車載自組織網(wǎng)絡(luò)中AODV協(xié)議研究進展

呂文紅，屈衍璽，徐 鋒，劉 琦，郭銀景

(1.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590)

車載自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicular ad-hoc network, VANET)是一種面向車輛的移動自組織網(wǎng)絡(luò)(mobile ad-hoc network，MANET)[1]。以車載終端(on board unit，OBU)和路側(cè)單元(road side unit，RSU)為節(jié)點，利用無線通信技術(shù)[2]提供OBU之間以及OBU與RSU之間的通信[3]。VANET中，OBU將車輛信息通過無線通信技術(shù)傳到其他車輛和RSU，RSU將收集到的環(huán)境、誘導(dǎo)及控制信息發(fā)送給OBU[4]，為車輛跟蹤、導(dǎo)航、路況檢測以及交通安全預(yù)警等提供保障。路由協(xié)議為這些應(yīng)用提供支持[5]，在很大程度上影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。VANET與MANET基本架構(gòu)相同，同樣是多跳傳輸且具有動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[6]，但VANET具有其本身獨特的性質(zhì)，主要表現(xiàn)如下：

1)車輛的快速移動以及頻繁的駛?cè)腭偝鰧?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化比MANET更頻繁[7]，是VANET的主要特性；

2)VANET實時性要求比MANET更高。VANET需要更低的端到端時延，因為傳輸時延直接影響車輛安全[5]；

3)道路信號干擾和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)快速變化導(dǎo)致VANET比MANET丟包率更高。若廣播信息中包含安全信息，任何數(shù)據(jù)的丟包都直接影響駕駛安全[8]。文獻[9]指出，當節(jié)點廣播安全信息時，丟包率不能超過5%，否則目的節(jié)點將無法正確解析信息。

同時，VANET表現(xiàn)出許多優(yōu)于MANET的特性，這些特性給路由協(xié)議的設(shè)計提供了機遇：

1)VANET節(jié)點行駛在既定路徑上，并且受到交通狀況、駕駛員行為等限制，行駛軌跡相對簡單且具有一定規(guī)律性和可預(yù)測性[10]；

2)車輛可以為OBU提供能源，維持OBU持續(xù)工作[11]，設(shè)計路由協(xié)議不需要考慮能耗問題。

近些年，隨著5G技術(shù)的誕生，VANET發(fā)展將進入一個嶄新的階段：

1)車輛與車輛之間，車輛與基站之間可以通過設(shè)備與設(shè)備(device to device，D2D)方式通信，提高通信的頻譜利用率[12]；

2)通信范圍擴大，傳輸速率提高，且5G技術(shù)將有效解決高速行駛的車載終端的通信質(zhì)量問題[13]。

5G技術(shù)促進了路由協(xié)議的發(fā)展[14]，但5G技術(shù)支持的路由協(xié)議還可能存在以下問題：

1)傳輸效率低。文獻[15]評估了新一代5G通信環(huán)境下節(jié)點速度對包傳遞率的影響。包傳遞率可以衡量網(wǎng)絡(luò)連通性。當最大速度為12 m/s時，MANET環(huán)境中性能較好的AODV協(xié)議包傳遞率也只能達到85%；

2)5G會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化更加頻繁[14]，從而會出現(xiàn)盲目泛洪式廣播，引發(fā)廣播風(fēng)暴問題(broadcast storm problem，BSP)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源嚴重浪費。文獻[16]分別使用路由開銷和分組投遞率評估BSP，當網(wǎng)絡(luò)擁塞時，開銷增加，分組投遞率減少。結(jié)果表明，隨節(jié)點數(shù)增加，傳統(tǒng)路由協(xié)議分組投遞率減少。每公里內(nèi)節(jié)點數(shù)為25時，路由開銷達到240，網(wǎng)絡(luò)投遞率僅為41%，嚴重影響VANET的性能；

3)文獻[17]根據(jù)3GPP中5G標準仿真了傳統(tǒng)路由協(xié)議中5G環(huán)境下低速節(jié)點的延時，得出速度為10 m/s時，隨著網(wǎng)絡(luò)負載增加，端到端延時也能達到8 ms。當速度繼續(xù)增加，端到端延遲預(yù)計將繼續(xù)升高，對于VANET這種對延時要求極高的網(wǎng)絡(luò)來說，5G也無法滿足當前要求。文獻[18]將傳統(tǒng)VANET與5G-VANET相對比，雖然時延降低70%，但依舊有很大發(fā)展空間。

