臨著許多困難。本章將從車載網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、特征和典型應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。2.1車載網(wǎng)絡(luò)介紹2.1.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中是否存在固定的基礎(chǔ)設(shè)施,可以將車載自組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)劃分為三種類型[14]：純蜂窩結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)主要采用了蜂窩通信的基本方式,利用固定的基站作為車輛網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信接口,手機(jī)信息并傳播信息,同時(shí)可以與蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接起來,以構(gòu)成泛在網(wǎng)絡(luò),主要的通信方式是V2R通信。純自組織結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似,具有自組織、自管理、短距離無線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。它不需要純蜂窩結(jié)構(gòu)的基站等基礎(chǔ)設(shè)施,實(shí)現(xiàn)成本較低。主要的通信方式是V2V通信?；旌辖Y(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)將蜂窩結(jié)構(gòu)與自組織結(jié)構(gòu)有效結(jié)合,充分利用兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ),網(wǎng)絡(luò)中V2V通信和V2R通信將同時(shí)存在。在這三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,純自組織結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)靈活多變,具有較高的可擴(kuò)展性,引起了學(xué)者們的廣泛研究。但是這種網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)的連通性和通信距離等方面具有一定的局限性。為了克服上述局限性,可以在網(wǎng)絡(luò)中部署路側(cè)設(shè)備單元,以提供可靠、高速的網(wǎng)絡(luò)通信,為互聯(lián)網(wǎng)接入、固定點(diǎn)的監(jiān)控等應(yīng)用提供強(qiáng)有力的保證。因此,混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更切合實(shí)際應(yīng)用,正受到更多的關(guān)注和研究。2.1.2網(wǎng)絡(luò)特征由于車載自組織網(wǎng)絡(luò)是一種特殊形式的自組織網(wǎng)絡(luò),它具有傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)的一些共有特征,如無中心網(wǎng)絡(luò)、多跳結(jié)構(gòu)、傳輸帶寬有限等問題[15]。但同時(shí),它也有很多獨(dú)特之處,主要有：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高動(dòng)態(tài)性：由于車輛運(yùn)動(dòng)的高速特性,車載自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度相對(duì)于傳統(tǒng)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度已不在同一個(gè)數(shù)量級(jí),可以達(dá)到25m/s,甚至更高,車輛間的通信時(shí)間可短暫至幾秒鐘。因此,車輛節(jié)點(diǎn)的告訴移動(dòng)將導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高動(dòng)態(tài)性,這是車載自組織網(wǎng)絡(luò)在路由設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素。頻繁孤島性：道路上的車輛密度變化較大,同一路段上不同時(shí)間的車輛密度可能呈現(xiàn)出幾倍的差別。在低密度的情形下,由于短距離通信的限制,車輛間將無法保持實(shí)時(shí)連通,當(dāng)某一車輛與其它車輛均無法連通時(shí),其自身形成"孤島"。移動(dòng)模型可預(yù)測(cè)性：車輛的行駛通常都是限定在固定的道路上,其下一段時(shí)間的行駛路徑可以通過車載地圖等方式提前獲取,這可以有較好的預(yù)測(cè)快速變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與頻繁的無連接節(jié)點(diǎn),從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能。能量無限制性：相對(duì)于傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò),車載自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量由燃油提供,而無需由蓄電池提供,因此能量在車載自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中將不再有瓶頸限制。通信環(huán)境差異性：在不同的道路環(huán)境下,車輛的通信環(huán)境差別很大。在高速公路上,車輛在不同位置,通信環(huán)境的變化比較微小。但當(dāng)車輛在城市道路上行駛,無線信號(hào)可能會(huì)受到周圍障礙物的影響。因此車輛行駛到街道的不同位置時(shí),其通信環(huán)境將有明顯的差別。2.1.3典型應(yīng)用車載自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要可以分為以下三類：基于交通安全的應(yīng)用、基于交通效率的應(yīng)用和基于商業(yè)娛樂的應(yīng)用等[16]。基于交通安全的應(yīng)用：基于車載網(wǎng)的交通安全應(yīng)用借助于車載自組織網(wǎng)絡(luò)及時(shí)獲取更多的路況信息以降低駕駛員的反應(yīng)延遲。使駕駛員能夠提前做出應(yīng)變措施,以避免交通事故發(fā)生的可能性,降低各類交通事故的發(fā)生率?；诮煌ㄐ实膽?yīng)用：基于車載自組織網(wǎng)絡(luò)的信息收集與傳輸能力,交通部門和車主都能及時(shí)掌握各段道路上的車流信息,以引導(dǎo)車流避免進(jìn)入擁塞路段?；谏虡I(yè)娛樂的應(yīng)用：此類應(yīng)用最為豐富,也最受用戶喜愛。交通信號(hào)違章警告、停車點(diǎn)探測(cè)等應(yīng)用能夠減輕駕駛員的勞動(dòng)負(fù)荷,互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)等娛樂應(yīng)用能夠提高乘車人員的舒適性和便捷性。2.2研究現(xiàn)狀由于車載自組織網(wǎng)絡(luò)具有明朗的前景,各個(gè)國(guó)家的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)此表示出很大的興趣,并且設(shè)立了一系列相關(guān)的項(xiàng)目。此外,國(guó)際上許多高校與知名企業(yè)也聯(lián)合成立了許多相關(guān)的項(xiàng)目,比如有FleetNet項(xiàng)目、CARTALK2000項(xiàng)目、NOW項(xiàng)目、PATH項(xiàng)目、以及VII項(xiàng)目等等。從20XX開始,我國(guó)很多研究機(jī)構(gòu)也開始逐步關(guān)注車載網(wǎng)的研究。國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目相繼支持了一系列的研究項(xiàng)目。例如車用AdHoc網(wǎng)絡(luò)的隱私與安全技術(shù)研究等。同時(shí)863項(xiàng)目也相繼支持了多個(gè)與車載網(wǎng)相關(guān)的項(xiàng)目。近年來,從高校研究機(jī)構(gòu)到各類企業(yè),他們之間的共同努力與合作,將使得車聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)真正走下云端,逐步進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用階段。2.3主要問題車載自組織網(wǎng)絡(luò)是一種新型無線通信網(wǎng)絡(luò),它存在較多的通信技術(shù)問題。近年來,國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在以下四大方面：路由技術(shù)、MAC層接入機(jī)制、RSU部署與調(diào)度機(jī)制以及分布式協(xié)作通信等。路由技術(shù)車載自組織網(wǎng)絡(luò)是一種多跳分布式無線網(wǎng)絡(luò),且網(wǎng)絡(luò)中車輛節(jié)點(diǎn)的通信距離有一定的限制性,使得網(wǎng)絡(luò)中信息的傳輸需要借助于中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā),從而網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要[17]。