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VANET仿真设计与实现.rar

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    VANET 仿真 设计 实现
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    二 ○ 一 五 届 毕 业 设 计VANET 仿真设计与实现学 院:电子与控制工程学院专 业:自动化姓 名:武高峰学 号:201132010434指导教师:李 刚完成时间:2015 年 6 月 12 日二〇一五年六月I摘 要为了解决沙漠、戈壁等荒漠场景的车辆间及其与外界的通信,提出了一种车辆自组网的体系结构并重点分析其分簇和路由算法。该算法根据网络中车辆所装备的通信终端类型和车辆定时发出的位置、速度和行驶方向等信息对车辆进行分簇。在簇内通信和簇间通信时,簇头车辆为簇成员车辆选择最合适的路由;在与外界通信时,簇头车辆为簇成员车辆选择最近的装备卫星或地面移动通信终端的车辆进行转发。车载自组网是近年来无线网络以及智能交通领域的研究热点之一。在真实环境中测试和评估车载自组网的协议和应用有很大难度,因此利用车载自组网仿真工具进行研究就成为了一种很有效的技术手段。从车载自组网仿真的研究意义和研究内容出发,介绍车载自组网仿真的发展历程和研究现状本,对现有的车载自组网仿真器进行分类,介绍和比较典型的车载自组网仿真器,最后探讨目前车载自组网仿真中存在的问题及未来的发展前景。仿真结果表明,该算法与传统的分簇路由算法相比具有更高的簇结构稳定性、更高的数据传输成功率以及更低的路由开销。关键词:车辆自组织网络,分簇,路由, NS2IIAbstractTo solve the communication problem among vehicles in wilderness scenarios such as desert and Gobi or be-tween the vehicles and the outside, a special architecture of VANET was proposed and its clustering and routing algo-rithm was analyzed. Based on different types of communication terminals each vehicle equips and the location, speed and driving direction information of the periodic message, the vehicles are organized into different clusters. The head of each cluster chooses the best route for its members when they ask for inner-clustering communications or inter-clustering communications. It also searches the nearest vehicle which equips satellite communication terminals or land mobile communications terminals to forward messages when a member requests communicating with the outside of the network.Vehicle ad hoc networks have the most remarkable aspects in the field of intelligent traffic in recent years. The field tests and evaluations of ad hoc networks protocols in real environment are much difficult, so using of vehicle ad hoc networks simulation tools has become a very effective technology. The meanings and contents of the vehicular networks simulation research were addressed. The development process and the status quo of vehicular ad hoc networks simulation were introduced, and then the classification and comparison of the typical vehicle ad hoc networks simulators were proposed. At last, the problems and the development trend of the vehicular ad hoc networks simulation were discussed.Simulation results show that the proposed algorithm has higher network stability, higher data delivery ratio and less routing overhead.KEY WORDS: VANET ,clustering ,routing ,NS2 III目 录摘 要 ......................