車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

【摘要】文章對VANET的研究必要性以及VANET的特性進行分析后，從消息內(nèi)容、節(jié)點屬性和拓撲構(gòu)造三個角度對VANET進行了分析并對三方面的最新研究進行了描述，分析了車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中常使用的實時信息及現(xiàn)有路由協(xié)議存在的問題，并給出了VANET進一步的研究方向。

【關(guān)鍵詞】車在網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；實時信息

車載自組織網(wǎng)絡(luò)（簡稱VANET）旨在基于車輛之間及車輛與路邊通信站之間的無線通信構(gòu)建一個無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)城市信息的有效傳遞，以便實現(xiàn)更好的城市移動媒體服務(wù)、及時的城市安全預(yù)警以及高效的城市交通管理。

據(jù)公安部交管局發(fā)布消息得知，截至2013年10月底，我國機動車保有量為2.5億輛，其中汽車1.35億輛，占53.9%，私家車超過8500萬輛，比10年前增長13倍。大量的機動車輛給城市帶來了巨大的壓力，對城市交通調(diào)度、安全預(yù)警等各方面提出許多要求，車載自組織網(wǎng)絡(luò)為這些問題的解決帶來了新的機遇。另外，VANET的代價遠遠低于網(wǎng)絡(luò)提供商提供的的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以實現(xiàn)較低廉的車載移動娛樂服務(wù)。

在一些特殊情況下，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是不可用的，如2008年的汶川地震和2013年南方冰雹期間，大量的基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，網(wǎng)絡(luò)癱瘓導(dǎo)致大量求救信息無法傳出。汽車數(shù)量劇增的時代智能傳輸設(shè)備的不斷優(yōu)化為VANET的實時實現(xiàn)提供了可能性，VANET不完全依賴路邊基站的特性為災(zāi)難中信息傳輸提供了可能解決方案。

文章組織如下，第一部分介紹了VANET的特性與研究問題所在，第二部分對近年來VANET的相關(guān)研究做了分類，第三部分分析了現(xiàn)有VANET路由研究中所使用的信息和VANET存在的問題及研究方向，第四部分對文章進行了總結(jié)。

1.VANET分析

VANET具有兩種通信模式，即車輛之間的通信和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施間的通信，車輛采用“攜帶-存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”的方式進行消息傳輸。VANET表現(xiàn)出節(jié)點高移動性，網(wǎng)絡(luò)拓撲不穩(wěn)定和節(jié)點自組織性等特性，在某些特殊情況下表現(xiàn)出機會性。組成網(wǎng)絡(luò)的車輛節(jié)點具有移動性、社會性，可以實現(xiàn)信息的實時獲取，如移動速度、當前位置、移動方向等。

在VANET中網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成是靠移動節(jié)點完全自組織的，同時節(jié)點的移動收到城市布局的限制，再者網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)南⒕哂幸恍┕残裕ㄈ缒康墓?jié)點所在的區(qū)域），因此在進行VANET研究時可以將著重點集中于消息、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和拓撲三個方向，對于相關(guān)研究將在第二部分給予介紹。

節(jié)點信息的實時獲取對于實現(xiàn)啟發(fā)式和基于上下文的路由算法起著決定性作用，車輛現(xiàn)有的計算能力和感知設(shè)備為其實現(xiàn)提供了良好的條件。車輛可以通過配備的GPS獲取當前的位置，亦可通過攝像頭等來測量自身位移。位置信息可描述節(jié)點的移動軌跡從而構(gòu)建熱點區(qū)域等加速網(wǎng)絡(luò)中的消息路由；通過位置或位移信息可以計算出車輛短期的移動方向或速度變化，以輔助節(jié)點選取最好的下一條延遲節(jié)點。對于節(jié)點的速度及變化也可通過傳感器或者接口直接從車輛發(fā)動機或車輪處直接獲得，這對于評估道路情況非常重要。

目前許多車輛裝載了地理信息系統(tǒng)，使得移動節(jié)點可獲知城市道路拓普信息，在進行路由設(shè)計時可預(yù)先進行區(qū)域劃分，這對減少消息副本的洪泛式增長及提高節(jié)點資源利用率非常有效。即使GIS相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備不可用，也可以考慮通過GPS位置信息進行地理區(qū)域劃分，加速消息的有效投遞。