總的來說，行駛軌跡的規(guī)律性和可預(yù)測性以及車輛節(jié)點能量的充足供應(yīng)為VANET路由協(xié)議的設(shè)計提供了機遇。近年，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，路由協(xié)議性能有極大提高，但即使有5G技術(shù)的支持，仍需考慮路由穩(wěn)定性、BSP和端到端延遲對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，這些問題是目前VANET路由協(xié)議急需解決的關(guān)鍵問題。

1 移動路由協(xié)議概述

1.1 路由協(xié)議分類

協(xié)議根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)策略的不同，現(xiàn)存移動路由可以分為兩類：主動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議[19]。

1.1.1 主動路由協(xié)議

主動路由協(xié)議又稱作表驅(qū)動路由協(xié)議，最大特點是每個節(jié)點需要周期性地維護到其他節(jié)點的路由表，源節(jié)點一旦需要通信，可以直接獲得到達目的節(jié)點的路由，減少延遲[20]。主動路由協(xié)議主要有目的節(jié)點序列距離矢量路由(distance vector of destination node sequence，DSDV)協(xié)議[21]、優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由(optimized link state routing，OLSR)協(xié)議[22]。研究表明，DSDV在包傳遞率和延遲方面均比OLSR表現(xiàn)出更好的性能[23]。DSDV基于貝爾曼-福特算法，是在傳統(tǒng)路由協(xié)議距離矢量(distance vector，DV)基礎(chǔ)上改進的，與之不同的是，DSDV在每個節(jié)點的路由表中添加了由目的節(jié)點產(chǎn)生的路由序列號信息。每次更新，序列號在原來基礎(chǔ)上增加，節(jié)點根據(jù)序列號來區(qū)分路由的新舊程度，防止DV可能產(chǎn)生的路由環(huán)路[24]。當收到序列號更高的路由時，新路由替換舊路由；若序列號相同，則選擇跳數(shù)最低的路由[21]。

1.1.2 按需路由協(xié)議

按需路由協(xié)議又稱作反應(yīng)式路由協(xié)議[20]，無需維護每個節(jié)點的路由表，在有通信需求時，按照預(yù)定算法搜尋路由即可。搜尋路由包括4個過程：路由發(fā)現(xiàn)、路由維護、路由選擇和路由回應(yīng)。按需路由協(xié)議主要有源驅(qū)動路由協(xié)議(ad-hoc on-demand distance vector routing，AODV)[25]協(xié)議、動態(tài)源路由(dynamic source routing，DSR)[26]協(xié)議和臨時預(yù)定路由(temporally-ordered routing algorithm，TORA)[27]協(xié)議。文獻[28]比較了上述3種路由協(xié)議，結(jié)果表明：TORA依賴同步時鐘，限定了其使用范圍，同樣的車輛密度和速度條件下，TORA開銷比DSR高21%，丟包率高13%，而DSR開銷比AODV高18%，延遲是AODV的1.7倍，因此，AODV是3種協(xié)議中最適用于VANET的協(xié)議。

1.2 DSDV和AODV協(xié)議比較

1)時延方面。對于DSDV協(xié)議，源節(jié)點一旦存在通信需求，能夠立即獲得到達目的節(jié)點的路由，保證通信業(yè)務(wù)的實時性。對于AODV協(xié)議，需要按照預(yù)定的算法執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)機制，端到端時延較長[29]，文獻[30]指出，當每公里節(jié)點數(shù)大于90時，AODV延遲比DSDV延遲高，并且隨著節(jié)點數(shù)增加，延遲差距愈發(fā)增大，節(jié)點數(shù)達到120時，AODV延遲為DSDV延遲的3倍；

2)應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓撲變化方面。DSDV協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化時，會出現(xiàn)路由表信息過時，路由始終處于不收斂狀態(tài)[19]。AODV協(xié)議則對動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有一定的自適應(yīng)性[31]；

3)可拓展性方面。AODV協(xié)議比DSDV協(xié)議可拓展性強。原因是AODV在端到端時延、包傳遞率和路由開銷方面均可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)快速變化并且保證路由協(xié)議的正確性和完整性[32]；

4)開銷方面。DSDV協(xié)議比AODV協(xié)議開銷大。原因是網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化，導(dǎo)致DSDV協(xié)議中的周期表頻繁更新從而產(chǎn)生較大開銷[30]。文獻[33]測試了不同車輛密度下AODV和DSDV的路由負載，得出，每公里車輛數(shù)目為50時，DSDV的負載為AODV負載的3倍，故DSDV的開銷較大。

