ANALIZA PERFORMANSI PROTOKOLA RUTIRANJA U VANET MREŽAMA

Žarko Novičić1, Mirjana Stojanović2

1 General-štab VSCG, Uprava za vezu i informatuku, Beograd; 2 Institut Mihajlo Pupin, Beograd;

Sadržaj – U ovom radu su analizirane performanse protokola rutiranja u VANET (Vehicular Ad hoc NETwork), metodom simulacije. Opisane su glavne karakteristike ad hoc mreža, sa težištem na specifičnostima i mogućnostima primene VANET mreža. Ukratko je opisano NS2 simulaciono okruženje, koje se danas široko primenjuje u istraživanjima iz oblasti bežičnih ad hoc mreža. Upoređeni su različiti protokoli rutiranja u dva scenarija simulacije: samostalna VANET i primer integracije VANET sa fiksnom komunikacionom infrastrukturom.

1. UVOD

Bežične ad hoc mreže su mreže dinamičkih autonomnih čvorova koji međusobno komuniciraju formirajući multihop radio mrežu i održavajući povezanost u decentralizovanoj strukturi upravljanja [1]. Komunikacija između čvorova je izložena uticajima interferencije i fedinga. Pored toga, linkovi imaju uži propusni opseg nego u fiksnim mrežama. Topologija mreže je promenljiva. Poruke se prenose između mobilnih čvorova, bez potrebe za pristupnim tačkama i drugim mrežnim elementima strukturiranih bežičnih mreža. Ovim je omogućeno da čvorovi komuniciraju međusobno na mnogo većem rastojanju od dometa jednog čvora.

Mogu se generalno razlikovati sledeće dve osnovne kategorije bežičnih ad hoc mreža:

a. MANET (Mobile Ad hoc Network) – auto-konfigurabilna mreža koja se sastoji od mobilnih čvorova (i pridruženih hostova) povezanih bežičnim linkovima u proizvoljnu topologiju. Takva mreža može da funkcioniše samostalno ili povezana na druge mreže, uključujući i globalni Internet. Jedno od specifičnih rešenja koje pripada ovoj vrsti ad hoc mreža je VANET (Vehicular Ad hoc Network);

b. Senzorske ad hoc mreže – mogu biti realizovane kao mobilne i fiksne bežične ad hoc mreže.

U ovom radu su analizirane performanse VANET mreža, metodom simulacije. Cilj rada je da se ispita jedan specifičan način primene bežičnih ad hoc mreža, u smislu sagledavanja mogućnosti njihove implementacije u vozilima, kao i mogućnosti povezivanja vozila, kao čvornih izvora informacija, sa postojećom telekomunikacionom infrastrukturom.

Rad je organizovan na sledeći način: u drugoj glavi su prikazane osnovne karakteristike i specifičnosti VANET mreža, u trećoj glavi su opisani simulator NS2, simulacioni modeli, eksperimenti i diskutovani su rezultati simulacije. Četvrta glava sadrži zaključna razmatranja.

2. OSNOVNE KARAKTERISTIKE VANET MREŽA

VANET mreže pripadaju grupi MANET bežičnih ad hoc mreža, u kojima vozila predstavljaju čvorove mreže i imaju sposobnost bežične komunikacije sa susednim vozilima i okruženjem [2]. Realizaciju VANET mreža omogućava bežična tehnologija zasnovana na skupu IEEE 802.11x standarda od kojih su najzastupljeniji IEEE 802.11b i IEEE 802.11g .

O aktuelnosti istraživanja u oblasti VANET mreža svedoče brojni međunarodni razvojno-istraživački projekti. Tako je 2004. godine, nemačka vlada pokrenula projekat NoW (Network on Wheels), u saradnji sa vodećim univerzitetima i nekoliko velikih korporacija: Daimler – Chrysler, BMW, Volkswagen i Siemens. Slična je situacija i u SAD, gde je u toku projekat PATH (Partners for Advanced Transit and Highways), iniciran na univerzitetu Berkeley. Primetno je takođe da automobilska industrija ulaže velika sredstva u implementaciju savremenih tehnologija inteligentnih transportnih sistema (ITS) radi povećanja efikasnosti i bezbednosti transporta ljudi i materijalnih dobara. Pored toga, VANET mreže su od naročitog značaja za najviše nivoe državne uprave razvijenih zemalja i u perspektivi se tek očekuje njihova puna afirmacija i korišćenje.

