車聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定性的路由選擇綜述

叢 昊，黃 操，李學明

（西藏民族大學，陜西 咸陽712082）

1 研究背景

隨著中國經(jīng)濟社會的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，私人汽車的數(shù)量逐年增加。國家統(tǒng)計局的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報數(shù)據(jù)顯示，私人汽車保有量從2015年末的14399萬輛持續(xù)增長到2020年末的24393萬輛，5年時間私人汽車保有量增長了將近1億輛。隨著私人汽車數(shù)量的增多，行車安全和交通擁擠等問題日漸嚴重。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，近年來汽車交通事故發(fā)生的次數(shù)也在不斷增加，從2016年的145820起增長到2019年的159335起。車聯(lián)網(wǎng)概念的提出和發(fā)展為解決交通擁擠、行車效率和安全提供了一個有效辦法。

車聯(lián)網(wǎng)其實質(zhì)就是通過通信技術(shù)把所有車輛的動態(tài)信息在車間或者在云平臺下進行快速和有效的分析整合，為不同的車輛提供有效可靠的應(yīng)用功能服務(wù)。車聯(lián)網(wǎng)不僅能提高行車效率、降低交通事故率，還能為智能自動駕駛的發(fā)展提供支持和服務(wù)。

本文將從車聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)層入手，從車載自組網(wǎng)（VANET）的路由技術(shù)著手來分析連接的穩(wěn)定性。因為路由協(xié)議是VANET最主要的技術(shù)，可以有效改善VANET通信的有效性和網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接是確保行車安全和避免交通擁堵的重要前提，選擇適合當前交通環(huán)境的路由選擇協(xié)議是保證車輛安全的必要步驟。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

應(yīng)用層就是車聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，根據(jù)用戶的需要需求，為用戶提供相應(yīng)的需求服務(wù)，通過車載系統(tǒng)獲得實時交通狀況信息、車輛自身狀態(tài)情況和互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)信息，從而來實現(xiàn)行駛車輛安全信息的有效發(fā)布和接收。

感知層是由傳感器、傳感器網(wǎng)關(guān)和傳感器網(wǎng)絡(luò)3個部分組成。主要是通過車載傳感器和路側(cè)傳感器來感知物體和采集信息，在由傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)關(guān)把車輛信息和交通信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)層或者是網(wǎng)絡(luò)中的其他單元進行資源共享和信息的交互與傳輸。

網(wǎng)絡(luò)層起著“承下啟上”的作用，一是把感知層傳遞過來的數(shù)據(jù)進行整合，二是向應(yīng)用層提供信息傳輸?shù)姆?wù)，完成車輛自組網(wǎng)以及多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。網(wǎng)絡(luò)層最主要的是負責信息的傳遞，提供不同的路由機制和差錯控制機制用來確保數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和完整性。VANET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1VANET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本文車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層研究基于車載自組網(wǎng)（VANET）的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。一部分是車輛間的通信V2V，另一部分是車輛與路側(cè)單元間通信V2I[1]。

V2V是車輛上帶有OBU可以使得車輛之間通過單跳或者多跳的方式實現(xiàn)互聯(lián)互通。在VANET網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下，V2V通信網(wǎng)絡(luò)的維護和穩(wěn)定是網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題。

V2I是車載單元（OBU）與路測單元（RSU）間建立起通信連接。主要做兩種工作，一方面負責OBU的接入工作，另一方面還要與控制中心進行相連工作。

3VANET的穩(wěn)定性

3.1 VANET的穩(wěn)定性問題

VANET中的每個車輛都可以動態(tài)地充當移動節(jié)點或者是路由器，并且可以實現(xiàn)低成本的信息交換，VANET網(wǎng)絡(luò)通過V2V和V2I為車輛提供了實時交通信息。事實上，多跳路由協(xié)議[2]的目標是為車輛相互通信提供一種有效的通信機制。由于不同的交通環(huán)境使得網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)會發(fā)生頻繁的變化，車輛提供穩(wěn)定性的連接變成了一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)拓撲的穩(wěn)定性是隨著車輛在同一方向繼續(xù)行駛時的2個因素的增加而降低的，分別是時間和速度。網(wǎng)絡(luò)拓撲的穩(wěn)定性除了受到車輛驅(qū)動方向的影響還會受到車輛驅(qū)動速度、車輛的初始距離和車輛的密度的影響。其中車輛驅(qū)動速度的影響要小于車輛驅(qū)動方向的影響；車輛的初始距離會隨著初始距離的增大，而拓撲的穩(wěn)定性就會變得越?。蝗绻囕v的密度增加，拓撲結(jié)構(gòu)保持得更穩(wěn)定，就像城市道路密度大一樣的結(jié)構(gòu)。