表1對DSDV協(xié)議和AODV協(xié)議進行比較。從表中可以看出，DSDV協(xié)議作為主動路由協(xié)議，需要周期性更新路由表，在每個周期內(nèi)，如果節(jié)點沒有斷開連接，將不會更新，如果節(jié)點快速移動會導(dǎo)致路由質(zhì)量差[34]，并且拓展性較差，因此僅僅適用于拓撲結(jié)構(gòu)變化相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不適用于拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁的VANET[24]。而AODV協(xié)議具有高度自適應(yīng)性和良好的拓展性，非常適合拓撲結(jié)構(gòu)快速變化的VANET[19]，但依然存在路由不穩(wěn)定、實時性差以及BSP等問題。

表1 DSDV和AODV性能比較

為克服頻繁的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)帶來的DSDV協(xié)議路由質(zhì)量問題，文獻[35-37]分別提出改進的DSDV(improve DSDV，I-DSDV)、增強的DSDV(enhance DSDV，E-DSDV)和樂觀的DSDV(optimistic DSDV，O-DSDV)協(xié)議。然而，文獻[38]指出，雖然改進后的DSDV可以提高包傳遞率，但丟包率較高，無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)頻繁變化，因此，VANET中，DSDV目前已經(jīng)逐漸被AODV所替代。

綜上，重點討論AODV協(xié)議在路由穩(wěn)定性、時延和BSP 3方面的改進，這也是目前AODV協(xié)議面臨的主要問題。

2 路由穩(wěn)定性的研究

AODV雖然能夠快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化，在動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)中擁有更高的性能,但應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)拓撲變化更加頻繁的VANET中依然存在路由不穩(wěn)定的問題[39]。

2.1 借助車輛網(wǎng)絡(luò)信息的路由選擇

2011年，Yu等[30]結(jié)合車輛當前的速度、加速度和移動方向通過公式(1)來判定節(jié)點之間的穩(wěn)定性，從而選擇最穩(wěn)定的路由。仿真表明，與傳統(tǒng)的AODV相比，節(jié)點速度為100 km/h時可降低13%的丟包率。當車輛勻速或以固定加速度行駛時，可以建立更穩(wěn)定的連接，但文獻并未考慮動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)特性。為克服這個局限，2014年，Shen等[40]針對VANET的拓撲特性，考慮車輛未來的運動信息對鏈路質(zhì)量的影響：短時間內(nèi)，假設(shè)加速度保持不變，根據(jù)加速度公式計算車輛速度，以及利用全球定位系統(tǒng)來計算方向矢量。得到上述信息后，計算出當前每個節(jié)點的下一個坐標，從而得到車輛之間的鏈路質(zhì)量；根據(jù)車輛未來的節(jié)點信息，用公式(1)計算未來路由總權(quán)重，選取當前路由總權(quán)重與未來路由總權(quán)重之間差值最小的路由作為主路由。仿真結(jié)果表明，速度恒定為40 km/h，每公里內(nèi)節(jié)點數(shù)為50時，包傳遞率提高8%。

TWR=fs×|Sn-Sd|+fa×|An-Ad|+fd×|θn-θd|+fq×Q。

(1)

其中：Sn、An、θn表示下一跳節(jié)點的速度、加速度和方向；Sd、Ad、θd表示目標節(jié)點的速度、加速度和方向；fs、fa、fd、fq表示速度、加速度、方向和鏈路質(zhì)量權(quán)重因素；Q表示源節(jié)點和下一跳節(jié)點之間的鏈接質(zhì)量。

以上文獻僅考慮車輛的運動信息，但車輛網(wǎng)絡(luò)信息還包括路由跳數(shù)和信號強度等。隨著多跳傳輸序列跳數(shù)和通信次數(shù)的增加，端到端連接失敗的概率會增大，包傳遞率隨之降低[41],故路由跳數(shù)也應(yīng)該考慮在內(nèi)。因此，2018年，鄧少聞等[42]提出基于路徑判據(jù)的AODV(path AODV，PA-AODV)，選擇當前節(jié)點和相鄰節(jié)點的連線在當前節(jié)點和目的節(jié)點連線上的投影較長的鄰居節(jié)點作為下一跳。結(jié)果表明，PA-AODV與文獻[40]提出的協(xié)議相比，在速度更高的情況下，包傳遞率提高3%，說明PA-AODV可以適應(yīng)高速的VANET環(huán)境。與以上文獻不同的是，2019年，Amiri等[43]首次依據(jù)信號強度來選擇下一跳節(jié)點，采取TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)選擇最佳鄰居發(fā)送RREQ。目的節(jié)點從所有接收的路由中使用模糊算法選擇最佳路由。與傳統(tǒng)AODV相比，速度在45 m/s時，鏈路故障率減少20%，與PA-AODV相比，速度在50 m/s時，包傳遞率提升3%。因此，該方案可以提供更低的鏈路故障率和更高的吞吐量。

