车载网络模拟技术研究

方案，然后根据结合的方式及适合的VANETs应用将车载网模拟器分为两类，并对目前主要的车载网模拟器进行介绍，分析其特点，最后指出目前VANETs模拟器存在的局限性以及未来发展的方向。

关键词关键词：车载网；交通模拟器；网络模拟器；模拟

DOIDOI：10.11907/rjdk.1511132

中图分类号：TP393

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2015）011015502

基金项目基金项目：湖北工业大学博士科研启动金项目（20150249）

作者简介作者简介：潘媛媛（1979-），女，湖北武汉人，博士，湖北工业大学计算机学院讲师，研究方向为无线网络、车载网、网络安全与隐私。

0引言

近年来，车载网（Vehicular Ad Hoc Networks，VANETs）作为一种新的研究领域越来越受到人们关注。VANETs是建立在移动车辆之上的一种分布式、自组织的通信网络。与以往移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Networks，MANETs）不同的是，它具有高移动性和有限自由度的特点，即只能沿着街道运行。作为MANETs的一个特例，VANETs不仅为车辆提供了相互通信的能力，在保障交通安全、事故预警以及为用户提供舒适的驾驶环境等方面也起到了重要作用。

在对VANETs的研究过程中，现实中实现VANETs通常需要大量车辆和人员，例如司机和电脑操作员，因此往往需付出较高代价或不能实现。在这种情况下，模拟成为最佳可供选择的测试、评估手段之一。模拟VANETs需要用移动模型来反映车辆运行，而且移动模型的准确性对模拟结果有重要影响。因此对VANETs进行模拟涉及两部分，一是用于模拟车辆移动的交通模拟器，如SUMO、MOVE等；二是用于模拟信息传输、转发等的网络模拟器，如NS2[5]、JiST/SWANS[6]等。遗憾的是，目前并没有形成VANETs模拟器的统一标准，大部分研究人员采用传统模拟方式，即先用交通模拟器模拟道路场景产生trace文件，然后将trace文件作为网络模拟器输入，最终实现对VANETs的模拟。该方式的最大缺点在于将交通模拟器和网络模拟器分隔开来独立运行，两部分间不能交互。因此，不能满足VANETs中节点移动性高、拓扑结构易变的特点要求。为了解决这个问题，近年来有研究者提出将网络和交通模拟器进行整合，以形成适合车载网的模拟器。

1国内外研究现状

如前所述，对车载网的模拟主要由交通模拟器和网络模拟器两部分组成，按照这两部分结合的紧密程度将车载网模拟器分为两类：松耦合和紧耦合模拟器[7]。松耦合模拟器采用交通模拟器和网络模拟器分离的方式，由交通模拟器产生车辆的移动记录存放在trace文件中，网络模拟器则根据输入的trace文件进行模拟，但是两者不进行交互，结构如图1所示。这与上文提到的传统方式不同，传统方式下是由研究人员手动地将trace文件输入到网络模拟器中，而在松耦合的车载网模拟器中，trace文件的产生和输入都由系统自动完成。此类模拟器的优点是无需花费大量时间和精力去开发新的交通模拟器和网络模拟器；缺点则是不同模拟器可能需要运行在不同的操作系统平台上，为了对两个模拟器进行同步，又可能导致系统性能降低，因此两部分间很难提供快速反馈。基于以上特点，该方式仅适合对两个模拟器交互性要求不高的应用，例如多媒体应用、点对点通信等，这些应用中车辆不会因收到网络模拟器发回的信息而改变运动。与松耦合不同的是，紧耦合模拟器中不使用trace文件，而是将交通模拟器和网络模拟器嵌入到单个模拟器中，使移动模型和交通模型能通过TCP等方式通信，这样移动模型能从网络模型的反馈中及时调整车辆移动，反之亦然，结构如图2所示。例如在避免交通拥堵的系统中，通过网络收到的堵塞信息可能导致车辆改变路径。此类模拟器使交通和网络模拟两部分紧密结合在一起，形成快速有效的反馈，但是开发工作量相对松耦合模拟器大。

2VANETs模拟器

为了对VANETs的新协议、应用进行准确评价，要求模拟器不仅要模拟车辆间的无线通信，还要模拟车辆运行。如前所述，这两方面都已有了高性能的工具，如SUMO、NS2，但如何将两者紧密结合起来成为VANETs研究者亟待解决的问题。鉴于此，研究者致力于在一个模拟器中采用松耦合或紧耦合方式实现网络和车辆运行的功能，使两者可以交互以实现对VANETs环境的模拟。其中几个典型代表如下：

