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基于视频传输的车载网络路由协议改进
罗正虎，李方敏**
（武汉理工大学信息工程学院，武汉 430070）
摘要：车载网络由于其网络拓扑变化快，链路容易断开，其视频传输的性能较低，投递率低，5
延迟高。本文针对视频传输这一特定应用，并结合车载网络的特点提出了一种适合车载网络
视频传输的路由协议 M-AOMDV。修改后的 M-AOMDV 路由协议增加多接口支持，使用多信道传
输数据，采取基于链路质量的路径选择机制选取链路质量好的作为主路径，增加主动预警策
略提高可靠服务。通过 NS2 仿真实验，改进后的路由协议性能有显著提高，传输延时降低，
投递率增高。 10
关键词：无线通信；AOMDV；多接口多信道；路径质量；主动预警
中图分类号：TP393
The Improvement Of Vehicle Network Routing Protocol
Based On Video Transimission 15
LUO Zhenghu, LI Fangmin
(School Of Information Engineering, Wuhan University Of Technology, WuHan 430070)
Abstract: The vehicle network topology changes rapidly because of the high mobility of vehicle,
the link of two vehicles is easy to disconnect. The performance of video transmission is low
because of high latency and low delivery rate. This paper presents an improved routing protocl 20
named M-AOMDV based on video tranmission. The improved routing protocol added
multi-interface multi-channel support, select the path by the quality of the link, added active warn
mechanism to get reliable service. The simulation result shows that the performance of the
improved routing protocol id better than the original one, the end-to-end delay reduced and the
delivery rate improved. 25
Keywords: Wireless Communication; AOMDV; Multi-Interface Multi-Channel; Path Quality;
Active Warn
0 引言
车载网络是基于车载应用的移动 Ad Hoc网络，它是由一组带有无线收发装置的移动终30
端组成的多跳临时性自治系统。由于视频的信息量大，而车载网络带宽有限，且链路容易断
开，对视频传输质量影响很大。目前关于视频传输的改进方案都集中在编解码和 QoS 两个
方向，但对于车载网络这种节点高速移动，链路易断的网络来说，上述改进方案并不能明显
提高车载网络视频传输的性能。文献[1]分析了 AODV，DSR，DSDV三种典型路由协议中，
AODV协议相对于其他两种协议来说更加适合移动 Ad Hoc网络下的视频实时传输。但随着35
节点的高速移动，网络拓扑变化快，路由频繁中断，刚建立起的路由瞬间不可用，因此更多
的路由协议提了出来，其中包括多径路由协议 AOMDV。
1 AOMDV路由协议
AOMDV 协议[2]是 AODV 协议的扩展，也采用距离矢量的概念和多跳的方式，其与
AODV 的区别是，AOMDV 在路由发现中能够建立多条源节点到目的节点的独立路径。40
AOMDV充分利用了 AODV中可用的路由信息，但是并不需要增加额外的控制分组，只是
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在原有的分组上增加额外字段用以计算独立多路径。
AOMDV仍使用 AODV的目的序列号机制来更新路由。其区别是 AOMDV增加了“广
播跳数（advertised hop count）”字段。“路径列表”字段包括：下一跳、最后一跳、跳数、
过期时间等。 45
路由发现
当源节点向目的节点发送数据分组时，首先在本地维护的路由表中查找是否有到该目的
节点的路由，若包含到目的节点的有效路由，则通过该路由将数据分组包发送给目的节点；
若没有，则向邻居节点广播 RREQ 分组，启动路由发现过程。AODMV协议的 RREQ分组
在 AODV 协议基础上增加了“第一跳”字段，用来记录源节点的第一跳邻居节点，其他字50