2.VANET路由研究描述

2.1 以消息為中心的VANET路由策略相關(guān)研究

以消息為中心為中心的VANET路由策略主要考慮通過控制消息副本的副本數(shù)目來控制網(wǎng)絡(luò)擁塞問題并實現(xiàn)較理想的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)典的洪泛路由策略Epidemic雖然能夠?qū)崿F(xiàn)最大努力交付且實驗證明消息投遞率確實比較高，但隨時間的增長網(wǎng)絡(luò)中的消息副本數(shù)目爆炸式增長而造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，這使得許多新消息無法得到傳輸，網(wǎng)絡(luò)性能開始下降，大量網(wǎng)絡(luò)資源被浪費。

改進的洪泛路由策略Rumor[1]通過設(shè)置“代理”數(shù)據(jù)包廣播少量的包含事件信息的數(shù)據(jù)副本，減少了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的副本數(shù)量，減少了數(shù)據(jù)包被丟棄的可能性，具有更小的傳輸延遲?；诰幋a的路由方式能夠彌補傳統(tǒng)復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)式路由不能充分利用多播路由的缺點，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的事件驅(qū)動路由NCMR[2]，使用HELLO包確定周邊節(jié)點的信息，根據(jù)局部拓撲信息節(jié)點計算確定最小有限域并進行向量先行無關(guān)的的局部編碼。NCMR采用線性的局部編碼，克服了傳統(tǒng)編碼方式對全局信息的依賴。

2.2 以節(jié)點為中心的VANET路由協(xié)議相關(guān)研究

該類路由策略主要考慮從節(jié)點的特性出發(fā)，如節(jié)點的成簇特性、社會性、延遲節(jié)點的分配和等級劃分等。基于節(jié)點相遇的ACR[3]引入蟻群算法的思想，節(jié)點在進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時會“釋放信息素”，進行消息轉(zhuǎn)發(fā)時會優(yōu)先選擇信息素含量較多的節(jié)點中繼轉(zhuǎn)發(fā)?；谧罱缃蝗Φ腃SCR[4]根據(jù)受社交關(guān)系影響的節(jié)點相遇構(gòu)造簇相遇模型，將節(jié)點單位時間內(nèi)遇到的移動節(jié)點的次數(shù)量化為節(jié)點的社會度，在進行消息路由時通過節(jié)點在簇相遇時競爭產(chǎn)生簇頭來提高網(wǎng)絡(luò)中消息傳遞的速率。

VANET中如何識別延遲節(jié)點并有效的分配延遲節(jié)點有助于實現(xiàn)性能良好的路由協(xié)議。延遲節(jié)點在在很多時候會移動至被隔離的區(qū)域，此時VANET變成了VDTN。延遲節(jié)點VANET性能的影響[5]一文考慮數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)與傳輸時間兩個性能指標，給出通過最大化延遲節(jié)點利用率來減少延遲節(jié)點使用次數(shù)的MRA算法、通過增加最少的延遲節(jié)點以最小化傳輸時延的MRD算法和選用最小跳數(shù)的路徑來最小化傳輸時延的MDT算法。車輛的運動方向不穩(wěn)定、車流密度不可控、運動速度時變及構(gòu)造的平面圖存在間隔性分割這些問題都會引起錯誤的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

基于交通信息的改進GPSR算法TGPSR-WI[6]對GPSR進行了改進，無基站可用時，根據(jù)節(jié)點的穩(wěn)定性粗略的將節(jié)點劃分等級，節(jié)點將消息轉(zhuǎn)發(fā)給根據(jù)局部節(jié)點屬性信息確定的最優(yōu)候選節(jié)點集，在數(shù)據(jù)包投遞率、平均吞吐量、平均傳輸時延上均有明顯的改善。

2.3 以拓撲為中心的VANET路由策略相關(guān)研究

以拓撲為中心的VANET路由策略主要是從地理拓撲角度出發(fā)，進而推算出網(wǎng)絡(luò)鏈路的可用性進行消息傳輸優(yōu)化。

道路的數(shù)據(jù)傳輸延時可以近似當做網(wǎng)絡(luò)拓撲鏈路延時來進行車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計。基于分布式實時信息的DRIP[7]提出了路段時延評估機制DRES，通過執(zhí)行DRES進行路段延時估計分布式的獲取實時道路信息，作者提出包含直路模式和路口模式兩種模式的基于攜帶轉(zhuǎn)發(fā)的DRIP路由協(xié)議，選擇更有可能靠近目標位置的車輛進行消息轉(zhuǎn)發(fā)?；阪溌犯兄腖ALO[8]根據(jù)當前臨近十字路口與目標臨近十字路口間的歐式幾何距離確定的鏈路轉(zhuǎn)發(fā)方向，根據(jù)車輛運行方向與路徑轉(zhuǎn)發(fā)方向、車輛實際速度與車輛的平均速度兩種背離關(guān)系量化得到的鏈路穩(wěn)定度三個方面構(gòu)建了傳輸性能預(yù)測模型。具有十字路口模式、直路模式和接入點模式三種模式的LALO路由協(xié)議表現(xiàn)出良好的傳輸性能。