Specifičnosti VANET mreža su: karakteristična raspodela, velika mobilnost i brzina kretanja čvorova. U VANET mrežama su ekstremne i česte promene topologije mreže i velike oscilacije protoka informacija u pojedinim segmentima mreže. Problem povezanosti čvorova koji je uslovljen dometom radio prenosa je karakteristika VANET mreža u skladu sa naglašenom brzinom kretanja čvorova.

Karakteristično je za vozila, koja imaju ulogu bežičnih čvorova u mreži, da nema posebnih ograničenja u izvorima napajanja komunikacionih uređaja. Takođe, moguća je efikasna upotreba antenskih sistema, a frekventne saobraćajnice imaju generalno dovoljan broj mobilnih čvorova čime je omogućena neprekidna povezanost između čvorova primenom višestrukih hopova [3]. Značajno je napomenuti da distribucija vozila na putevima nije ravnomerna i zavisi od hijerarhijske organizacije puteva. Viši hijerarhijski nivoi imaju veći broj saobraćajnih traka, vozila se kreću većom brzinom, više vozila koristi ove puteve. Verovatnoća da će se vozilo naći u onim geografskim područjima gde nema puteva je veoma mala. Kretanje čvorova u VANET mreži je predvidljivo i mora biti u skladu sa odgovarajućim smerom i predviđenom brzinom kretanja, kao i ostalim saobraćajnim propisima vezanim za konkretnu mikrolokaciju [4].

Karakteristično je uočiti da se različito ponašaju čvorovi VANET mreže koja funkcioniše u urbanoj sredini i na auto-putu ili magistralnim saobraćajnicama [5]. Vozila se na auto-putu kreću većom brzinom, na većim međusobnim

Zbornik radova 50. Konferencije za ETRAN, Beograd, 6-8. juna 2006, tom II Proc. 50th ETRAN Conference, Belgrade, June 6-8, 2006, Vol. II

116

rastojanjima, sa manjim brojem zaustavljanja i promena smera kretanja što bitno utiče na rešenje i performanse VANET mreže.

U ad hoc mrežama (uključujući i VANET) se primenjuju specifični protokoli rutiranja. Pojedini protokoli su nastali namenski, kao posledica karakteristika ad hoc mreže, a neki su adaptirani kako bi se mogli prilagoditi istima. U ad hoc mrežama se primenjuju sledeće vrste protokola rutiranja [6]: (1) aktivni protokoli; (2) reaktivni protokoli i (3) hibridni protokoli.

Aktivni protokoli kontinualno utvrđuju raspoložive rute za svaki čvor od kojih će samo neke biti upotrebljene, pri čemu koriste raspoložive resurse mreže. Tipični predstavnik ove grupe je DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) protokol. U mrežama sa DSDV protokolom u svakom čvoru postoji tabela rutiranja sa podacima o rutama do svih odredišta u mreži. Kontrolne poruke sa podacima o rutama razmenjuju se između susednih mobilnih čvorova. Svaka ruta je numerisana sekvencnim brojem, čija vrednost zavisi od trenutka ažuriranja ruta (što je veća vrednost sekvencnog broja rute, ažuriranje rute je skorije realizovano). Ako postoje dve rute sa istim sekvencnim brojem, čvor će u tabeli rutiranja zapamtiti onu rutu koja ima manji broj hop-ova od izvora do odredišta. Ažuriranje tabela rutiranja može biti uzrokovano događajem ili periodično realizovano u skladu sa sistemski definisanim vremenom. Ažuriranje tabela rutiranja izazvano događajem se realizuje prilikom promene topologije i konfiguracije mreže ili otkaza nekog elementa mreže. Paket kome je u određenom trenutku odredište nepoznato se baferuje, dok se odgovarajućim kontrolnim paketima tipa upit/odziv ne utvrdi lokacija odredišnog čvora. Kapacitet baferovanja paketa koje treba rutirati je ograničen, pri čemu se odbacuju paketi koji se ne mogu procesirati zbog preopterećenja bafera.

Reaktivni protokoli su zasnovani na periodičnom utvrđivanju ruta. Procedure utvrđivanja ruta se aktiviraju kada postoji potreba za prenosom informacija između izvornih i odredišnih čvorova. Neki od predstavnika ove grupe su DSR (Dynamic Source Routing) i AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) protokol [7].