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................II第一章 引言 ........................................................................................................11.1 研究背景和意义 .....................................................................................11.2 国内外研究现状 .....................................................................................21.2.1 国外发展状况 ...............................................................................21.2.2 国内研究现状 ...............................................................................41.3 论文结构 .................................................................................................5第二章 VANET 及其网络仿真软件 NS2 ...........................................................62.1 车辆自组织网络(VANET) ................................................................62.1.1 车辆自组织网络概述 ..................................................................62.1.2 车辆自组织网络的特点 ..............................................................62.2 网络仿真软件 NS2.................................................................................82.2.1 仿真软件 NS2 概述 .....................................................................82.2.2 仿真软件 NS2 主要功能 .............................................................82.3 NS2 网络仿真过程 ..................................................................................92.3.1 NS2 仿真的层次 ...........................................................................92.3.2 NS2 仿真步骤 ...............................................................................92.4 TCP/IP 参考模型 .....................................................................................92.5 本章小结 ...............................................................................................11第三章 系统方案设计 ........................................................................................123.1 系统模型和网络的逻辑结构 ................................................................123.2 分簇及其管理 ........................................................................................123.2.1 簇的分类 ....................................................................................123.2.2 簇头选举和维护 ........................................................................133.3 基于分簇的网络路由协议 ....................................................................143.3.1 簇内路由 ....................................................................................143.3.2 簇间路由 ....................................................................................153.3.3 簇成员与外界通信 ....................................................................183.3.4 路由维护 ....................................................................................183.4 本章小结 ...............................................................................................18第四章 仿真实验与结果分析 ............................................................................194.1 TCP 与 UDP 模拟实验 .........................................................................19IV4.2 动态路由选择实验 ...............................................................................234.3 