在車載網(wǎng)中設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí),需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)中車輛節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化、車輛位置的可預(yù)測(cè)性等特征。MAC層接入機(jī)制車載網(wǎng)依舊使用無線資源,同樣存在著多個(gè)節(jié)點(diǎn)如何合理共享無線頻譜資源問題。且MAC協(xié)議直接控制著節(jié)點(diǎn)何時(shí)能夠介入信道以及報(bào)文在信道上的發(fā)送與接收,從而MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)對(duì)于車載自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能具有重大的意義[18]。IEEE802.11p[19]又稱WAVE是由IEEE802.11工作組為車載自組織網(wǎng)絡(luò)專用標(biāo)準(zhǔn)化的MAC接入機(jī)制。其依舊采用CSMA/CA〔CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance機(jī)制,可以看成是802.11標(biāo)準(zhǔn)的一種擴(kuò)充。MAC層的研究主要是基于對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約和控制的思想,使網(wǎng)絡(luò)中的信道狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)行為能夠被網(wǎng)絡(luò)以及節(jié)點(diǎn)有效感知控制,從而減少碰撞,保證無線信道的高效性,提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量[20]。根據(jù)鏈路的接入方式,可以將車載自組織網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議分為以下六大類：基于載波監(jiān)聽的競(jìng)爭(zhēng)方式、基于分布式時(shí)間協(xié)調(diào)方式、基于碼分多路方式、基于忙音多路方式和基于多簇管理方式的接入?yún)f(xié)議。綜合研究表明,基于分布式時(shí)隙預(yù)約MAC協(xié)議和基于載波監(jiān)聽技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)接入是目前研究的最為廣泛的兩種協(xié)議。且由于硬件兼容性問題,基于忙音多路方式和基于碼分多路方式的接入機(jī)制在VANET中較難實(shí)現(xiàn)。當(dāng)考慮到車輛通信能耗的問題時(shí),MAC層就需要采用高能效的休眠模式和接入控制機(jī)制。Kumar等正對(duì)車輛和路邊單元通信的環(huán)境、IEEE802.11p協(xié)議的能耗和服務(wù)質(zhì)量〔QoS進(jìn)行了比較,分析了能量模型以及物理傳播模型,發(fā)現(xiàn)部分接受端休眠可以減少由于監(jiān)聽而帶來的損耗,但仍能保證QoS等指標(biāo)。眾多的研究問題以及MAC協(xié)議對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的重要性,驅(qū)動(dòng)了研究者們對(duì)MAC協(xié)議進(jìn)行更為廣泛與深入的研究。RSU部署與接入機(jī)制為了滿足車載網(wǎng)中的通信需求,道路兩側(cè)可以部署一定數(shù)量的RSU,其可以視為網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于不同的道路場(chǎng)景,部署不同數(shù)量以及不同位置的RSU將對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生較大的影響。部署的RSU數(shù)量越多,網(wǎng)絡(luò)的性能越好,但部署成本將急劇增加。故如何在給定用戶的業(yè)務(wù)量需求、業(yè)務(wù)分布特性和道路模型等條件下最優(yōu)化部署RSU的數(shù)量與位置已成為車載網(wǎng)中的一個(gè)重要研究課題。與傳統(tǒng)的接入方式不同的是,車輛具有高速移動(dòng)特性,其在RSU的覆蓋范圍內(nèi)只有很短的時(shí)間,如何在這很短的時(shí)間內(nèi)保證車輛與RSU之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行詫⑹且粋€(gè)重要的問題。分布式協(xié)作通信協(xié)作通信對(duì)空間分集的增益較為明顯。多個(gè)分布式用戶之間共享彼此的天線,利用自生及其他參與協(xié)作用戶的天線構(gòu)成一個(gè)虛擬的多顯現(xiàn)環(huán)境,從而獲得一定的空間分集增益。上述四大問題構(gòu)成了車載自組織網(wǎng)絡(luò)研究中的重要問題。但將車載自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用時(shí),將會(huì)面對(duì)更多的技術(shù)問題與困難。例如車輛位置的精確定位,如何消除道路兩側(cè)建筑對(duì)通信的影響,如何實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與LTE技術(shù)的相互補(bǔ)充。除了這些技術(shù)問題,車載自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用還面臨著一系列的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)因素。如何將車輛之間直接通信的技術(shù)引入市場(chǎng),如何說服早期購(gòu)買者去購(gòu)買VANET設(shè)備與相應(yīng)的服務(wù)逐漸變成一個(gè)關(guān)鍵性的問題,在一般情形下,似乎可以通過安裝一些RSU設(shè)備來吸引第一批用戶。正如PrainVarayia在20XX的ACMVANET會(huì)議上給出的主題演講：通過分析成本效益差距,人們能夠認(rèn)識(shí)到在市場(chǎng)初期相對(duì)于從一開始接收非安全性的廣告,接收高價(jià)值的安全類信息的可能性幾乎為零。相信在不就的將來,這些問題將被研究者與運(yùn)營(yíng)商相繼解決,人類將享受到來自于車載自組織網(wǎng)絡(luò)所帶來的更為安全、便捷、舒適的交通服務(wù)。2.4本章小結(jié)本章對(duì)車載網(wǎng)的概念以及研究現(xiàn)狀、主要問題等進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。第一節(jié)首先從車載自組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及典型應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了介紹。在第一節(jié)的基礎(chǔ)之上,通過國(guó)際及國(guó)內(nèi)的有關(guān)車載網(wǎng)的各種項(xiàng)目的介紹來對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。最后,闡述了車載網(wǎng)目前主要面臨的幾個(gè)問題：路由技術(shù)、MAC層接入機(jī)制、RSU部署與調(diào)度機(jī)制以及分布式協(xié)作通信,并詳細(xì)介紹了這幾個(gè)問題的原因等。第三章網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-23.1NS-2簡(jiǎn)單介紹NS〔NetworkSimulator是一種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。NS-2是NS的第2版。它最大的特色在于對(duì)任何人和任何組織開放源碼。它主要用于研究網(wǎng)絡(luò)中的路由、MAC等協(xié)議,但是由于它的源碼是開放的,任何人都可以重新設(shè)計(jì)和開發(fā)它的源碼。因此,各個(gè)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者不斷地對(duì)其進(jìn)行開發(fā),擴(kuò)充它現(xiàn)有的功能。這也使它受到了廣大網(wǎng)絡(luò)研究者的青睞。從本質(zhì)上對(duì)NS-2分析,可以把它看成是一個(gè)離散的時(shí)間仿真器。一個(gè)虛擬時(shí)鐘在它的內(nèi)部運(yùn)行,一個(gè)個(gè)離散的事件驅(qū)動(dòng)了仿真事件進(jìn)行。到目前為止,它的功能已經(jīng)很完善了,可以實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的仿真功能,其中包括以下幾個(gè)方面：MAC層協(xié)議,比如802.11；應(yīng)用層的流量產(chǎn)生器,比如FTP和CBR；隊(duì)列方式,比如CBQ和Droptail；相關(guān)的傳輸型協(xié)議,比如UDP和TCP；以及其它一些路由方面的策略等。現(xiàn)在存在著很多種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。而NS-2之所以能夠備受歡迎,有以下幾點(diǎn)原因：1.免費(fèi)；2.擴(kuò)展性很好；3.源碼對(duì)外開放；4.廣泛的用戶支持。