2.2 借助RSU的路由選擇

2013年，Iqbal等[44]在VANET環(huán)境中引入RSU進行數(shù)據(jù)傳輸。源節(jié)點將數(shù)據(jù)包傳給RSU后，該RSU馬上向靠近目的地的下一個RSU發(fā)送數(shù)據(jù)包，若RSU通信范圍內(nèi)沒有目的地節(jié)點，則立即將其移交給靠近目的地的節(jié)點。結(jié)果表明，速度為60 km/h時，鏈路故障率減少8%，但鏈路持續(xù)時間始終低于AODV協(xié)議。因此，為了在保持路由穩(wěn)定性的同時增加鏈路持續(xù)時間，2016年，Liu等[45]根據(jù)改進的分水嶺算法，識別每個RSU平均連通性最高的覆蓋區(qū)域，隨后根據(jù)車輛位置，在連通性較高的路段內(nèi)限制廣播RREQ。仿真結(jié)果表明，該方法能夠保持較低的包丟失率，并且鏈路持續(xù)時間高于文獻[44]，從而降低開銷。為了判定基于RSU輔助轉(zhuǎn)發(fā)的路由協(xié)議的性能，2018年，Marchang 等[46]研究表明，雖然路由穩(wěn)定性會提高，但不建議完全依賴RSU來進行路由發(fā)現(xiàn)，因為鏈路故障、鏈路重建的可能性很高，重新建立鏈接容易導(dǎo)致開銷增大。

目前，針對AODV穩(wěn)定性的改進主要是在兩個方面進行：①借助車輛的網(wǎng)絡(luò)信息，比如速度、密度和移動方向等來發(fā)現(xiàn)路由。從最初研究的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性逐漸發(fā)展到動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，近些年又考慮路由跳數(shù)、信號強度來選擇下一跳節(jié)點，使其更適用于VANET環(huán)境；②借助RSU來發(fā)現(xiàn)路由，主要是通過RSU傳輸數(shù)據(jù)到固定方向的節(jié)點，從而提供更穩(wěn)定的路由，但這種方法容易導(dǎo)致鏈路故障而產(chǎn)生較大開銷，而且未來隨著5G技術(shù)的發(fā)展，D2D通信會逐漸取代RSU，所以不建議完全使用RSU來發(fā)現(xiàn)路由。

3 針對傳輸延遲的研究

AODV不需要周期性廣播路由控制信息，對拓撲結(jié)構(gòu)變化適應(yīng)性強，但是延遲較高，文獻[47]指出，VANET對于安全信息的要求是實時的。因此，縮短時延是AODV協(xié)議的改進重點。

3.1 針對傳輸延遲的AODV路由發(fā)現(xiàn)