TCP 拥塞控制 .......................................................................................304.4 队列管理机制模拟实验 .......................................................................344.4 本章小结 ...............................................................................................38第五章 总结与展望 ............................................................................................395.1 本文工作成果 ........................................................................................395.2 今后的工作 ...........................................................................................395.2.1 实现通过图形界面创建仿真网络拓扑 .....................................395.2.2 实现仿真网络运行状况动态监测 .............................................39参考文献 ..............................................................................................................40致谢 ......................................................................................................................421毕业设计第一章 引言1.1 研究背景和意义近年来,随着智能交通的高速发展,车载自组织网络作为智能交通系统的关键备受关注。车载自组织网络 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 具有高速移动,节点数量大和跟随路径移动以及通信的质量受复杂环境影响等特点,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。车辆间的通信需要及时有效,因此如何选择最佳最短路径就是需要解决的重中之重的技术问题。车载自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。移动自组织网络如果以车辆为网络节点,则可以构成一种新型的网络:车辆自组织网络。VANET 是智能交通系统中的重要组成部分,是道路上车辆间,车辆与固定接入点相互通信组成的开放式移动 Ad Hoc 网络,它在道路上构建了一个自组织,部署方便,费用低廉,结构开放的车辆间通信网络。VANET网络由车载计算机设备,无线通信设备和全球定位系统(GPS)构成,每个节点可以通过 GPS 随时确定自己的方位,通过无线收发装置来接收其它节点的信息并进行响应的计算,然后向邻近区域的其它车辆发送自己的信息。人们可以通过通信系统来了解路段情况,根据是否发生事故或堵车及时调整路线,同时交通控制中心可以根据所收集的车流量和路况信息及时调整红绿灯时间,使整个交通系统达到最高效率。随着人们对个人通信要求的提高,人们越来越希望有一种更安全、高效率的方式移动到目的地,车载自组网将会是未来的重点发展方向,其中 MAC 层和路由层的设计将会是车载自组网所面临的最大挑战。MAC 需要解决的问题有无线信道划分、分配和能力控制、向网络层提供统一的服务、屏蔽物理层不同的信道控制方式,实现拥塞控制、优先级排对、分组发送、确认、差错控制和流量控制等;路由层的侧重点在于如何建立完全分布式的、适合高速拓扑变化车载网络的路由协议。而车载自组网在交通运输中的出现,将会扩展司机的视野,从而提高道路交通的安全与高效。典型的应用包括:1)行驶安全预警利用车辆间相互交换状态信息,通过车载自组网提前报告给司机,建议司机根据情况作出及时、适当的驾驶行为,这便有效地提高了司机的注意力,提2毕业设计高驾驶的安全性。2)协助驾驶帮助驾驶员快速、安全通过盲区,例如在高速出入口或交通十字路口处的车辆协调通行。3)分布式交通信息发布改变传统的基于中心式网络结构的交通信息发布形式,车辆从车载网中获取实时交通信息,提高交通路况信息的实时性,例如,综合出与自身相关的车流量状况,更新电子地图以便更高效地决定路径。4)基于通信的纵向车辆控制通过车载自组网,车辆能根据尾随车辆和更多前边视线范围外的车辆相互协调行驶,这样能够自动形成一个更为和谐的车辆行驶队列,避免更多的交通事故。综上可知,车载自组网将会在未来发展成为我们生活中的一部分。1.2 国内外研究现状20 世纪 90 年代末问世的无线传感器网络正在以人们难以预测的速度迅猛发展,国际上一些重要机构预测其为改变世界的新事物。与无线传感器网络有关的各种新技术及无线传感器网络在军、民各个领域的应用研究工作已经在发达国家轰轰烈烈地展开,大有引发一场新技术革命的势头。无线传感器网络是从民用领域发展起来的,它由数量巨大的传感器节点组成,这些节点密集部署在所要观测或监视的对象的内部或者非常靠近这种对象的地方。由于传感器网络具有许多其它网络所没有的特征,其应用范围已经深入到了人类社会的每一个角落,从收集家庭、建筑物、船舶、交通运输系统、工业自动化系统内部及其周围环境的信息并实施监控的民用商用应用领域,一直到数字化战场全谱战斗空间的监视、检测与跟踪等军事作战领域。 1.2.1 国外发展状况美国:从本世纪开始,美国将智能交通的战略向车辆安全及车路协调技术方面转移,开始对综合运输协调技术、车辆安全技术、车车/车路通信技术、车辆感知技术等进行研究。主要开展的项目有:智能车辆计划(IVI)、车辆-基础设施集成项目(VII )、商用车辆安全计划、 CICAS、IVBSS 等。