3.2NS-2基礎(chǔ)3.2.1NS-2的運(yùn)行機(jī)制NS-2中的系統(tǒng)時(shí)間是離散的,離散事件的發(fā)生驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)間的進(jìn)行。它是一個(gè)面向?qū)ο蟮姆抡孳浖?。它的基本機(jī)制基于分裂對(duì)象的模型發(fā)展而來。NS-2的開發(fā)語(yǔ)言同時(shí)包含了Otcl與C++,這兩種語(yǔ)言通過TclCL機(jī)制連接在一起。由于C++語(yǔ)言具有運(yùn)行時(shí)間短,處理速度快的優(yōu)點(diǎn),因此,NS-2中基本的網(wǎng)絡(luò)組件,比如節(jié)點(diǎn)、代理、鏈路等,都是通過C++語(yǔ)言來編寫的。而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn),由于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各種參數(shù)都有可能不斷的發(fā)生變化,因此,本文采用了靈活的Tcl腳本來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的編寫。然后通過TCclCL映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)這兩種語(yǔ)言編寫構(gòu)成的模擬網(wǎng)絡(luò)。通過這種映射機(jī)制,既可以靈活方便的對(duì)網(wǎng)絡(luò)的配置和參數(shù)進(jìn)行快速的修改,又可以快速的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真過程。3.2.2NS-2的基本組成節(jié)點(diǎn)：NS-2中的節(jié)點(diǎn)有兩種,分別為單播節(jié)點(diǎn)和多播節(jié)點(diǎn)。單播節(jié)點(diǎn)由地址分類器和端口分類器這兩個(gè)Tcl對(duì)象構(gòu)成。在NS-2中,建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,還可以緊接著配置一下這個(gè)節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列類型、MAC類型、物理層類型等一些基本的屬性。在NS-2中建立一個(gè)單播節(jié)點(diǎn)的命令：$nsnode+節(jié)點(diǎn)名稱鏈路：NS-2中的鏈路與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)鏈路不同,它同時(shí)實(shí)現(xiàn)了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及部分網(wǎng)絡(luò)層的功能。在NS-2中,我們應(yīng)用最多的是簡(jiǎn)單的單向鏈路。在NS-2中建立單向鏈路的命令：setns[newsimulator];$nssimple-link<node1><node2><bandwidth><delay><queue_type>代理：網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包起于代理,同樣也在代理中銷毀,此外,代理還可以實(shí)現(xiàn)各種不同層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。比如,NS-2中的代理可以實(shí)現(xiàn)TCP和UDP這兩個(gè)傳輸協(xié)議應(yīng)用層：在NS-2中,應(yīng)用層分為流量產(chǎn)生器和應(yīng)用模擬器這兩大類。最常用的流量產(chǎn)生器為固定比特率流量產(chǎn)生器〔CBR,一般在UDP代理的上層使用。最常用的應(yīng)用模擬器為FTP應(yīng)用模擬器,一般在TCP代理的上層使用。在NS-2中,應(yīng)用層產(chǎn)生業(yè)務(wù)流量,通過與代理連接實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流傳輸。3.2.3NS-2的簡(jiǎn)單應(yīng)用進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)的主要目的就是在短時(shí)間內(nèi),耗費(fèi)較低的經(jīng)費(fèi),了解網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能,得到研究中需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。然后通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出一定的驗(yàn)證結(jié)果。所以,除了建立仿真場(chǎng)景之外,對(duì)仿真數(shù)據(jù)的記錄和分析也是網(wǎng)絡(luò)仿真中的一件非常重要的事情。也可以根據(jù)自己的需要來對(duì)trace文件進(jìn)行設(shè)置,使其記錄仿真過程中我們感興趣的地方。為了形象地向用戶展示整個(gè)仿真過程的運(yùn)行,NS-2可以通過利用Nam以動(dòng)畫的形式來展示仿真過程。在仿真過程結(jié)束之后,trace文件中記錄了整個(gè)仿真過程的數(shù)據(jù)。如果要研究無線網(wǎng)絡(luò),可以使用gawk工具來分析trace文件。從而得到丟包率、吞吐量等指標(biāo)。Gawk工具可以篩選或者計(jì)算出感興趣的數(shù)據(jù),但是它不能夠直觀地反映相關(guān)結(jié)果。因此,可以利用gnuplot工具通過圖形的方式將吞吐量、端到端延遲等數(shù)據(jù)展示出來。3.3NS-2的仿真過程圖3-1NS-2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的基本流程一個(gè)完整的仿真過程需要涉及到三個(gè)部分：第一部分為修改源代碼實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組件,第二部分為編寫Tcl腳本文件實(shí)現(xiàn)仿真場(chǎng)景,第三部分為對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,下面對(duì)這三個(gè)部分具體的工作做一下介紹：修改源代碼：只有在仿真過程需要用到的基本組件或者協(xié)議在NS-2中沒有的情況下,才會(huì)進(jìn)行修改源代碼。修改源代碼需要用戶具有對(duì)NS-2豐富的使用經(jīng)驗(yàn)和較高的編程水平。由于NS-2是由C++和OTcl這兩種語(yǔ)言編寫而成,在對(duì)源代碼進(jìn)行修改的時(shí)候,還要注意對(duì)相應(yīng)的OTcl代碼進(jìn)行修改。編寫Tcl腳本文件：Tcl腳本文件就是用來建立仿真場(chǎng)景,配置網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)同時(shí)控制仿真過程的運(yùn)行和停止。仿真結(jié)果分析；對(duì)仿真結(jié)果的分析是整個(gè)仿真過程中最能體現(xiàn)仿真效果的一部分,這部分的工作需要用戶對(duì)NS-2中的trace文件有所了解和掌握,并且能夠熟練使用gawk、gnuplot等分析工具。3.4本章小結(jié)本章首先對(duì)NS-2進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。在第二小節(jié)中通過對(duì)NS-2的運(yùn)行機(jī)制、基本組成和簡(jiǎn)單的應(yīng)用分析,詳細(xì)地闡述了NS-2的整體架構(gòu)；最后一個(gè)小結(jié)中,通過對(duì)NS-2仿真的過程進(jìn)行流程圖分析,把整個(gè)仿真過程清晰地展現(xiàn)出來。第四章介質(zhì)訪問控制〔MAC層協(xié)議概述4.1MAC層的基本概念介質(zhì)訪問控制〔MediaAccessControl,MAC層位于數(shù)據(jù)鏈路層。它主要負(fù)責(zé)控制訪問物理介質(zhì)。MAC層協(xié)議在有線局域網(wǎng)〔LAN和無線局域網(wǎng)〔WLAN中都有所應(yīng)用?；贗EEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議是傳統(tǒng)局域網(wǎng)中最主要的MAC層協(xié)議。它通過CSMA/CD方式實(shí)現(xiàn)訪問控制。而基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議是目前無線局域網(wǎng)中主流MAC層協(xié)議。根據(jù)訪問信道的控制方式,MAC層協(xié)議可以分為以下三種類型：基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC層協(xié)議：此類型MAC層協(xié)議根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送需求隨機(jī)對(duì)信道進(jìn)行訪問。當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候,通過與其他節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)信道訪問,如果競(jìng)爭(zhēng)成功了,該節(jié)點(diǎn)就可以發(fā)送數(shù)據(jù),如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞的情況,這個(gè)節(jié)點(diǎn)就需要根據(jù)相應(yīng)的重傳策略重新發(fā)送數(shù)據(jù)。這種MAC層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)依賴于載波監(jiān)測(cè)、退避機(jī)制和重傳策略。