2010年，Li等[48]將RREQ包和數(shù)據(jù)包放在同一個包內(nèi)，并使用消息類型區(qū)分。為了轉(zhuǎn)發(fā)安全，中間節(jié)點收到一個分組后，先查看RREQ包，如果發(fā)現(xiàn)自己是目的節(jié)點，則可以查看數(shù)據(jù)包：如果發(fā)現(xiàn)自己不是目的節(jié)點，禁止查看數(shù)據(jù)包，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一個節(jié)點，直到找到目的節(jié)點為止。文獻[48]給出了800 m內(nèi)節(jié)點數(shù)從5～30之間的延遲曲線，兩種協(xié)議的延遲曲線波動基本一致。對于AODV協(xié)議，最小延遲為0.013 s，最大延遲為0.04 s，對于改進的AODV協(xié)議，最小延遲為0.008 s，最大延遲為0.027 s，但延遲減少的同時也降低了可靠性。因此，2012年，夏梓峻等[49]不僅改進了路由發(fā)現(xiàn)機制，而且改進了路由維護機制，并利用車輛網(wǎng)絡(luò)信息來預(yù)測路由斷開時間：在路由發(fā)現(xiàn)階段，將路由斷開時間最大的路由作為主要路由；在路由維護階段，設(shè)置定時器，在路由斷開時間之前尋找新路由，減少路徑搜尋時間。結(jié)果表明，35 km內(nèi)車輛數(shù)為300，車輛速度在15～30 km/h 時，傳輸延遲減少48%。上述機制并沒有考慮鏈路的持續(xù)時間，雖然路由斷開之前會尋找新路由，但重復(fù)的斷開會造成額外的延遲增加。因此，2019年，陳芙蓉等[50]在車輛分簇基礎(chǔ)上采用Dijkstra算法，以減少傳輸延遲和鏈路中斷為優(yōu)化目標，找到源節(jié)點和目的節(jié)點之間的VANET網(wǎng)絡(luò)連通概率最大的路徑為最優(yōu)路徑，作為AODV協(xié)議信息轉(zhuǎn)發(fā)的控制區(qū)域，并增加節(jié)點位置信息，對傳統(tǒng)的AODV協(xié)議進行改進。與文獻[49]仿真方式不同，該文獻規(guī)定每個節(jié)點速度為70 km/h，研究了4 km內(nèi)車輛數(shù)分別為24、48、72、120和144的時延和開銷。結(jié)果表明，隨著節(jié)點數(shù)增加，兩種方案的時延和開銷都隨之增大，但利用Dijkstra算法改進的協(xié)議只有簇頭節(jié)點參與，路由建立和維護時間更短。當節(jié)點數(shù)為96時，AODV協(xié)議的時延和開銷分別為1.5和7 ms，而改進后的協(xié)議為0.6和3 ms，分別減少66%和57%，延遲低，并且路由重建次數(shù)更少。

3.2 AODV與其他協(xié)議相結(jié)合的路由發(fā)現(xiàn)

2012年，Sutariya等[51]將AODV協(xié)議與DSR協(xié)議結(jié)合。由于DSR協(xié)議存在過多的反向路由，因此規(guī)定在RREQ包內(nèi)存放轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的地址，從而克服DSR協(xié)議的局限。在路由回復(fù)階段，規(guī)定每個源節(jié)點擁有到達目的節(jié)點的替代路由，從而在源節(jié)點與目的節(jié)點之間建立多條可用路由。因此，在AODV協(xié)議路由表中添加兩個函數(shù)，用于在路由表中添加和查找備選路由，并在路由表條目中添加一個字段作為標記，以檢查備份路徑。結(jié)果表明，1.5 km內(nèi)分布100個車輛節(jié)點時，端到端延遲減少32%，丟包率減少54%。因此，該方法不僅可以減少延遲，還會增強協(xié)議穩(wěn)定性。但文獻[51]是針對城市場景改進的AODV協(xié)議，現(xiàn)實世界中，道路拓撲對于城市和高速公路的不同區(qū)域是不同的。2018年，任春江等[52]對高速公路三車道場景進行研究，將AODV和DSDV相結(jié)合，形成混合式路由協(xié)議。首先，按照DSDV的操作標準，根據(jù)節(jié)點位置、平均速度和行駛方向周期性選擇最穩(wěn)定的鏈路，該條鏈路在這個周期內(nèi)被稱為主要路由；其次，當DADV無法找到目的節(jié)點路由時，按照AODV操作標準尋找路由，根據(jù)RREQ和RRPQ求出路由過期時間。文獻[52]采用5 km的單向三車道公路仿真，節(jié)點數(shù)分別為25、50、75、100和125，隨著節(jié)點數(shù)增多，混合式路由協(xié)議延遲均低于AODV協(xié)議，當節(jié)點數(shù)為100時，端到端延遲減少50%。

目前，針對傳輸延遲的改進主要有兩個方面：①單獨改進AODV的路由搜尋過程，早期研究將RREQ和數(shù)據(jù)包同一時間發(fā)送出去，后來的研究主要是對RREQ分類，不再統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，而是設(shè)置節(jié)點優(yōu)先級來決定轉(zhuǎn)發(fā)RREQ的順序；②與其他協(xié)議相結(jié)合的路由發(fā)現(xiàn)過程，主要是結(jié)合DSR協(xié)議和DSDV協(xié)議。與DSR協(xié)議結(jié)合，RREQ包內(nèi)存放下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的位置，并且在路由回復(fù)階段建立多種路由，主路由斷裂后可以及時更換路由，減少延遲；與DSDV協(xié)議結(jié)合，主路由經(jīng)DSDV協(xié)議周期性發(fā)現(xiàn)，當DSDV無法找到路由時，采取AODV來尋找路由，節(jié)點自適應(yīng)地在DSDV和AODV之間選擇。