上述项目中具有代表性的有以下几个:1)车辆-基础设施集成计划VII(Vehicle Infrastructure Integration):该计划致力于利用无线通信技术使行驶中的车辆更紧地与周围的环境相联系,从而3毕业设计提高交通系统的安全性 [3]。2)IntelliDrive 项目:针对推广 VII 系统时遇到基础设施运营商和汽车厂商对采用单一标国家自然科学基金申请书 2013 版准的路侧系统建设和运营兴趣不大的问题,美国交通运输部推进IntelliDrive 项目的研发。 IntelliDrive 项目中,考虑采用移动通信技术、 WIMAX、卫星通信等方式,建立开放式通信平台,为车辆提供无缝的通信服务 [4-5]。3)Wingcast 系统:该系统由福特( Ford)公司与高通(Qualcomm)公司合作推出,它将搭载了该系统的车辆连接在一起组成一个汽车门户 [6]。4)CarTel系统:该系统由麻省理工学院( MIT)开发。该系统的信息来源为手机或者车辆的传感器,车载单元将采集到的数据处理后发送到服务器中。服务器进一步处理后向用户提供数据库查询、位置服务、交通预测、路况监控等服务 [7]。欧洲:欧洲ITS 组织ERTICO 于2003 年9 月提出 eSafety 的概念,将重点转移到研究安全题,并且更加重视体系框架和标准、交通通信标准化、综合运输协同等技术的研究。主要是利用先进的信息与通信技术,加快安全系统的研发与集成应用,为道路交通提供全面的安全解决方案 [8]。通过车车以及车路通信技术获取道路环境信息,从而更有效的评估潜在危险并优化车载安全系统的功能。这些项目为车联网的进一步研究奠定了基础。典型的项目包括:1)车路协同系统(CVIS,CooperativeVehicle Infrastructure Systems):欧洲的CVIS 是一个协作交通信息系统,采用多种协作模式 [9]。2)FleetNet 项目:该项目由日本电气股份有限公司欧洲分公司、戴姆勒-克莱斯勒公司、西门子公司和德国曼海姆大学合作开发 [10]。该项目能够实现近距离多跳信息传播以及提供位置信息服务,主要利用无线多跳自组织网络技术实现无线车载通信。3)CarTalk 项目:该项目主要研究了车辆自组织网络,利用前车作为检测器。当前车感知到危险时,通过车车通信技术将危险信息发送至后车,使后车有足够的反应时间来进行避险动作。该项目作为辅助驾驶技术在高速公路上进行了试验 [11]。日本:从上世纪 90 年代末期开始重点研究如何提高道路交通安全性并保4毕业设计持交通的顺畅性,因此将智能化车辆安全技术、车路协调技术和辅助安全驾驶技术的研发列入研究重点。日本国土运输局提出了先进安全车辆计划(Advance Safety Vehicle,ASV),并主导各大汽车厂商进行研究。此外,日本的汽车公司在车联网方面也展开了研究,开发的相关系统有:Inter-Navi 系统、Monet 系统 [12-13]。2010 年6 月“车联网”论坛集中探讨了“车联网”技术发展及其如何彻底消除交通事故和城市拥堵等问题。2010 年 10 月,在无锡举行的 2010 中国国际物联网博览会暨中国国际物联网大会,决定将车联网项目列为我国重大专项中第三专项的重要项目。但是,由于中国在车联网方面的研究刚刚起步,在各个环节尚待完善。实际应用还主要集中在电子不停车收费系统(Electroinc Toll Collection,ETC)等方面。部分高校和研究机构进行了相关智能化车路协同控制技术的研究,如:国家科技攻关专题“智能公路技术跟踪”,国家 863 课题“智能道路系统信息结构及环境感知与重构技术研究”、“基于车路协调的道路智能标识与感知技术研究”等,同时设立“智能车路协同关键技术研究”主题项目 [14-16]。通过对现状的研究发现,车联网技术是国际智能交通领域研究的新热点。目前,国外虽然已经定义了用于车联网的通信标准和一系列应用场景,但相关的核心技术仍处于实验室研究和试验阶段。1.2.2 国内研究现状我国尚未定义车载自组织网络VANET相关标准,但也开始进行相关技术的研究。其中: 1)车联网交通信息采集技术目前国内外在交通信息采集技术方面已有了较多的研究成果,但大多还是孤立地分为固定型检测器、车载移动型检测器以及空基型检测器。而在车联网环境下,通过车车/车路通信技术,可将车载系统感知到的信息和路侧系统感知到的信息进行融合,以获得更准确的交通信息,将人-车-路三者真正地融合起来。但是现在国内外对车路通信技术中重要的部分——路侧单元的布设和优化方面研究较少 [17-20]。2)车联网交通信息处理技术车联网环境下采集到的交通信息繁杂多样,如何利用这些不同类别的信息,需要不同的处理方法。交通信息融合处理技术将来自多个传感器的数据进行综合。车辆的位置信息作为车联网信息的最基础一环,通过车辆与基础设施通信,5毕业设计基于数据融合的车辆定位技术能够改善现有的车辆定位技术在复杂的城市环境中表现不佳的情况。路径优化是车联网的一个重要应用。实现路径优化的关键不仅要有实时的交通信息数据,更重要的是利用这些实时信息通过各种预测模型和方法获得实时、可靠、准确的预测信息。目前常用的做法是使用历史平均出行时间或当前的行程时间作为对短期行程时间预测的依据,信息来源主要为固定型检测器和移动型检测器。而在车联网环境下,可通过车辆与基础设施通信直接收集行程时间和其它实时的交通数据。车辆和路边基础设施可以通过无线通信交互不断的采集行程时间、流量以及其他连入车联网的车辆密度样本。这种交通信息质和量的大幅提升,将会显著改善行程时间预测系统的性能 [21-25]。1.3 论文结构全文内容安排如下:第二章主要介绍本文中所涉及的车联网的基本概念和一些相关技术,如简要分析车联网的体系结构、基本特点、典型应用,以及网络仿真软件 NS2。第三章主要针对在沙漠、戈壁等荒漠场景的车辆间及其与外界的通信,根据网络中车辆所装备的通信终端类型和车辆定时发出的位置、速度和行驶方向等信息对车辆进行分簇,提出了一种车辆自组织网络的体系结构并重点分析了其分簇路由算法。第四章通过使用 NS2 网络仿真软件对真实网络进行模拟。使用 NS2 自带的仿真结果统计工具(awk , xgraph 和 gnuplot)对仿真数据进行统计、分析等。呈现的效果评比指标包括了端点到端点的延迟、抖动率、吞吐量、和封包遗失率、队列长度等。第五章总结与展望,本文主要根据 TCP 拥塞控制、RED 队列管理机制、一种基于荒漠环境下车联网及其分簇路由算法等实现车联网及其与外界的通信具有更高的数据传输成功率、更高的网络结构稳定性以及更低的路由开销。
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