U DSR protokolu, ruter proverava informaciju o rutiranju koju je generisao izvorni čvor (source route information) u zaglavlju svakog data paketa. Informacija o rutiranju sadrži podatke o čitavoj ruti (izvoru, tranzitnim čvorovima i odredištu). Ako je informacija o rutiranju korektna, paket se na osnovu nje prosleđuje sledećem čvoru. Ako tranzitni ruter ne pronađe informaciju o rutiranju u zaglavlju paketa, on je sam generiše (ako je ruta poznata) ili baferuje paket i istovremeno generiše upit o ruti susednim čvorovima. Na osnovu odziva susednih čvorova, realizuje se otkrivanje i održavanje rute između izvora i odredišta.

Protokol AODV je kombinacija DSDV i DSR protokola. U AODV se primenjuje princip otkrivanja i održavanja ruta koji je zastupljen u DSR protokolu i delom upotreba kontrolnih poruka i sekvencnih brojeva ruta iz DSDV protokola. Čvor koji treba da odredi rutu do odredišta (izvorni ili tranzitni) generiše kontrolni upit – Route_request. Ostali čvorovi prosleđuju ovu kontrolnu poruku do odredišta, koje formira odziv – Route_reply. Odziv sadrži informaciju o broju hop-ova do odredišta. Svi čvorovi koji učestvuju u prosleđivanju odziva, ažuriraju podatke o ostalim učesnicima na delu rute u čijem su određivanju učestvovali. Čvorovi periodično šalju i kontrolne hello pakete susednim čvorovima radi ažuriranja

svojih tabela rutiranja. Ukoliko se od susednih čvorova ne dobiju odgovarajući kontrolni paketi kao odgovor, inicira se ponovna uspostava ruta. Ovakav način rutiranja omogućava parcijalnu uspostavu ruta pri čemu se ista može inicirati od strane tranzitnih čvorova za razliku od principa rutiranja koji inicira izvorišni čvor (source routing), gde se sagledava čitava ruta pri čemu izvorišni čvor odlučuje o izboru rute.

Hibridni protokoli predstavljaju integraciju prethodne dve vrste protokola. Tipični predstavnik iz grupe hibridnih protokola je ZRP (Zone Routing Protocol).

3. SIMULACIJA I REZULTATI A. Alat za simulaciju

Za potrebe simulacije korišćen je mrežni simulator NS2 (Network Simulator ver. 2) sa pridruženim alatima za vizuelizaciju (NAM – Network Animator [8]) i analizu rezultata simulacije (Trace Graph [9]). Detaljniji prikaz karakteristika i mogućnosti primene simulatora NS2 i pridruženih alata može se pronaći na primer u [10].

Upotreba NS2 simulatora u istraživanjima iz oblasti ad hoc mreža omogućava primenu: određenog broja protokola rutiranja, modelovanja bežičnog mrežnog interfejsa, modelovanja radnih parametara bežičnih čvorova, modula greške u propagaciji, različitih izvora saobraćaja, modula za automatsko generisanje i definisanje scenarija i saobraćaja u mreži, direktnog uticaja na promene izvornog koda itd.

B. Simulacioni modeli Simulacioni modeli definisani su za dva scenarija

simulacije: 1. Samostalna VANET mreža, 2. VANET mreža integrisana sa fiksnom

telekomunikacionom infrastrukturom. U oba scenarija mreža funkcioniše u urbanoj sredini na

prostoru dimenzija 700x700m. U scenariju 1 prikazanom na slici 1, mreža se sastoji od 8

mobilnih čvorova (vozila), pri čemu su pozicija i smer kretanja svakog čvora precizno određeni. Mobilni čvorovi se razlikuju po brzini kretanja u pojedinim vremenskim intervalima.

Slika 1. Model samostalne VANET mreže (scenario 1)

117

Zadane su sledeće brzine kretanja čvorova: 30 m/s, 25 m/s, 15 m/s. Ovde treba uočiti da su primenjene veće brzine kretanja od realnih, kako bi se uvideo uticaj mobilnosti i brzine kretanja na performanse mreže. Simulacioni model VANET mreže u scenariju 1, generisan pomoću programa NAM, prikazan je na slici 1.

U scenariju 2, mreža se sastoji od ukupno 10 čvorova, i to 8 mobilnih i 2 fiksna čvora. Pretpostavke o poziciji, smeru kretanja i brzini vozila su iste kao u scenariju 1. Fiksna infrastruktura predstavljena je pomoću bazne stanice i odgovarajućeg hosta. U ovom slučaju je pretpostavljen prolazak vozila kroz raskrsnicu i razmena informacija između vozila, kao i između vozila i fiksnih čvorova, kao što je prikazano na slici 2.

