基于NCTUns的IEEE 802.11p MAC协议性能仿真

摘 要：IEEE 802.11p对于车载自组网（VANET）的应用与部署具有重要作用。针对以往研究仿真场景不全面，且极少采用完整的WAVE通信方式等不足，在深入阐述IEEE 802.11p协议层次和NCTUns架构及仿真流程的基础上，利用NCTUns平台在不同应用场景下构建出逼真道路环境，使用完整的WAVE模式分别研究了节点密度、传输功率、传输距离以及车速对于网络性能的影响。仿真结果表明：节点密度、传输功率与传输距离对于分组接收概率和吞吐量有显著影响，而车速对节点吞吐量没有影响。基于仿真结果最后提出了一种通过动态联动调整分组接收概率以及竞争窗口大小来提高车载自组网MAC层性能的方法。

关键词：车载自组网；IEEE 802.11p；性能仿真；分组接收概率；竞争窗口

0 引言

车载自组网（Vehicular Adhoc NETwork，VANET）是一种能实现车车通信（Vehicle to Vehicle， V2V）以及车路通信（Vehicle to Infrastructure，V2I）的移动自组网，该网络中的车辆配备专用短程通信（Dedicated ShortRange Communication， DSRC）设备，可以与其他车辆以及路旁节点交换车辆碰撞警告、实时路况、车辆速度、车辆位置以及车内娱乐信息等[1]。同时车载自组网具有节点分布密度大、节点移动速度快、丢包率较高、端对端延迟较大、时变信道具有极强的衰落效应等特征。

2004年，IEEE 802.11工作组开始提出一种基于IEEE 802.11能够支持VANET的协议草案，随后几年该工作组又负责重新定义DSRC的物理层和媒体接入层[2]并于2010年将该协议作为IEEE 802.11p正式颁布。与此同时，IEEE 1609工作组扩充了针对IEEE 802.11p高层的1609协议簇。该协议簇与IEEE 802.11p一起称作车载环境无线接入标准[3-4]。

IEEE 802.11p为了满足不同业务对服务质量（Quality of Service，QoS）的要求而引入的类似IEEE 802.11e的增强型分布式协调访问机制（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）在某些通信条件下也暴露出在MAC层上固有的缺陷和限制。因此，从IEEE 802.11p起草至今，国内外学者与研究机构对如何提高IEEE 802.11p通信质量进行了大量研究。如文献[5-6]对IEEE 802.11p进行过性能仿真，研究在不同条件下VANET的网络通信能力；而文献[3]使用了具备IEEE 802.11p协议模块的NS2（Network Simulation2）对高速公路单向车辆场景进行了仿真研究。

尽管以上文献对IEEE 802.11p协议进行了仿真研究，但都具有一定局限性。例如：文献[5]中节点之间并非通过真正的WAVE（Wireless Access in Vehicular Environments）模式进行通信；而文献[3]只针对高速公路单向车流进行建模，车辆缺少方向选择性。针对以往文献局限，本文通过使用nctuns6.0软件建立类似于城市环境的网状道路模型对ieee 802.11p性能进行仿真，研究传输功率、传输距离、车辆密度以及车速对节点接收概率的影响，并针对仿真结果分析该协议mac层未来的改进方向。NCTUns具备IEEE 802.11p协议模块，使节点之间能真正通过WAVE模式进行通信；并且在仿真场景中可以使用道路以及红绿灯等交通设施来控制行车方向等，因此特别适合用作智能运输系统（Intelligent Transport System，ITS）与VANET性能研究的仿真工具。

1 WAVE与IEEE 802.11p架构

IEEE 802.11p由IEEE 802.11标准扩充得到，该通信协定主要用于车载电子设备的无线通信。其设计初衷是用来满足ITS的相关通信要求，主要包括高速率的车辆之间以及车辆与5.9GHz（5.850～5.925GHz）波段的标准ITS路边基础设施之间的资料数据交换。

