车载Ad Hoc网络路由协议及优化算法研究

作     者：崔馨宇 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙晓颖

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：车载Ad Hoc网络 AODV协议 运动模型 蚁群算法 

摘      要：车载Ad Hoc网络作为一种新型的无线网络技术，得到了广泛的研究和应用。在城市交通中，车载Ad Hoc网络是智能交通系统中重要应用之一，可以为车辆间的网络通信提供一个平台，降低交通事故发生率，改善人们的出行效率。 在车载Ad Hoc网络中，节点高速运动会引起网络拓扑结构的快速变化，导致网络性能下降。因此，设计可靠性高、实时性强的路由协议，是目前研究Ad Hoc网络的重要任务。 本文主要工作如下： (1)在分析国内外车载Ad Hoc网络和路由协议理论的基础上，研究了AODV协议的原理和特点。由于蚁群算法适合处理离散问题，针对车载Ad Hoc网络中路由稳定性的问题，结合蚁群算法改进AODV协议，算法中的正反馈机制可以保证蚁群有效地搜索到最优解;(2)在研究蚁群算法的基础上，将车辆运动状态作为约束条件参量，通过修改蚁群算法中的信息素浓度计算公式和蚁群算法的启发信息，构建蚁群算法数学模型，为改进AODV协议算法提供了理论基础;(3)根据车载Ad Hoc网络的特点，在城市场景下分析了六种车辆运动模型，分别讨论了丢包率、端到端平均延迟和归一化路由开销三项性能指标，对AODV协议、DSDV协议和DSR协议进行比较;(4)重新设计了基于AODV协议中的路由请求报文、路由回复报文和路由差错报文，改进为前向蚂蚁消息报文、后向蚂蚁消息报文和带有运动状态信息的差错报文;(5)通过使用NS-2网络仿真平台，使用TCL脚本进行环境的设定，构造不同的仿真环境，对PIACO-AODV协议与传统AODV协议进行比较，并对结果进行分析。通过仿真验证了PIACO-AODV协议对路由稳定性、路由断续次数等方面性能的提升效果，达到优化分组到达率、降低丢包率等网络性能的目的。 本文的创新点如下： (1)将蚁群算法引入AODV协议中，在路由发现和路由选择过程中以蚁群算法中的信息素作为优化参数，完善协议在路径搜索中的优化能力，提高算法的收敛速度，提高了协议的性能;(2)提出了PIACO-AODV协议，制定了协议操作流程，找到一条稳定的优化路由。PIACO-AODV协议结合了车载Ad Hoc网络的特点，针对AODV协议的不足进行改进，改进的主要方面有：以采集的位置信息来预测节点未来可能的运动位置，从而推断可能连接稳定性时间更长的中继节点;以蚁群算法改进节点选择机制，在多条路径中选取稳定性较高的作为优先路径;修改错误报文响应机制，使得节点能及时对网络拓扑结构变化作出响应。 由于城市交通环境中，车载节点的运行轨迹相对固定，相对分布密集，可以为运动车辆的预测提供更为稳定的结果。最后的仿真结果表明，PIACO-AODV协议在设定的环境中比AODV协议具有更为出色的性能，在维护网络稳定性方面更具优势，适合网络拓扑结构变化较快、速度较高的车载通信系统，可以广泛应用于城市交通场景中。