2.1TraNS

TraNS是一个利用现有交通和网络模拟器的最好例子[8]。它将交通模拟器SUMO和网络模拟器NS2结合在一起，使网络模拟器能采用移动模型而交通模拟器能根据网络模拟器反馈的车辆间信息来改变车辆运行，从而实现双方的交互。首先由SUMO负责输出道路网地图以及dump文件，其中dump文件包含了所有与车辆移动相关的信息，再经parser将dump文件解释成符合NS2输入格式的文件，最后输入即可。在此期间NS2不提供反馈给SUMO，即预先产生的车辆运行轨迹不变，由此可见这一模式采用的是松耦合方式。

2.2GrooveNet

GrooveNet是一种模块化的结合了网络和交通模拟功能的紧耦合模拟器[9]。它能通过TIGER/Line数据库装载真实街道地图，还可对车辆、固定设施和移动网关3种类型的节点进行模拟。模块化的结构使得GrooveNet易于扩展，用户可以根据应用、路由协议、安全等方面需要创建模块，通过在模块管理器中注册即可，且添加和删除模块时都不会影响别的模块运行。其最大特点是能在模拟车辆和真实车辆间进行通信，故又称为混合式模拟器。

2.3NCTUns

NCTUns是一种基于C++的网络模拟仿真器，能够对无线和有线网中的各种协议进行模拟[10]。最初NCTUns只是作为网络模拟器进行开发，随着其不断改进，开发者在网络模拟器的基础上增加了交通模拟功能，从而实现了交通和网络模拟的结合。从结构上看，NCTUns由用户图形界面（Graphical User Interface，GUI）、模拟引擎（Simulation Engine，SE）、车辆Agent（Car Agent，CA）以及信号Agent（Signal Agent，SA）4部分组成。其中GUI负责在模拟开始前进行参数设置并产生相应的配置文件，其具有构建道路网，设置车辆类型、调度及移动，以及选择网络协议的功能；SE则在模拟时读取由GUI产生的各种配置文件并进行相应处理，如根据信号信息文件创建信号信息数据库；CA和SA则分别对车辆的移动和交通信号进行控制。这4部分的紧密结合使车辆能够根据反馈信息及时作出反应。但是NCTUns没有将网络模拟部分与其它有代表性的网络模拟器进行对比，因而其有效性尚未得到验证。

3结语

通过以上分析可知，对车载网的模拟目前没有统一标准。大部分研究者仍然采用将交通模拟器的输出作为网络模拟器的输入，且两者独立运行的传统方式。近几年出现的耦合方式，将交通和网络模拟器结合起来，允许两者进行交互，这样更能凸显VANETs的特点，但这种方式仍处于发展阶段。通过对几个典型VANETs模拟器的比较发现，只有TraNS和NCTUns支持IEEE 802.11p，以及只有GrooveNet支持模拟车辆和真实车辆的通信，但没有哪个车载网模拟器能满足VANETs的所有需要。因此，对于车载网模拟器还有待进一步研究。未来应将重点放在建立更准确的移动模型和增强交通和网络模拟的交互性上，这样将有助于研究者更好地评价基于VANETs的应用和协议。

参考文献：

[1]陈松乔，任胜兵，王国军.现代软件工程[M].北京：清华大学出版社，2004：1219.

[2]曹颖荣，林小玲.IEEE802.11p无线车载自组网络协议的性能分析与模拟[J].仪表技术，2011（2）：1922.

[3]D KRAJZEWICZ，C ROSSEL.Simulation of urban mobility （SUMO） [EB/OL].http：//sumo.sourceforge.net/index.shtml.

[4]MOVE （mobility model generator for vehicular networks）：rapid generation of realistic simulation for VANET [EB/OL].http：//lens1.csie.ncku.edu.tw/MOVE/index.htm.

[5]王腾飞.基于NS2的车载自组织网络仿真技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[6]Introduction to JiST/SWANS [EB/OL].http：//jist.ece.cornell.edu/index.html.

[7]李春洋.基于网络与交通双向耦合模拟的车载自组网研究[D].长春：吉林大学，2010.

[8]M PIORKOWSKI，M RAYA，A LEZAMA LUGO，et al.TraNSrealistic joint traffic and network simulator for VANETs[J].Mobile Computing and Communications Review，2008，12（1）：3133.

[9]GrooveNet[EB/OL].http：//mlab.seas.upenn.edu/groovenet/.

[10]王雷.NCTUns：一种新的网络模拟技术[J].计算机技术与发展，2008，18（7）：8082，86.

责任编辑（责任编辑：黄健）

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