段含义相同。收到 RREQ 的节点首先判断是不是本节点发出的 RREQ，如果是则丢弃，不
是则在路由表中查找是否有目的节点为源节点的表项（反向路由）。如果有，则更新反向路
径；如果没有，则创建一个新的到源节点的路由表项，添加相应的反向路径。AOMDV协议
不能简单丢弃泛洪广播的 RREQ，而是检查每一个 RREQ，建立多条到达源节点的反向路径。
同理，收到 RREP的节点首先判断是不是本节点发出的 RREP。如果是，则丢弃不处理；55
如果不是则在路由表中查找是否要到目的节点的前向路由表项。没有则创建新的路由表项，
添加相应前向路由；有则根据更新机制更新路由表项。
路由维护
AOMDV协议使用与 AODV相同的机制维护路由。在 AOMDV协议中，当某节点与目
的节点中的一条链路中断时，该节点产生路由出错分组 RRER，并朝邻居节点广播，沿途转60
发的节点根据 RRER消息删除路由表中相应的表项。
AOMDV协议减少了控制分组的数量，同时源节点和目的节点之间拥有多条可用的完整
的路径，当主路径失效时可以切换到替代路径继续传输,，提高了分组投递率；中间节点拥
有多个到目的节点的下一跳，也减少了分组端到端的延迟。AOMDV协议在节点移动速度快、
节点密度大的环境中具有较大的优势，路由开销、分组投递率、端到端延迟等方面都明显优65
于 AODV 协议。因而 AOMDV能够在高速动态网络环境下拥有较好的链路容错能力和有效
的恢复机制。
虽然 AOMDV协议相对于 AODC协议具有很多优势，但仍有不足：
（1）多径路由协议路径选择时是简单的根据跳数，但是最短路径不一定是最优路径。
因为由于节点的移动，链路质量是变化的，以最小跳数为基准的链路容易断开。所以最优路70
径的选择应该考虑链路质量等因素。
（2）无线网络带宽有限，而在高速移动环境下，达不到理论带宽大小。而视频传输的
信息量大，因此在考虑路由协议容错性之余，还应该设法提高网络吞吐量。
2 基于多接口的 AOMDV路由协议改进
多接口多信道实现 75
目前，许多研究者已经提出了 NS2 下实现无线 Ad Hoc 网络中多接口多信道的方案。
TENS方案[3]可以使 NS2能够支持多信道，但对于信道所对应的接口仍然是单接口。Hyacinth
方案[4]通过修改节点配置的 tcl，将 5个信道分配各每个结点，同时复制 5份接口相关组件。
但因为是静态配置，不够灵活，通用性不高。Ramon 方案[5]思路与 Hyacinth 相似。在构建
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移动节点时复制网络接口的所有组件，并将接口连接到路由代理上，使得路由协议可以直接80
使用和管理这些接口。
本文采用 Ramon 方案来实现多接口多信道，主要包含信道接入、信道分配和切换。首
先为每个结点配置两个接口，一个为固定接口，一个为可切换接口。固定接口用于接收数据，
分配好信道之后将长时间停留在这个信道，可切换接口用于发送数据，当有数据发送时，将
接口对应的信道切换到下一跳节点的固定接口信道，就可实现数据的发送。 85
针对多信道，节点维护邻居表和信道使用列表。邻居表保存论据节点使用的固定信道信
息，通过节点的 IP 地址来索引。信道使用列表保存的是每个信道被作为固定信道的总数，
索引值为信道号。在初始化阶段，节点的固定接口和可切换接口都是随机选取一个信道作为
其所在信道，但是二者不能相同。接着，节点更新自己的邻居表，同时根据自身使用的固定
信道情况，更新信道使用列表。当节点转发 RREQ、RREP或 Hello消息时，下一跳节点会90
从中获取邻居表和信道使用列表情况，并更新自己维护的邻居表和信道使用列表，如此反复。
节点在发送数据报文时，将根据下一跳节点的节点 IP 在邻居表中查询下一跳节点固定接口
所在信道，以确定其可切换接口是否需要切换信道。信道切换流程图如图 1所示。
需要发送数据
查询邻居表，获得下一条
节点所在的固定信道
比较节点的切换信道=下一
跳节点的固定信道？
改变当前节点切换信道=
下一跳节点的固定信道
不改变切换信道
Y
N
遍历信道使用列表，找出信
道使用最多的信道cmax和信
道使用最少的信道cmin
判断当前固定信道
=cmax？
以40%概率将
固定信道切换
为cmin
Y
N
图 1 信道切换流程图 95
Channel Switch process
基于链路质量的路径选择机制改进
SSA路由协议[6]中，是以信号强度决定节点是否处于稳定状态。本文将借鉴该思想，使
用信号强度稳定值作为选择路径的依据。节点在接收数据包时，可以从MAC层中直接获得100
接收到的信号强度大小。某条链路的信号强度稳定值可以通过公式（1）得到。
min
min
rp pls
p
−= （1）
ls表示该节点和上一节点之间的链路质量稳定值，其值越高表示信号越强，可以通信的
时间越长。其中 rp 为接收节点从 MAC 层信息中获得的接收信号强度， minp 为节点能够传
输需要的最小信号强度。整条路径的链路质量稳定值可以通过公式（2）求得。 105
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i