Slika 2. Integracija VANET sa fiksnom infrastrukturom (scenario 2).

Simulacioni model VANET mreže za scenario 2, generisan

pomoću programa NAM, prikazan je na slici 3.

C. Rezultati simulacije

Parametri simulacije prikazani su u tabeli I.

U simulaciji su primenjene dve vrste izvora saobraćaja i odgovarajućih agenata transportnih protokola:

1. Deterministički izvori (CBR – Constant Bit Rate) kojima su pridruženi agenti nekonektivnog UDP (User Datagram Protocol) transportnog protokola. Parametri CBR izvora saobraćaja su: veličina paketa – 512 Byte, vreme emitovanja paketa 0.02s u vremenskom intervalu od 0 do 7 sekundi.

Slika 3. Vizuelizacija integracije VANET sa fiksnom infrastrukturom (scenario 2) pomoću NAM editora

2. FTP (File Transfer Protocol) izvori saobraćaja sa pridruženim agentima TCP (Transmission Control Protocol) transpotnog protokola. Verzija TCP je Tahoe, a parametri TCP agenata su: veličina paketa – 1000 Byte, koji se generišu u vremenskom intervalu od 3 do 10 sekundi.

Tabela I. Parametri simulacije

Parametar simulacije Vrednost Domet čvora 250m Protok u bežičnom interfejsu 2 Mb/s Kapacitet reda 50 paketa Upravljanje redovima Drop Tail Radna frekvencija 914 MHz Tip antene OMNI Izvori saobraćaja FTP i CBR Trajanje simulacije 10s

Matrica saobraćaja za scenarije 1 i 2 prikazane su u

tabelama II i III, respektivno, gde notacija Mx označava mobilni čvor, F0 host, a F1 baznu stanicu. U scenariju 2 je izbor izvora i odredišta prilagođen funkcionalnosti procedura handover-a.

Tabela II Matrica saobraćaja u scenariju 1 R.b. toka

saobraćaja Izvorni –

odredišni čvor Tip izvora

1 M6 – M3 CBR 2 M7 – M2 CBR 3 M1 –M0 FTP 4 M5 – M3 FTP

Tabela III Matrica saobraćaja u scenariju 2. R.b. toka

saobraćaja Izvorni –

odredišni čvor Tip izvora

1 M6 – M3 CBR 2 M7 – F1 CBR 3 M1 –M0 FTP 4 M5 – F0 FTP

118

U scenariju 1 su analizirana tri tipa protokola (DSDV,

DSR, AODV), a u scenariju 2 je primenjen DSDV protokol. Poređene su performanse mreže u zavisnosti od primenjenog protokola rutiranja, po sledećim parametrima: - procenat isporučenih paketa (packet delivery ratio); - prosečno kašnjenje od ulaza do izlaza mreže (E2E delay).

Rezultati simulacije za oba scenarija prikazani su u tabeli

IV. Kada je primenjen DSDV protokol, određivanje ruta je decentralizovano, tj. zasnovano na razmeni kontrolnih informacija između susednih čvorova, što za posledicu ima najmanje kašnjenje od ulaza do izlaza mreže. Kada se primenjuju reaktivni protokoli DSR i AODV, kašnjenje od ulaza do izlaza mreže je veće usled dodatnog vremena potrebnog za uspostavu ruta. Pri tome, kada je primenjen AODV protokol, veći je broj kontrolnih paketa koji se razmenjuju između čvorova, što utiče na povećanje kašnjenja u mreži, ali ima povoljan uticaj na ažurnost stanja ruta, odnosno veći procenat isporučenih paketa u odnosu na slučaj kada je primenjen DSR protokol.

Integracijom sa žičnim domenom (scenario 2) prosečno kašnjenje od ulaza do izlaza mreže je dvostruko povećano i smanjen je procenat isporučenih paketa u odnosu na scenario 1. Ovakav rezultat je posledica razmene paketa između žičnog i bežičnog domena u scenariju 2, saglasno definisanim izvorištima i odredištima prikazanim u matricama saobraćaja analiziranih scenarija.