2 NCTUns架构与仿真流程

NCTUns软件是台湾交通大学开发的网络模拟仿真软件，因其具有高保真与高扩展性等特点，2007年该软件被于荷兰举行的MASCOTS04所推荐。该软件能够模拟仿真多种网络协议，其5.0及以上版本具备IEEE 802.11p协议模块。与NS2和某些其他软件相比，NCTUns可以使用真正的TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议栈，确保尽可能真实地仿真模拟数据，且其具备的图形化操作界面更简单，更易操作。目前可以免费使用的最高版本为6.0，支持fedora操作系统。

2.1 NCTUns软件架构

NCTUns可以分为多机模式与单机模式，其中多机模式采用分布式和开放的系统结构。两者从功能上都可以划分为8个部分[10]：

1）图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）：该部分包括拓扑编辑、节点编辑以及动画演示等功能。使用者可以利用该GUI快速完成仿真拓扑构建与基本参数设置。

2）模拟引擎：该模拟引擎主要负责虚拟时间维护管理、事件调度等任务。

3）协议模块：一个协议模块对应于一个协议栈的一层协议，开发者可以很方便地对协议模块进行修改添加以满足自己的仿真要求。

4）模拟任务调度器：主要用于支持并发模拟。

5）模拟任务协调器：主要负责告知调度器该服务器是否空闲，在接受任务后创建模拟服务器运行相关网络协议。

6）修改后的内核：软件需要对Linux内核作一定修改。

7）协议守护进程：负责为NCTUns创建路由表等工作。

8）真实应用程序：NCTUns支持真实的应用软件运行在模拟网络中，并产生网络数据传输等事件。

在单机模式中，以上所有部分都安装并运行在一台计算机内，在该模式中无法进行并发模拟。由于大多数使用者只需要在单机上进行仿真，因此单机模式是安装后的默认模式。

2.2 NCTUns仿真流程

目前NCTUns仅支持fedora系统，以fedora12最为稳定。安装好软件后，需要以新内核重新启动系统，并依次运行模拟任务调度器（dispatcher）、模拟任务协调器（coordinator）与客户端程序（nctunsclient），此时软件的GUI界面将会打开，“D”模式下使用者可以根据需求拖动工具条上的节点图形开始编辑网络拓扑结构，如图2添加好了一条公路与两个装备IEEE 802.11p协议的车辆节点。

图3中：“CarAgent”为车辆节点运行程序，功能包括道路识别，记录车辆行车方向、速度、位置以及行车信息的广播等；“stcp”表示该节点以TCP方式发送数据，“20003”为端口号，“1.0.2.2”为接收端IP地址。在编辑好网络拓扑和节点参数后，点击图2所示工具条里的“R”，即开始运行仿真。NCTUns在运行仿真时即可将吞吐量、丢包数等关键指标存放在*.results文件夹下相应的文件中，使用者可以直接利用软件绘图工具调用这些数据绘制曲线，操作比NS2更加简便。

3 性能仿真与分析

在以往关于IEEE 802.11p的资料中没有针对类似城市环境的道路模型进行仿真测试，因此本章通过NCTUns软件建立网状道路模型（包括红绿灯等交通设施）来研究传输距离、传输功率、节点密度以及节点速度对单跳范围内VANET节点分组接收概率的影响。主要仿真参数如表3所示。

4 结语

本文利用NCTUns软件构建出较为逼真的道路环境，并在不同应用场景下，研究了节点密度对网络性能、传输功率对节点分组接收概率和车速对节点吞吐量的影响。仿真结果表明：节点吞吐量与分组接收概率将随着节点密度与传输距离的增加而降低，且降低程度受AC类型影响；增加传输功率有助于远距离节点通信，但会降低近距离节点的接收概率，而降低传输功率则与之相反；车速对节点吞吐量没有影响。基于以往文献以及本文仿真结果，在文章最后提出了通过动态联动调整分组接收概率以及竞争窗口大小来提高车载自组网MAC层性能。下一步将通过理论研究与仿真分析，利用上述联动调整机制提出一种更加满足实际应用需求的IEEE 802.11p MAC协议，用于车载自组网的应用与部署。

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