IEEE802.11系列協(xié)議組中有很多種協(xié)議都是采用DCF機(jī)制。這些協(xié)議都屬于基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC層協(xié)議。該類型的MAC層協(xié)議有以下優(yōu)點(diǎn)：按需對(duì)物理介質(zhì)進(jìn)行分配,能夠很好的應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化；不需要復(fù)雜的集中控制算法。無競(jìng)爭(zhēng)的MAC層協(xié)議：此類型MAC層協(xié)議通過時(shí)分多址〔TimeDivisionMultipleAccess,TDMA和同步策略實(shí)現(xiàn),每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只能在特定頻段信道的特定時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都享有自己的資源。因此,發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程不會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。無競(jìng)爭(zhēng)的MAC層協(xié)議主要的優(yōu)點(diǎn)為具有很高的可靠性,它的服務(wù)質(zhì)量滿足安全應(yīng)用的要求,缺點(diǎn)在于不能把資源利用最優(yōu)化,不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很大的情況?；旌闲蚆AC層協(xié)議：在這種方式的MAC層協(xié)議中,它把一部分的時(shí)隙分配給特定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),剩下的時(shí)隙資源通過競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來利用。在最開始的階段,802.11協(xié)議是應(yīng)用最多的MAC層協(xié)議。隨著對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增加,人們已經(jīng)不再滿足于802.11協(xié)議的性能。因此,又制定了802.11n、802.11e等一系列的MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。每一種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)都適用于不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,比如802.11n在Wi-Fi中應(yīng)用非常廣泛,而802.11p是針對(duì)車載環(huán)境提出的一種MAC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。4.2基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議是IEEE最初針對(duì)無線局域網(wǎng)制定的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。它最初用于在無線局域網(wǎng)中控制訪問無線信道。它最高只能達(dá)到2Mbps的速率。但是人們的需求不斷增加,因此又提出了一些改進(jìn)型的協(xié)議。由于這些協(xié)議都是從802.11協(xié)議演進(jìn)而來,因此,在初步研究無線局域網(wǎng)的MAC協(xié)議時(shí),大多數(shù)的學(xué)者都會(huì)選擇先學(xué)習(xí)802.11協(xié)議,并以此為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)其它演進(jìn)而來的協(xié)議。IEEE802.11MAC層協(xié)議的訪問控制方式有兩種。其中包括分布式協(xié)調(diào)控制〔DCF和點(diǎn)協(xié)調(diào)控制〔PCF。下面將介紹802.11協(xié)議的DCF機(jī)制：DCF機(jī)制主要的工作方式有接收確認(rèn)策略、CSMA/CA策略和退避策略。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送一個(gè)新的分組包之前,將會(huì)對(duì)信道進(jìn)行檢查。若此時(shí)信道未被占用,且持續(xù)達(dá)到一個(gè)分布式幀間隔時(shí)長(zhǎng)。該節(jié)點(diǎn)將會(huì)開始執(zhí)行發(fā)送分組包的過程。如果信道此時(shí)被占用了,則需要繼續(xù)監(jiān)測(cè)信道。當(dāng)信道再次空閑且時(shí)長(zhǎng)達(dá)到DIFS時(shí)長(zhǎng)。這時(shí)候會(huì)隨機(jī)生成一個(gè)退避時(shí)間。然后計(jì)時(shí)器開始工作,計(jì)時(shí)結(jié)束后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)過程是為了避免與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)出的分組包產(chǎn)生沖突。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)一直在發(fā)送分組包,則在兩次發(fā)送過程之間需要等待DIFS加上一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間。這樣可以降低分組包"追尾"的概率。DCF機(jī)制的隨機(jī)退避時(shí)間并不是連續(xù)的。在等待DIFS時(shí)間后,會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)退避時(shí)間。它是由一個(gè)個(gè)的時(shí)間間隔組成的。每個(gè)時(shí)間間隔〔的時(shí)長(zhǎng)與一個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)信道是否被占用所需要的時(shí)間完全相等。只有在一個(gè)時(shí)間間隔開始的那一刻,節(jié)點(diǎn)才可以發(fā)送分組包。如表4-1所示,時(shí)間間隔的長(zhǎng)度依賴于物理層。表4-1時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)PHYSlotTime〔CWminCWmaxFHSS50us161024DSSS20us321024IR8us641024在退避過程中,應(yīng)用的是指數(shù)策略。在一個(gè)分組包第一次發(fā)送的時(shí)候,退避時(shí)間為從〔0,-1中隨機(jī)挑選的數(shù)與σ相乘的結(jié)果。我們通常把競(jìng)爭(zhēng)窗口記為。第一次發(fā)送分組包的時(shí)候,默認(rèn)為CWmin。若未能夠成功發(fā)送,則競(jìng)爭(zhēng)窗口的值會(huì)加倍。最終以CWmax為上限。從圖4-1中可以看到默認(rèn)的CWmin和CWmax。若信道此時(shí)被檢查到未被占用,則開始執(zhí)行退避過程。若檢查到信道繁忙,就會(huì)終止這個(gè)過程。計(jì)數(shù)器就會(huì)變?yōu)閮鼋Y(jié)狀態(tài)。然后會(huì)再次對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一直達(dá)到DIFS時(shí)長(zhǎng)。然后退避計(jì)數(shù)器就會(huì)繼續(xù)工作。如果計(jì)時(shí)過程還沒有結(jié)束,節(jié)點(diǎn)不可以發(fā)送數(shù)據(jù),直到計(jì)時(shí)結(jié)束才可以發(fā)送。圖4-1清晰的展現(xiàn)了以上的過程。在一個(gè)信道上存在著兩個(gè)節(jié)點(diǎn),分別為節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B。節(jié)點(diǎn)B剛剛成功發(fā)送出去一個(gè)分組包。然后,節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行監(jiān)測(cè)等待。直到信道空閑且達(dá)到DIFS時(shí)長(zhǎng)之后,隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為8的退避過程。在這個(gè)過程中,一個(gè)新的分組包到達(dá)節(jié)點(diǎn)A。節(jié)點(diǎn)A進(jìn)行監(jiān)測(cè)等待,直到空閑時(shí)間達(dá)到DIFS時(shí)長(zhǎng)。然后節(jié)點(diǎn)A直接發(fā)送分組包。此時(shí),節(jié)點(diǎn)B會(huì)監(jiān)測(cè)到信道被占用。然后計(jì)時(shí)器會(huì)被凍結(jié),這個(gè)時(shí)候的數(shù)值為5。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)送完成之后,B會(huì)監(jiān)測(cè)到信道未被占用。然后節(jié)點(diǎn)B會(huì)繼續(xù)監(jiān)測(cè)等待,直到達(dá)到DIFS時(shí)長(zhǎng)。然后節(jié)點(diǎn)B的退避計(jì)數(shù)器繼續(xù)開始遞減。當(dāng)它的值減到零的時(shí)候,則開始下一個(gè)分組包的發(fā)送過程。