VANET中節(jié)點的移動與通信受地理環(huán)境限制，具有良好的連通性的區(qū)域安全性與可靠性可能很低，具備消息傳輸可用性的區(qū)域的可用時間太短不足以順利實現(xiàn)消息傳輸。可靠的地圖路由協(xié)議RMR[9]由可靠地圖管理、評估與信息轉(zhuǎn)發(fā)，可靠路由發(fā)現(xiàn)，鄰居發(fā)現(xiàn)三部分組成，節(jié)點會選擇具有更高可靠度與可信任度的地理區(qū)域中的節(jié)點作為“最好”節(jié)點群進行消息轉(zhuǎn)發(fā)，在傳輸成功率與傳輸延時上表現(xiàn)良好，同時在路由開銷上有很大的提升，表現(xiàn)出較好的可靠性。

車輛速度、密度等能夠彌補地理路由協(xié)議的不足，基于位置和連通性的PCAR[10]由錨節(jié)點序列選取、擴展的貪心算法和路由恢復(fù)三部分組成，將岔路口抽象為錨點，根據(jù)依賴于道路長于和路上節(jié)點密度求出的道路權(quán)值選擇錨點序列，在直道上采用貪心算法向臨時目的錨節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，性能表現(xiàn)良好。

3.VANET中信息使用與存在問題

為更好地路由消息，研究者使用節(jié)點所能獲取的信息進行有效計算，消息中包含目的節(jié)點的id或者位置，通過目的節(jié)點的信息可以推算出目的區(qū)域，對具有同一目的區(qū)域的消息采用相同的方式進行傳輸；對于具有規(guī)律內(nèi)容的消息可以進行編碼重新分組，減少副本的情況下提高消息投遞成功的可能性。

消息傳輸?shù)闹黧w是移動節(jié)點，因而節(jié)點屬性制約并保證了VANET消息傳輸?shù)男阅堋９?jié)點的屬性包括位置、速度、加速度、移動方向、歷史軌跡、鄰居數(shù)目、常駐區(qū)域、親友節(jié)點、通信范圍等，可以通過計算進一步得到拓撲信息以輔助延遲節(jié)點的選取和消息的傳輸轉(zhuǎn)發(fā)。地理拓撲信息包括道路分布、道路節(jié)點密度、道路傳輸延遲、障礙存在情況、十字路口信息、基站分布等，這些信息可以轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)拓普信息，通過拓普信息的獲取與計算分析可以進行區(qū)域劃分與路徑選取以實現(xiàn)良好的消息傳輸。由于VANET是靠移動節(jié)點自組織構(gòu)成的，因而不能采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)固定路由的方式進行消息傳輸，通使用實時信息的獲取和歷史信息進行動態(tài)路由是解決VANET路由的有效方案。

現(xiàn)有VANET路由協(xié)議中存在一些問題，這也使得對其進一步研究存在可能性。許多方案使用GIS在災(zāi)難發(fā)生時是不可取的，如何進行動態(tài)模擬的地理拓撲獲取與構(gòu)建是未來的一個研究方向。許多路由協(xié)議從節(jié)點的某幾個屬性進行計算得出節(jié)點優(yōu)先級或道路的延遲以進行消息傳輸優(yōu)化，這并沒有充分利用節(jié)點的信息收集與計算能力，如何實現(xiàn)一種綜合屬性的VANET路由方案值得考慮。以往的研究中，更多的是考慮如何加速實現(xiàn)消息的投遞，忽略了傳輸安全這一問題，將快速傳輸與安全保證相結(jié)合是未來的一個研究熱點。

4.總結(jié)

VANET具有自組織性切不依賴傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施，是實現(xiàn)智慧城市中的交通管理和應(yīng)對災(zāi)難中的信息傳輸很好的選擇，實時信息的使用對于優(yōu)化VANET路由方案有很好的效果。從消息內(nèi)容、節(jié)點屬性和拓撲信息三角度出發(fā)的路由方案能夠?qū)崿F(xiàn)很好的消息傳輸，但仍存在一些問題，值得進一步的挖掘和深入研究。

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