4 BSP研究

文獻[53]指出，AODV協(xié)議盲目的泛洪轉(zhuǎn)發(fā)容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量冗余的RREQ包，從而引發(fā)BSP，而隨著車輛移動速度加快，拓撲結(jié)構(gòu)變化更加頻繁，頻繁的鏈路斷開會導(dǎo)致BSP更加嚴重。

4.1 控制RREQ轉(zhuǎn)發(fā)

2011年，Ding等[39]從路由發(fā)現(xiàn)和路由選擇兩個方面進行了優(yōu)化。在路由發(fā)現(xiàn)過程中，不再向所有鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，而是通過獲取鄰居節(jié)點的速度和方向，計算權(quán)重，選擇權(quán)重最高的鄰居轉(zhuǎn)發(fā)。因為并非所有的節(jié)點都轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息，所以減少了RREQ的擴散。如果源節(jié)點擁有到達目的節(jié)點的多條路由，則分別選擇到期時間最長和權(quán)重最高的路由。結(jié)果表明，隨著節(jié)點速度增加，RREQ的轉(zhuǎn)發(fā)將大大減少，當速度為35 km/h時，RREQ轉(zhuǎn)發(fā)量減少75%。雖然達到了預(yù)期目的，但計算邏輯較為復(fù)雜，需要考慮速度、方向甚至加速度來確定穩(wěn)定的路線。因此，為了簡化計算，2015年，Kabir等[54]僅通過路由表大小來決定是否轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。利用“縮放變量”和“概率”，縮放部分計算源節(jié)點和目的節(jié)點(u和v)之間共享相鄰節(jié)點的數(shù)量，并計算節(jié)點(u或v)不需要重新廣播消息的概率。當鄰居數(shù)量小于設(shè)定的值時，節(jié)點一定轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，當鄰居數(shù)量大于該值時，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的概率隨著鄰居數(shù)量的增多而降低，由于節(jié)點以特定概率轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息，所以與AODV相比，開銷大大降低。結(jié)果表明，速度為40 km/h，1 km內(nèi)節(jié)點數(shù)為50時，RREQ轉(zhuǎn)發(fā)量減少48%。雖然計算有所簡化，但相比于文獻[39]提出的算法，RREQ轉(zhuǎn)發(fā)量有所增加。為了簡化算法的同時進一步優(yōu)化性能，2017年，Mittal等[55]在文獻[54]基礎(chǔ)上修改了AODV的路由維護機制，利用“合并”和“共享”，相鄰節(jié)點進行HELLO信息合并，并且在特定間隔內(nèi)共享HELLO信息，所有節(jié)點在接收到HELLO信息后更新日志表中的一跳和兩跳相鄰節(jié)點，進而計算一跳和兩跳節(jié)點距離，從而在路由發(fā)現(xiàn)機制中向最近的節(jié)點發(fā)送RREQ消息，并且將RREP控制信息從最短路徑返回。仿真結(jié)果表明，同樣只考慮路由表大小，該方案提升了性能，其中在RREQ轉(zhuǎn)發(fā)方面，控制同樣的參數(shù)，RREQ轉(zhuǎn)發(fā)量比文獻[54]減少13%。