圖4-1基本訪問過程例子圖4-2RTS/CTS訪問過程接收節(jié)點(diǎn)將等待一個(gè)短幀間隔時(shí)長(zhǎng),然后立刻返回一個(gè)確認(rèn)分組包。由于SIFS的時(shí)長(zhǎng)要比DIFS的時(shí)長(zhǎng)小很多,所以在接收ACK的過程中其它站點(diǎn)沒有機(jī)會(huì)占有信道。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)成功收到了確認(rèn)分組包,則其它節(jié)點(diǎn)才有機(jī)會(huì)訪問信道。若發(fā)送節(jié)點(diǎn)未成功接收到確認(rèn)分組包,則需要再次進(jìn)行退避過程,然后發(fā)送分組包。在上面描述的分組包傳送過程中,只發(fā)生了一次握手,這僅僅是介質(zhì)訪問的基本過程。DCF機(jī)制定義了一個(gè)兩次握手的數(shù)據(jù)包傳送過程,正如圖4-2所示,這種機(jī)制里增加了RTS/CTS。如果一個(gè)站點(diǎn)要發(fā)送分組包,首先會(huì)按照上面所提到的過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、等待、退避。然后先發(fā)送一個(gè)長(zhǎng)度很短的發(fā)送請(qǐng)求包RTS。如果接收節(jié)點(diǎn)成功收到了RTS分組包,則接收節(jié)點(diǎn)會(huì)等待一個(gè)短幀間隔時(shí)長(zhǎng)。然后發(fā)送CTS分組包進(jìn)行回應(yīng)。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有收到CTS包,則不再發(fā)送后面的數(shù)據(jù)包。RTS分組包或者CTS分組包中包含了數(shù)據(jù)包的一些基本信息,比如發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)間。這些信息可以被任何可收聽到的節(jié)點(diǎn)接收,其它節(jié)點(diǎn)收到之后會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)不會(huì)訪問信道。這樣,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)是發(fā)送或者接收節(jié)點(diǎn)的隱藏節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,只需要收到RTS或CTS分組包中的一個(gè)包就可以更新NAV,從而解決了隱藏終端問題,減少了碰撞。RTS/CTS分組包可以很大的提高網(wǎng)絡(luò)的效率。由于RTS/CTS分組包的長(zhǎng)度很小,如果數(shù)據(jù)傳送過程出現(xiàn)了碰撞,則立刻停止本次發(fā)送過程,相對(duì)于長(zhǎng)度很大的數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞,這樣可以節(jié)省很多時(shí)間,從而提高網(wǎng)絡(luò)的效率。4.3車載網(wǎng)MAC層協(xié)議在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中,車輛是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),其主要特點(diǎn)為高速移動(dòng)性,而且安全應(yīng)用需要在最小的碰撞概率下建立可靠的通信鏈接。因此,大部分移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的MAC層協(xié)議,在車載網(wǎng)中都不是很合適。隨著車載網(wǎng)受到越來越多的關(guān)注,許多研究機(jī)構(gòu)或者企業(yè)都在不斷開發(fā)新的車載網(wǎng)MAC層協(xié)議。其中以IEEE802.11工作組提出的802.11p協(xié)議最為經(jīng)典。802.11p能夠很好的支持車載環(huán)境下的無線通信,是目前應(yīng)用最廣泛的車載網(wǎng)MAC層協(xié)議。在此之后,IEEE工作組又提出了1609協(xié)議組,該協(xié)議建立在802.11p協(xié)議的基礎(chǔ)之上,其中1609.4協(xié)議對(duì)802.11p協(xié)議的功能進(jìn)行的擴(kuò)充,使MAC層的功能更加靈活與強(qiáng)大。本章小結(jié)本章介紹了MAC層的基本概念、功能與目前MAC層協(xié)議的研究現(xiàn)狀,然后對(duì)基于802.11標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議的工作機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)闡述,最后簡(jiǎn)單介紹了車載網(wǎng)MAC層協(xié)議的發(fā)展情況。第五章車載網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議仿真5.1引言根據(jù)前面介紹的車載自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)?？芍谲囕d網(wǎng)中,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與車流密度相關(guān)、節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)的特點(diǎn)等。因此,大多數(shù)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的MAC層協(xié)議,在車載環(huán)境中都不再適用。其次,車載環(huán)境的應(yīng)用也涉及到好幾個(gè)方向,包括交通安全應(yīng)用、多媒體娛樂應(yīng)用、交通管理應(yīng)用等等,不同類型的應(yīng)用對(duì)MAC層的要求也不盡相同。交通安全應(yīng)用需要MAC層協(xié)議能夠快速建立一個(gè)可靠穩(wěn)定的通信,要求能夠提供很高的服務(wù)質(zhì)量〔QoS,以便能夠及時(shí)把消息傳遞給駕駛者,使其有充足的反應(yīng)時(shí)間來應(yīng)對(duì)緊急狀況；對(duì)于多媒體娛樂應(yīng)用,對(duì)QoS的要求就降低了許多,只要信息能夠到達(dá)即可,對(duì)可靠性的要求要比安全應(yīng)用要低得多。在無線局域網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議中,通常把所有的消息都視為同等重要,并沒有區(qū)分對(duì)待不同類別的消息。由于無線信道的資源有限,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量很大的時(shí)候,這樣就并沒有達(dá)到對(duì)有限的信道資源進(jìn)行最優(yōu)化利用。而對(duì)于車載網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量隨車流量密度變化,在特定的時(shí)間段,特定的地點(diǎn),車流量密度會(huì)變得非常大,此時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量過大,信息的傳遞延遲也變大,此時(shí)安全應(yīng)用就不能很起到很好的作用。因此,在車載網(wǎng)的MAC層協(xié)議中,都會(huì)對(duì)消息進(jìn)行分類。以消息的重要程度為依據(jù),對(duì)其劃分優(yōu)先級(jí)。比如最高優(yōu)先級(jí)的消息為安全消息,優(yōu)先級(jí)相對(duì)較低的消息的多媒體消息。這樣在車流量密度較大的情況下,車載網(wǎng)絡(luò)的MAC層能夠最優(yōu)化的利用信道資源,優(yōu)先選擇傳遞安全消息,帶來最大的收益。為了深入的學(xué)習(xí)了解802.11p協(xié)議具體的工作過程與實(shí)際性能,本文對(duì)NS-2中自帶的802.11源代碼進(jìn)行了修改,使其實(shí)現(xiàn)了802.11p協(xié)議的功能,并且通過建立仿真場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)了802.11p與802.11協(xié)議的性能對(duì)比分析,從而對(duì)802.11p協(xié)議的特點(diǎn)有了清楚的認(rèn)識(shí)。5.2基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議5.2.1協(xié)議的基本概述隨著車載網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,802.11p協(xié)議已經(jīng)成為一個(gè)成熟的車載網(wǎng)MAC層協(xié)議,同時(shí),世界各地的許多研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者也一直在不斷地對(duì)車載網(wǎng)MAC層協(xié)議進(jìn)行更深入的研究,不斷改善其現(xiàn)有的功能,使其能夠滿足車載網(wǎng)應(yīng)用多樣性的需求。802.11p協(xié)議采用了802.11e協(xié)議中提到的增強(qiáng)型分布式信道訪問〔EnhancedDistributedChannelAccess,EDCA機(jī)制。并以此為原型對(duì)個(gè)別參數(shù)做了一定的修改。同時(shí),它去掉了RTS/CTS握手機(jī)制,這也是與802.11協(xié)議的另一個(gè)不同之處。在802.11p協(xié)議中,為了滿足各類車載網(wǎng)應(yīng)用的不同需求,它將信息分為四個(gè)優(yōu)先權(quán)。