i path
pathls ls
∈
= ∏ （2）
其中 ils 为该路径中中间节点 i 和上一跳节点之间链路的信号稳定值，整条路径的信号
稳定值为所有链路稳定值的累积。
当源节点向目的节点发送 RREQ时，将携带初始路径信号稳定值 pathls=1，中间节点接
收上一跳数据包时，不断求得与上一跳链路的质量 ls，并与 pathls做累积，将更新的累积值110
放入 RREQ 继续转发出去。当目的节点接收到 RREQ 时，计算的 pathls 值即为整条路径的
信号强度稳定值，并通过 RREP返回源节点。源节点比较不同路径的 pathls值，选择其中值
最大的作为主路径。Pathls值越大，即表示路径质量越稳定。
主动预警的改进
在经典的 Lucent WaveLAN传播模型中，节点能接收的最小信号强度阀值 *10−115
瓦，节点的通信范围为 250米。接收节点接收到的信号强度与发送节点发送的信号强度的公
式如公式（3）所示。
t
r n
pP
r
= （3）
tp 是发送节点的信号强度， rP 为接收节点接收到的信号强度，r 为发送节点和接收节
点的距离。一般取值为 2 到 4，在靠近源节点时取值 2，距离源节点较远时即取值 4。定义120
一个可靠传输需要的信号强度阙值，当从MAC层读取的信号强度值小于这个阙值时，就可
认为链路有断开危险。该阙值可以通过公式（4）算出。
4
min
0
*threshold
rp p
r
⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠
（4）
其中 r为 250米，即最远传输距离， 0r 为提供可靠传输的距离。当节点接收到的信号强
度小于信号强度阙值时，即认为链路有断开危险，因此向源节点发送WARN消息，源节点125
在接受WARN消息后，判断是否有备选路由，如果有则切换至备选路由，没有则发起路由
发现过程。
3 仿真结果分析
本文采用 Fan Bai等三人编写的 Manhattan模型和 Freeway模型[7]来模拟城市场景和高
速公路场景。城市场景为 1000m*1000m区域，3条横向街道，3条纵向街道，包括 12条双130
向车道，移动节点 40个，移动最大速度分别为 1m/s，5m/s，10m/s，20m/s，30m/s，40m/s。
高速公路场景为双向 4 车道 1000m 高速公路，移动节点数目为 20，移动最大速度分别为
10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，50m/s。节点每秒发送 100个数据包，每个数据包 512bytes，
仿真时间为 200秒。城市场景和高速公路场景的仿真结果如图 2和图 3所示。
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投递率比较 端到端延时比较
Delivery Rate End-to-end delay
图 2 城市场景投递率和端到端延时比较
The delivery rate and end-to-end delay of urban 145
投递率比较 端到端延时比较
Delivery Rate End-to-end delay
图 3 高速公路场景投递率和端到端延时比较 150
The delivery rate and end-to-end delay of freeway
图 2和图 3的左图为城市场景和高速公路场景投递率比较。从图中可以看出，修改后的
AOMDV路由协议投递率始终好于 AOMDV路由协议和 AODV路由协议。这是因为以路径
的信号强度稳定值为标准，比以最小跳数为标准的 AOMDV和 AODV路由协议路径更稳定。155
同时采取提供可靠传输服务的信号强度阙值，当接收到的信号小于该阙值时，发出 WARN
消息，主动预警。在源节点接收到WARN消息之前，源节点发出的数据包仍有部分甚至全
部成功交给下一跳，因此投递率得到了提高。 图 2和图 3的右图为城市场景和高速公路场
景的延时比较。由于采取了多接口多信道，节点在接收数据时同时能够传输数据，因此端到
端延时好于单信道的 AODV和 AOMDV路由协议。在速度相对较小时，备选路径没有失效，160
其延时好于 AODV的效果更加明显。
4 结论
本文通过基于链路质量的路径选择机制和可靠传输主动预警策略来改进 AOMDV 路由
协议，同时将该协议扩展为多接口多信道。仿真表明，改进后的 AOMDV 路有协议的投递
率好于原始 AOMDV路由协议和 AODV路由协议，同时也降低了传输延时延。虽然改进后165
的路由协议性能有较大提升，但要想获得更好的视频传输性能，应该结合多描述编码来实现。
本文下一步研究就是结合改进后的路由协议和多描述编码，使车载网络的视频传输性能得到
更高的改善。
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[参考文献] (References)
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