4.2 車輛分簇

2010年，Tian等[56]利用GPS提供的位置和方向信息，使用聚類算法生成簇頭，然后計算每輛車與簇頭之間的距離來將車輛劃分為簇，這一過程是周期性進行的。源節(jié)點有通信需求時，若源節(jié)點與目的節(jié)點在同一個簇內(nèi)，RREQ僅在屬于簇內(nèi)的節(jié)點內(nèi)傳輸，而不會傳到簇外的節(jié)點；如果源節(jié)點與目的節(jié)點不在同一個簇內(nèi)，但方向相同，則RREQ僅在目的節(jié)點的方向沿著集群傳播，不會傳給相反車道的節(jié)點。文獻[56]分析了聚類算法和AODV的開銷，得出在車輛速度25 km/h，不同車輛密度下，AODV比聚類方法的開銷更高。其中當車輛密度為50輛/km時，AODV開銷是聚類算法的2倍。但速度較低時，該算法的性能甚至不如AODV，如當速度為15m/s，密度為40輛/km時，聚類算法的開銷甚至是AODV的175%。為了彌補這個缺陷，2014年，Phate等[57]選擇簇頭的過程為：計算集群每個節(jié)點的擁塞狀態(tài)，具有最大擁塞的節(jié)點將成為簇頭，如果擁塞狀態(tài)相同，則選擇序列號較低的車輛作為簇頭。但由于VANET是頻繁變化的拓撲結(jié)構(gòu)，當簇頭移出集群或者新節(jié)點進入集群時，將重新選擇簇頭。當簇內(nèi)節(jié)點想要通信時，將向簇頭發(fā)送RREQ。簇頭首先在路由表尋找最新路徑，如果找到，則通信開始；如果沒有找到，將向周圍簇的簇頭廣播RREQ，直到到達具有目的地的簇，并由該簇頭傳送到目的地。如果中間簇頭找到了到目的地路由，將回復(fù)RREP。源簇頭和中間簇頭將該最新路徑存儲在其路由表中并開始通信。該方法可以在速度較低的情況下實現(xiàn)較好的傳輸率，仿真結(jié)果表明，該算法在速度為15 m/s，密度為40輛/km時，數(shù)據(jù)包傳輸率為AODV的113%。上述結(jié)果和文獻[56]形成互補。文獻[56-57]都是采用基本聚類算法選擇簇頭。2018年，Erganc等[58]采用概率聚類算法，規(guī)定簇內(nèi)節(jié)點距離簇頭最多只有兩跳，并且兩個簇頭之間最多只有兩跳，利用節(jié)點的鄰接性來控制開銷。仿真結(jié)果表明，該聚類算法在速度為30 km/h，密度50輛/km的情況下為AODV開銷的67%，比文獻[56-57]的開銷更低。

目前針對BSP的改進主要從以下兩個方面進行：①通過控制RREQ的轉(zhuǎn)發(fā)，改變AODV中泛洪轉(zhuǎn)發(fā)RREQ的方法，通過計算鄰居節(jié)點的車輛網(wǎng)絡(luò)信息、根據(jù)鄰居數(shù)量和根據(jù)RREQ包的數(shù)量等概率轉(zhuǎn)發(fā)RREQ；②將車輛分簇，主要根據(jù)GPS提供的網(wǎng)絡(luò)信息利用聚類算法生成簇頭；計算節(jié)點擁堵狀態(tài)，并且選擇最大擁堵的節(jié)點作為簇頭和根據(jù)網(wǎng)絡(luò)密度和節(jié)點鄰接性來生成簇頭。生成簇頭后，在簇內(nèi)進行傳播，若目的節(jié)點不在簇內(nèi)，則由簇頭轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點所在簇的簇頭，由簇頭轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。

5 展望

5G通信技術(shù)具有優(yōu)良的通信質(zhì)量、高傳輸速率和高可靠性，D2D通信、機器對機器(machine to machine，M2M)通信等正在逐步走向應(yīng)用。未來，D2D通信將取代RSU，VANET將不需要路邊設(shè)施[59]。在5G技術(shù)的扶持下，經(jīng)過上述措施改進的AODV協(xié)議在可靠性、延遲和BSP方面均有很大改善，然而要想大規(guī)模使用，仍需在以下幾個方面繼續(xù)改進。

5.1 路由穩(wěn)定性研究展望

1)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)信息通過加速度和GPS或北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(beidou navigation satellite system,BDS)信息，通過路徑預(yù)測可以得到比較穩(wěn)定的路由，但僅考慮這兩點不夠全面。未來考慮加入駕駛員行為習(xí)慣形成位置預(yù)測模型，設(shè)置時間間隔，根據(jù)模型預(yù)測車輛的未來節(jié)點位置，如果兩輛車在未來的一段時間間隔內(nèi)的距離在彼此通信范圍內(nèi)，那么兩個車輛節(jié)點將會有較穩(wěn)定的連接，從而進一步得出更加穩(wěn)定的路由。

2)針對路由穩(wěn)定性的改進，多數(shù)文獻僅考慮車輛信息，而忽略了信道衰減。一個節(jié)點收到的信號受到兩種衰減的影響：大規(guī)模的路徑損耗和多徑衰落。大規(guī)模的路徑損耗是由于長距離的信號傳輸而引起的能量信號的衰減；多徑衰落是發(fā)射端發(fā)送的信號在到達接收端之前會在不同障礙物反射多次，形成多條路徑，信號經(jīng)過衰減后在接收端疊加，相位接近時信號增強，相反時信號減弱，因此而產(chǎn)生的隨機信號強度變化。因此，信道衰減會導(dǎo)致信號強度變化，而信號強度變化會導(dǎo)致每個節(jié)點傳輸范圍變化，考慮固定的傳輸范圍無法獲取穩(wěn)定的路由，因此，在考慮路由穩(wěn)定性時，應(yīng)充分考慮信道衰減導(dǎo)致的動態(tài)節(jié)點傳輸范圍，選擇權(quán)重最高的路由傳輸。