優(yōu)先權(quán)最高的信息為緊急的安全信息,比如前方道路有障礙物、即將發(fā)生碰撞等；第二級(jí)優(yōu)先權(quán)的信息用于車輛在沒有視野的情況下,向其它車輛表明自己的存在。下一等級(jí)優(yōu)先權(quán)分配給那些非緊急的信息,比如車輛由于沒油了或者其它原因而不能行駛,向其它車輛求助的信息。對(duì)于那些非安全的、用于提供娛樂服務(wù)的信息,它們享有最低的優(yōu)先權(quán)。5.2.2協(xié)議的工作機(jī)制在第四章中本文已經(jīng)對(duì)802.11協(xié)議的工作機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析,802.11p協(xié)議與802.11協(xié)議對(duì)比,主要有兩點(diǎn)不同,一是802.11p協(xié)議采用了EDCA機(jī)制,將消息分為了四個(gè)優(yōu)先級(jí)。在每個(gè)站點(diǎn)內(nèi)有四個(gè)隊(duì)列,分別對(duì)應(yīng)四個(gè)優(yōu)先級(jí)。二是802.11p協(xié)議去掉了RTS/CTS握手機(jī)制。下面本文將對(duì)802.11p協(xié)議的EDCA機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)的介紹。EDCA機(jī)制同樣采用載波監(jiān)測(cè)多址接入/避免碰撞〔CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,CSMA/CA策略,為了支持不同優(yōu)先級(jí)應(yīng)用的數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸,它定義了四種訪問類別〔AccessCategories,ACs,如圖5-1所示。每一個(gè)訪問類別都各自通過獨(dú)立的DCF機(jī)制來競(jìng)爭(zhēng)傳輸數(shù)據(jù),而且它們采用不同的EDCA參數(shù),包含AIFSN,aCWmin和aCWmax,如表5-1中所列。aCWmin的默認(rèn)值為15,aCWmax的默認(rèn)值為1023。圖5-1一個(gè)站點(diǎn)內(nèi)的EDCA機(jī)制表5-1802.11p的EDCA參數(shù)ACCWminCWmaxAIFSNAC[0]aCWminaCWmax9AC[1]aCWminaCWmax6AC[2]<aCWmin+1>/2-1aCWmin3AC[3]<aCWmin+1>/4-1<aCWmin+1>/2-12如圖5-1中所示,AIFS[AC[i]]是AC[i]的仲裁幀間隔時(shí)長(zhǎng),且它滿足公式〔5-1：AIFS[AC[i]]=aSIFSTime+AIFSN[AC[i]]×aSlotTimei=<0,1,2,3><5-1>根據(jù)公式〔5-1和表5-1,可以看出AIFS[AC[i]]的值取決于AIFSN[AC[i]]。AIFSN值越小,AC訪問信道的機(jī)會(huì)越大。因此AIFSN越小的AC其優(yōu)先級(jí)越高。由圖可知,AC的優(yōu)先級(jí)等級(jí)為AC[3]>AC[2]>AC[1]>AC[0]。此外,不同的AC具有不同的競(jìng)爭(zhēng)窗口大小。同樣,競(jìng)爭(zhēng)窗口越小的AC的優(yōu)先級(jí)越高。因此,通過以上的EDCA機(jī)制,802.11p可以對(duì)高優(yōu)先級(jí)的信息實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸。如表5-2所示,當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)的AC[i]有需要發(fā)送的分組包,站點(diǎn)就會(huì)監(jiān)測(cè)信道。如果信道空閑時(shí)間達(dá)到AIFS[AC[i]],則AC[i]的退避計(jì)時(shí)器就可以計(jì)數(shù)。當(dāng)減到零的時(shí)候,開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。如果退避計(jì)時(shí)器工作過程中監(jiān)測(cè)到信道被占用,則進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)。然后對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)測(cè),直到信道不再被占用且達(dá)到AIFS[AC[i]]。接著繼續(xù)進(jìn)行退避過程。然而,每個(gè)站點(diǎn)有四個(gè)AC。若兩個(gè)或多個(gè)AC同時(shí)退避完成準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),在站點(diǎn)內(nèi)部就可能發(fā)生碰撞。因此,在站點(diǎn)內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)調(diào)度器,在出現(xiàn)這種情況的時(shí)候,調(diào)度器會(huì)使高級(jí)別的AC發(fā)送數(shù)據(jù),使低級(jí)別的AC重新進(jìn)行退避,從而避免了出現(xiàn)內(nèi)部碰撞的現(xiàn)象。圖5-2802.11p的信道訪問過程5.3仿真結(jié)果分析在本節(jié)中,本文將對(duì)802.11p協(xié)議的整體性能做出評(píng)估。評(píng)估工具是NS2仿真軟件。為了做好較客觀的評(píng)價(jià),將傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的802.11協(xié)議與802.11p協(xié)議進(jìn)行對(duì)比。由于802.11p的特色在于EDCA機(jī)制,支持不同優(yōu)先級(jí)信息的傳送,因此本節(jié)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為各個(gè)優(yōu)先級(jí)的吞吐量、端到端延時(shí)。其中端到端延時(shí)是指數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。5.3.1仿真場(chǎng)景對(duì)兩種協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的節(jié)點(diǎn)分布場(chǎng)景可以參見圖5-3。五個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在600m×400m的區(qū)域內(nèi)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)的速度隨機(jī)分布在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的任一點(diǎn)。仿真持續(xù)時(shí)間為100秒。在仿真期間,節(jié)點(diǎn)1同時(shí)發(fā)送四個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流,其中AC[0]發(fā)給節(jié)點(diǎn)2,AC[1]發(fā)給節(jié)點(diǎn)3,AC[2]發(fā)給節(jié)點(diǎn)4,AC[3]發(fā)給節(jié)點(diǎn)5。在對(duì)802.11協(xié)議進(jìn)行仿真的過程,節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的四個(gè)數(shù)據(jù)流沒有設(shè)置優(yōu)先級(jí),這是因?yàn)?02.11協(xié)議中沒有對(duì)消息進(jìn)行等級(jí)分類,所以在分析仿真結(jié)果時(shí),取四個(gè)數(shù)據(jù)流的平均數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。相關(guān)的仿真腳本程序請(qǐng)見附錄。圖5-3仿真場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)示意圖5.3.2仿真結(jié)果圖5-4對(duì)比了仿真過程中802.11p協(xié)議與802.11協(xié)議的吞吐量?？梢钥吹?802.11p協(xié)議中四個(gè)不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的吞吐量與802.11協(xié)議中四個(gè)數(shù)據(jù)流的平均吞吐量各不相同,且吞吐量都比較穩(wěn)定。假設(shè)802.11協(xié)議中的數(shù)據(jù)流為AC,則吞吐量的大小關(guān)系為AC[3]>AC[2]>AC>AC[1]>AC[0]。這是因?yàn)樵?02.11p中四個(gè)數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)不同。在同時(shí)有幾個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí),會(huì)先發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包。因此優(yōu)先級(jí)越高的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)重傳退避的概率會(huì)越小,發(fā)送前需要等待的時(shí)間也越小。在802.11協(xié)議中,由于有四個(gè)數(shù)據(jù)流同時(shí)發(fā)送,DCF機(jī)制中發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間退避的概率會(huì)很大。