Tabela IV Performanse mreže za različite protokole i scenarije simulacije

Prikazani rezultati simulacije odnose se na scenarije sa

malim brojem čvorova i kontrolisanom mobilnošću čvorova. Uzimajući u obzir karakteristike protokola rutiranja opisane u poglavlju 2, realno je očekivati da aktivni protokol DSDV pokaže lošije performanse u mrežama sa većim brojem čvorova, kao i u mrežama u kojima se čvorovi kreću velikom brzinom. To je posledica čestog aktiviranja procedura za nadzor stanja u mreži i evidentiranja postojećih ruta. U takvim uslovima, reaktivni protokoli DSR i AODV su efikasniji i skalabilniji. To se posebno odnosi na protokol AODV, jer vreme uspostave ruta manje zavisi od broja čvorova u mreži, pozicija izvornog i odredišnog čvora, kao i uticaja tranzitnih čvorova.

4. ZAKLJUČAK

Opisani model mreže predstavlja karakteristično rešenje VANET mreže u urbanoj sredini. Pokazana je mogućost integracije opisane VANET mreže sa fiksnom mrežnom infrastrukturom i analizirane su performanse, pretpostavljajući FTP i CBR izvore saobraćaja. Simulacionom analizom je pokazano da aktivni protokol DSDV pokazuje bolje performanse od reaktivnih protokola

DSR i AODV u VANET mrežama sa malim brojem čvorova i manjom, kontrolisanom mobilnošću čvorova.

Jedan mogući pravac daljih istraživanja obuhvata analizu performansi protokola rutiranja u skalabilnim mrežama sa većom dinamikom mobilnih čvorova. Drugi pravac istraživanja obuhvata proučavanje uticaja: varijacije opterećenja mreže, varijacije broja učesnika, analizu mogućnosti primene drugih protokola rutiranja (TORA, ZRP) i analizu mogućnosti korišćenja rezultata simulacije saobraćajnih tokova (dobijenih iz na primer CORSIM ili VISSIM simulacionih okruženja) u NS2 kao osnove za primenjeni scenario kretanja čvorova i dr. LITERATURA [1] C.-K. Toh, "Ad Hoc Mobile Wireless Networks",

Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, New Jersey, 2002.

[2] R. Baumann, “Vehicular Ad hoc Networks (VANET)“, Master Thesis Computer Science, ETH, Zurich 2004.

[3] T. Kosch, “Technical concept and prerequisites of car-to-car communication“, BMW Group Research and Technology, 2004.

[4] H. Hartenstein, M. Torrent-Moreno, “Ad-Hoc Netzwerke fur die Kommunikation zwischen Fahrzeugen“, Seminar – WS 2004, Fakultat fur Informatik, Universitat Karlsruhe, 2004.

[5] M. Legner, “Map-based geographic forwarding in vehicular networks“, Master thesis, Fakultat informatik, Universitat Sttutgart, 2002.

[6] D. Lundberg, “Ad hoc Protocol Evaluation and Experiences of Real World Ad Hoc Networking“, Master Thesis, Uppsala University, 2003.

[7] X. Hong, K. Xu, M. Gerla, "Scalable routing protocols for mobile ad hoc networks", IEEE network, vol. 16, Novembar 2002, pp. 83-90.

[8] Network Simulator NS2 and Network Animator NAM. [Online]. Available: http://www.isi.edu/nsnam/ns/.

[9] J. Malek, ”Trace Graph – Network Simulator Trace Files Analyzer”, 2003. [Online] Available: http:// www. geocities.com /tracegraph.

[10] M. Stojanović, "Novi pristup obezbeđivanju nivoa kvaliteta servisa u namenskim multiservisnim telekomunikacionim mrežama", doktorska disertacija, Saobraćajni fakultet Univerziteta u Beogradu, jun 2005.

Abstract – In this paper, we have analyzed performance of VANET (Vehicular Ad hoc NETwork) routing protocols using computer simulation. Main features of ad hoc networks have been described, focusing on aspects and applicability of VANET. We have briefly described the NS2 simulating environment, which is frequently used for research of wireless ad hoc networks. Different routing protocols have been applied and compared in two simulation scenarios, one including a stand-alone VANET and the other representing an example of integrating VANET with the fixed communication infrastructure.

A PERFORMANCE ANALYSIS OF VANET ROUTING

PROTOCOLS Žarko Novičić, Mirjana Stojanović

Parametar Scenario DSDV DSR AODV 1 100 89 100 Procenat

isporučenih paketa 2 94 / /

1 0.2351 0.3754 0.5441 E2E kašnjenje [s] 2 0.5221 / /

119