3)考慮將借助車輛網(wǎng)絡(luò)信息的路由選擇和借助RSU的路由選擇方法結(jié)合起來，每個RSU擁有覆蓋范圍內(nèi)固定方向上節(jié)點的穩(wěn)定性排序，該排序可以根據(jù)車輛網(wǎng)絡(luò)信息和信道衰減信息來判定，在沒有RSU覆蓋的區(qū)域，采取借助網(wǎng)絡(luò)信息和信道衰減信息來決定路由選擇的方法，在有RSU覆蓋的區(qū)域，選擇擁有穩(wěn)定性排序的RSU來進行路由選擇。

5.2 傳輸延遲研究展望

1)發(fā)送RREQ到目的節(jié)點之后，目的節(jié)點選擇主路由，回復(fù)RREP，收到RREP的每一個節(jié)點再次周期性的向周圍發(fā)送RREQ，尋找到達目的節(jié)點的其它可用路由并存放在路由表中，主路由斷開之后及時采用備用路由，從而減少延遲。這是AODV協(xié)議與DSDV協(xié)議的另一種結(jié)合方法，與文獻[48]不同的是，該方法采用AODV協(xié)議尋找主路由，采用DSDV協(xié)議尋找備用路由，既可以保證AODV協(xié)議對拓撲結(jié)構(gòu)快速變化的適應(yīng)性，也可以降低AODV協(xié)議的延遲?；旌下酚蓞f(xié)議是未來研究方向之一。

2)無論采用單獨路由發(fā)現(xiàn)還是與其他協(xié)議相結(jié)合的路由發(fā)現(xiàn)方法，一個重要的方向就是引進備用路由機制。然而，備用路由機制并不完善，當主要路由失效后，無法保證備用路由一定有效，如果主要路由和備用路由都失效，不但沒有減少延遲，反而會增加延遲和開銷。因此，可以考慮采用多路徑機制選擇備用路由，該機制將網(wǎng)絡(luò)中一些分散的和相反的路徑碎片連接以獲得更多的路由，可在很大程度上減少延遲[60]。文獻[61]使用多路徑機制改進低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(low power lossy network routing protocol，RPL)，在可靠性提升的同時，延遲減少26%。因此考慮利用多路徑機制來改進AODV協(xié)議，同時由于多路徑機制優(yōu)點之一是在路由維護階段可以控制RREQ的轉(zhuǎn)發(fā)[14]，一定程度上也可以解決BSP。

5.3 BSP研究展望

1)多數(shù)研究通過限制每個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ包來達到目的。為了簡化路由算法、控制開銷，可以借鑒主動路由協(xié)議中的優(yōu)化狀態(tài)鏈路路由(optimized link state routing,OLSR)，設(shè)置多點中繼(multipoint relay,MPR)節(jié)點，源節(jié)點向所有一跳節(jié)點發(fā)送RREQ包，鄰居節(jié)點接收并處理信息，但只有源節(jié)點的MPR才轉(zhuǎn)發(fā)RREQ包，減少重復(fù)轉(zhuǎn)播的次數(shù)，這種混合路由協(xié)議可以作為未來研究方向之一。

2)將控制RREQ轉(zhuǎn)發(fā)和車輛分簇兩種改進方法相結(jié)合。先將車輛進行分簇，選擇簇頭時規(guī)定每個簇頭的通信范圍內(nèi)均存在其他簇頭。如果源節(jié)點和目的節(jié)點均在同一個簇內(nèi)，則不通過簇頭傳輸RREQ，而是按照常規(guī)方法控制RREQ轉(zhuǎn)發(fā)來傳輸；如果源節(jié)點和目的節(jié)點不在同一個簇內(nèi)，先將信息傳輸?shù)酱仡^，簇頭之間按照控制RREQ轉(zhuǎn)發(fā)的方式來傳輸，最終傳輸?shù)胶心康墓?jié)點的簇內(nèi)，協(xié)議結(jié)束。

3)目前為止，多數(shù)研究只是在路由發(fā)現(xiàn)過程中控制RREQ的轉(zhuǎn)發(fā)，路由維護和路由更新過程的研究相對較少。因為VANET節(jié)點快速移動，網(wǎng)絡(luò)中的大量路由需要維護，頻繁的全網(wǎng)泛洪來對路由進行控制，也會引發(fā)BSP[14]，因此有必要加大對路由維護和路由更新的研究。