因此,相對(duì)于802.11p協(xié)議中的AC[3]、AC[2],其吞吐量要偏低。由于腳本文件中設(shè)置四個(gè)數(shù)據(jù)流的發(fā)送速率、數(shù)據(jù)包類型、大小等參數(shù)都相同,數(shù)據(jù)包的發(fā)送量都是相同的,所以吞吐量一直保持在穩(wěn)定狀態(tài)。在真實(shí)的車載網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載是依車流量密度變化而變化的,并不是一個(gè)固定量,因此在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中吞吐量是隨時(shí)在變化的。圖5-4仿真過程中802.11p協(xié)議與802.11協(xié)議的吞吐量圖5-5表示的是兩種協(xié)議的端到端延時(shí)。由于在整個(gè)仿真過程中發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量非常多,在仿真圖中無法清晰表示,因此這里只取了前四十個(gè)數(shù)據(jù)包的延時(shí)來進(jìn)行繪圖。計(jì)算所有分組包的時(shí)延,得到結(jié)果：Delay[AC3]=0.003796,Delay[AC2]=0.004194,Delay[AC]=0.004396,Delay[AC1]=0.004790,Delay[AC0]=0.005293。從圖中可以看出,延時(shí)的大小關(guān)系并不是始終保持一樣的,但是整體趨勢(shì)符合Delay[AC3]>Delay[AC3]>Delay[AC3]>Delay[AC3]>Delay[AC3]的大小關(guān)系。由此可知,在802.11p協(xié)議中,高優(yōu)先級(jí)消息與低優(yōu)先級(jí)消息比較,傳輸時(shí)延要小。同時(shí)AC[3]和AC[2]的傳輸時(shí)延也要比802.11協(xié)議中AC的傳輸時(shí)延要小,它們倆的可靠性要更好一些。圖5-5仿真過車中802.11p協(xié)議與802.11協(xié)議的時(shí)延由以上的仿真結(jié)果可知,802.11p協(xié)議中高優(yōu)先級(jí)消息的傳輸時(shí)延要更小,發(fā)送幾率要更大,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量較大的情況下可以提供更可靠、穩(wěn)定的通信。面對(duì)車載網(wǎng)多樣性應(yīng)用各種不同的需求,802.11p協(xié)議比802.11協(xié)議更能夠有效利用有限的無線信道資源,能夠提高安全應(yīng)用的可靠性。5.4本章小結(jié)本章主要介紹了基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)MAC層協(xié)議的基本概念以及具體的工作機(jī)制。然后通過網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS-2對(duì)802.11p協(xié)議與802.11協(xié)議進(jìn)行了仿真對(duì)比分析。第六章總結(jié)與展望根據(jù)前面五章的敘述和分析,已經(jīng)對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-2以及介質(zhì)訪問控制〔MAC層都有了一定的了解。并且對(duì)802.11協(xié)議與802.11p協(xié)議的工作機(jī)制也有了熟悉的掌握。本章將會(huì)對(duì)車載網(wǎng)MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)過程需要注意的方面進(jìn)行總結(jié),介紹一下目前的學(xué)習(xí)內(nèi)容與后期的研究方向。6.1MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過前面對(duì)802.11p協(xié)議工作機(jī)制的深入學(xué)習(xí)以及對(duì)車載網(wǎng)中其它MAC層協(xié)議研究狀況的了解,本節(jié)對(duì)車載網(wǎng)MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)過程需要注意的方面進(jìn)行了總結(jié)：能量。要盡量減少系統(tǒng)的無用損耗,節(jié)省能量。網(wǎng)絡(luò)效率。在MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)過程中,需要注意保障網(wǎng)絡(luò)的公平性和實(shí)時(shí)性。在此基礎(chǔ)上要盡可能提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。動(dòng)態(tài)性。在車載網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的分布情況和密度等不斷發(fā)生變化。導(dǎo)致車載網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不斷隨之改變。因此,MAC層協(xié)議應(yīng)該具有相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性,以適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。算法復(fù)雜度。在車載網(wǎng)中,節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)存空間和運(yùn)算能力都有限,MAC層協(xié)議應(yīng)該盡量降低算法的復(fù)雜度。與其它層協(xié)議的協(xié)作。車載網(wǎng)的應(yīng)用具有多樣性,這也對(duì)網(wǎng)絡(luò)各層提出了一部分共同的要求,比如節(jié)省能量、提高網(wǎng)絡(luò)效率等。因此,提高M(jìn)AC層協(xié)議與其它層協(xié)議的協(xié)作能力可以獲得更好的系統(tǒng)整體性能。6.2目前學(xué)習(xí)方向與展望6.2.1目前學(xué)習(xí)方向基于802.11p協(xié)議,車載網(wǎng)通過利用專用短距離通信〔DedicatedShort-RangeCommunication,DSRC技術(shù)在交通安全、休閑娛樂等方面實(shí)現(xiàn)了很多的應(yīng)用。因此,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)在5.9GHz頻帶上分配了75MHz的頻段專用于車載通信。如圖6-1所示,整個(gè)頻段被分成了七個(gè)頻道。包括一個(gè)控制頻道和六個(gè)服務(wù)頻道?？刂祁l道主要用于安全相關(guān)的應(yīng)用,服務(wù)頻道主要用于各種休閑娛樂應(yīng)用。圖6-1車載網(wǎng)75MHz頻段的分配圖IEEE相關(guān)機(jī)構(gòu)隨后提出了1609系列協(xié)議來實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用。其中1609.4協(xié)議是應(yīng)用于車載網(wǎng)MAC層中的上層協(xié)議,它建立在802.11p協(xié)議的基礎(chǔ)之上,工作802.11p協(xié)議的上層。1609.4協(xié)議實(shí)現(xiàn)了訪問多個(gè)頻道的功能。它通過時(shí)間同步技術(shù),把時(shí)間劃分成長(zhǎng)度為100ms的時(shí)間間隔,前50ms切換到控制頻道上來接收安全方面的信息,后50ms切換到各個(gè)服務(wù)頻道上來接收非安全方面的信息。通過不同的頻道來發(fā)送安全信息和非安全信息,可以避免不能收到安全信息的情況。在對(duì)1609.4協(xié)議的工作機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)學(xué)習(xí)之后,目前正嘗試在NS-2中對(duì)其進(jìn)行仿真分析,由于NS-2中并沒有1609.4協(xié)議的源代碼,因此,現(xiàn)階段正在對(duì)NS-2中MAC層協(xié)議的源代碼進(jìn)行修改,以便實(shí)現(xiàn)1609.4協(xié)議的功能。6.2.2展望前面主要介紹了車載網(wǎng)目前已經(jīng)成熟的MAC層協(xié)議802.11p和1609.4,在一般的車載網(wǎng)場(chǎng)景中它們能夠很好的實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問控制的功能。但是車載網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景隨時(shí)都在動(dòng)態(tài)變化,難以預(yù)測(cè)。比如在交通高峰期,車流量密度非常大,安全方面的信息量較大,給控制頻道分配50ms的時(shí)間長(zhǎng)度并不能滿足安全應(yīng)用的需求；在交通低峰期,安全信息量小,只是偶爾有安全信息傳送,此時(shí)控制頻道卻占用了一半的信道資源,信道資源并沒有得到有效的利用。根據(jù)上面的分析可知,對(duì)于100ms的時(shí)間間隔,固定的分配給控制頻道和服務(wù)頻道各50ms并不能很好的利用有限的信道資源。因此,這是一個(gè)有待于改進(jìn)的研究方向。如果能夠?qū)崿F(xiàn)100ms的時(shí)間間隔隨交通流量的變化而動(dòng)態(tài)地對(duì)控制頻道和服務(wù)頻道進(jìn)行分配,交通流量變大的時(shí)候,控制頻道占的時(shí)間也要變長(zhǎng),交通流量小的時(shí)候,服務(wù)頻道占的時(shí)間也要隨之變長(zhǎng)。這樣就可以最優(yōu)化利用有限的信道資源。因此,在以后的工作中,如何合理分配控制頻道和服務(wù)頻道的時(shí)間長(zhǎng)度這個(gè)問題還有待于進(jìn)一步的研究。結(jié)論本文主要研究了基于IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)MAC層協(xié)議以及車載網(wǎng)中其它MAC層協(xié)議的研究狀況。前面的章節(jié)主要對(duì)車載網(wǎng)的基本概念、研究現(xiàn)狀及典型應(yīng)用做了簡(jiǎn)單的介紹,進(jìn)而對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-2的作用、基本模擬過程等做了基本闡述,然后對(duì)介質(zhì)訪問控制〔MAC層的功能、結(jié)構(gòu)以及目前主要的MAC層協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。隨后,本文對(duì)IEEE802.11p協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的分析,主要是從工作機(jī)制與協(xié)議性能兩個(gè)方面,通過網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-2建立仿真場(chǎng)景,對(duì)802.11協(xié)議與802.11p協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比分析,仿真結(jié)果表明802.11p協(xié)議能夠更好地滿足車載網(wǎng)中各種不同類別應(yīng)用的不同需求。最后,本文簡(jiǎn)單對(duì)目前MAC層設(shè)計(jì)過程需要注意的方面進(jìn)行了總結(jié),然后介紹了目前的學(xué)習(xí)方向和后期有待進(jìn)一步研究的地方。通過本文的研究工作,可以清楚的了解到車載網(wǎng)MAC層協(xié)議與傳統(tǒng)自組織網(wǎng)MAC層協(xié)議的不同之處,同時(shí)對(duì)802.11協(xié)議、802.11p協(xié)議和1609.4協(xié)議的工作機(jī)制和NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真有了深刻的了解,并對(duì)車載網(wǎng)MAC層協(xié)議的研究方向進(jìn)行了展望。但是仍存在一些不足之處：仿真場(chǎng)景可以進(jìn)一步優(yōu)化,以能夠真實(shí)模擬街道場(chǎng)景；可以通過創(chuàng)建馬爾科夫鏈來對(duì)802.11p協(xié)議的性能進(jìn)行分析,使得分析結(jié)果更全面、更準(zhǔn)確。在后期碩士研究生的工作中,將會(huì)不斷改進(jìn)研究方法,以期得到更豐富的研究成果。參考文獻(xiàn)YangX,LiuL,VaidyaNH,etal.Avehicle-to-vehiclecommunicationprotocolforcooperativecollisionwarning[C].TheFirstAnnualInternationalConferenceonMobileandUbiquitousSystems:NetworkingandServices,2004:114-123.BiswasS,TatchikouR,DionF.Vehicle-to-vehiclewirelesscommunicationprotocolsforenhancinghighwaytrafficsafety[J].CommunicationsMagazine,IEEE,2006,44<1>:74-82.TsugawaS,KatoS,TokudaK,etal.Acooperativedrivingsystemwithautomatedvehiclesandinter-vehiclecommunicationsinDemo2000[C].ProceedingsofIntelligentTransportationSystems,2001:918-923.[EB／OL].HullB,BychkovskyV,ZhangY,etal.CarTel:adistributedmobilesensorcomputingsystem[C].Proceedingsofthe4thinternationalconferenceonEmbeddednetworkedsensorsystems.ACM,2006:125-138./dome/dieselnet-buses[EB／OL].http://cvet.cs.ucla.edu[EB／OL].LeeU,ZhouB,GerlaM,etal.Mobeyes:smartmobsforurbanmonitoringwithavehicularsensornetwork[J].WirelessCommunications,IEEE,2006,13<5>:52-57.lab.nec.de/Projectslfleetnet.htm[EB／OL].work-on-wheels.de[EB／OL].[EB／OL].http://www.jari.orjp/english[EB／OL].LiM,WuMY,LiY,etal.ShanghaiGrid:aninformationservicegrid[J].ConcurrencyandComputation:PracticeandExperience,2006,18<1>:111-135.LiF,WangY.Routinginvehicularadhocnetworks:Asurvey[J].VehicularTechnologyMagazine,IEEE,2007,2<2>:12-22.AlsabaanM,AlasmaryW,AlbasirA,etal.Vehicularnetworksforagreenerenvironment:asurvey[J].CommunicationsSurveys&Tutorials,IEEE,2013,15<3>:1372-1388.ToorY,MuhlethalerP,LaouitiA.Vehicleadhocnetworks:Applicationsandrelatedtechnicalissues[J].CommunicationsSurveys&Tutorials,IEEE,2008,10<3>:74-88.PanichpapiboonS,Pattara-AtikomW.Areviewofinformationdisseminationprotocolsforvehicularadhocnetworks[J].CommunicationsSurveys&Tutorials,IEEE,2012,14<3>:784-798.BooysenMJ,ZeadallyS,vanRooyenGJ.Surveyofmediaaccesscontrolprotocolsforvehicularadhocnetworks[J].IETcommunications,2011,5<11>:1619-1631.WirelessLANMediumAccessControl<MAC>andPhysicalLayer<PHY>SpecificationsAmendment7:WirelessAccessinVehicularEnvironments,IEEEUnapprovedDraftStd.P802.11p/D8.0,July2009.GozálvezJ,SepulcreM,BauzaR.IEEE802.11pvehicletoinfrastructurecommunicationsinurbanenvironments[J].CommunicationsMagazine,IEEE,2012,50<5>:176-183.致謝在論文即將寫完之際,我要向所有對(duì)我提供過幫助的人表示真心的感謝。首先,我要向我的指導(dǎo)老師鄭軍和那振宇老師表示感謝。鄭軍老師十分重視我的畢設(shè)進(jìn)展,態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn),經(jīng)常主動(dòng)與我交流并進(jìn)行細(xì)心的指導(dǎo)。那老師也非常關(guān)心我的畢設(shè)進(jìn)展情況,經(jīng)常為我提供幫助,并不斷鼓勵(lì)我,使我在畢設(shè)期間沒有任何心理負(fù)擔(dān)。其次,我要感謝實(shí)驗(yàn)室吳瓊師兄和吳旭師兄。他們總是主動(dòng)地來關(guān)心我的畢設(shè)情況,在我學(xué)習(xí)過程遇到問題的時(shí)候,都積極給予幫助,并且對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)提出了很多好的建議。再次,我要感謝XX海事大學(xué)所有教過我的老師們。是你們的諄諄教導(dǎo)為我的繼續(xù)深造奠定了基礎(chǔ),在這里我要向你們表達(dá)我深深的敬意！最后,感謝參加答辯的各位老師！.附錄1NS-2仿真的腳本程序代碼如下：#===================================#Simulationparameterssetup#===================================setval<chan>Channel/WirelessChannel;#channeltypesetval<prop>Propagation/TwoRayGround;#radio-propagationmodelsetval<netif>Phy/WirelessPhy;#networkinterfacetypesetval<mac>Mac/802_11p;#MACtypesetval<ifq>Queue/DTail/PriQ;#interfacequeuetypesetval<ll>LL;#linklayertypesetval<ant>Antenna/OmniAntenna;#antennamodelsetval<ifqlen>4;#maxpacketinifqsetval<nn>5;#numberofmobi