路由技術(shù)本質(zhì)是找到一條合適的路徑或者路由代價小的路徑把信息從信源傳遞到信宿，而且路由技術(shù)還會維護整條連通路徑上的各個路由轉(zhuǎn)發(fā)點（或者節(jié)點）的穩(wěn)定性，能在提高連通路徑存在的時間同時，還降低了數(shù)據(jù)出錯的概率。

3.2 不同應(yīng)用場景的穩(wěn)定性

需要保持車聯(lián)網(wǎng)中的傳遞信息的穩(wěn)定性，就要使得VANET的路由協(xié)議能夠根據(jù)不同的交通環(huán)境適應(yīng)當前的應(yīng)用場景。根據(jù)復(fù)雜的交通環(huán)境可以把車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景大致分為3類，分別是高速公路場景、城市場景和三維場景（包括了城市和郊區(qū)的高架橋和隧道等）。

高速路應(yīng)用場景中，車輛節(jié)點在道路上行駛大多為直行道路，就是有少數(shù)彎道但是彎道度數(shù)變化較緩慢，車輛節(jié)點在高速上行駛時節(jié)點較長時間中較為稀疏或者有時就只有行駛車輛本身，而且在高速路行駛的車輛節(jié)點移動速度和網(wǎng)絡(luò)拓撲變化都快，所以針對這種應(yīng)用場景在選擇路由協(xié)議時為了確保穩(wěn)定性，應(yīng)該解決節(jié)點的經(jīng)常性中斷和連接問題。

城市道路應(yīng)用場景中有2個問題：①車輛節(jié)點本身就有移動性高和速度隨機等特點，這會使得VANET的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)頻繁的變化；②在城市中的車輛節(jié)點的運動軌跡會受到道路的交通環(huán)境、紅綠燈和城市道路的影響，造成了節(jié)點分布不均勻和通信鏈路連接不穩(wěn)定。為了確保信息傳遞的穩(wěn)定性，就要確保選擇路由協(xié)議時的靈活性，進而來確保路由算法的穩(wěn)定性。

三維道路應(yīng)用場景中，包括了高架橋和隧道等，會有以下問題：一是節(jié)點的拓撲分布結(jié)構(gòu)會由平面分布轉(zhuǎn)向多層分布，二是對網(wǎng)絡(luò)中信息傳遞的無線信號會出現(xiàn)遮擋，影響節(jié)點的信息傳遞范圍和通信模型。其實在三維道路應(yīng)用場景中的VANET車輛節(jié)點存在高動態(tài)性和分布復(fù)雜性，并且在場景中會出現(xiàn)嚴重的陰影遮擋損耗，這些因素都降低了路由算法的穩(wěn)定性，使得傳遞信息時鏈路中斷的概率增加。

4 路由技術(shù)與穩(wěn)定性

4.1 路由協(xié)議

針對車聯(lián)網(wǎng)的實際需求和不同的標準，大致上可以把VANET的路由協(xié)議分為4類：第一類是基于拓撲的路由協(xié)議，第二類是基于位置的路由協(xié)議，第三類是基于電子地圖的路由協(xié)議[3]，第四類是基于分簇技術(shù)的路由協(xié)議。

4.1.1 基于拓撲的路由協(xié)議

基于拓撲的路由協(xié)議，按照協(xié)議來組建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點為了維持更新和組建各自的路由表通過向周圍在可以一跳的節(jié)點廣播路由信息，數(shù)據(jù)信息會沿著路由表中的路徑進行發(fā)送傳遞。根據(jù)路由協(xié)議是主動建立路由信息列表還是被動地接收建立路由信息列表可以分為先應(yīng)式、反應(yīng)式和混合式3類。

4.1.2 基于位置的路由協(xié)議

在基于位置的路由協(xié)議中，車輛節(jié)點會把速度、位置和方向等車輛信息打包成“HELLO”數(shù)據(jù)包的形式，這樣會在車輛節(jié)點周圍的一跳范圍內(nèi)進行廣播告知鄰居節(jié)點車輛信息，并對路由表進行建立和更新。當網(wǎng)絡(luò)中的源節(jié)點需要向目標節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，路由協(xié)議會首先考慮距離源節(jié)點的鄰居節(jié)點的位置信息和需要發(fā)送數(shù)據(jù)信息的目標節(jié)點的位置信息之間的遠近關(guān)系，依靠位置信息之間的遠近和不同路由轉(zhuǎn)發(fā)原則找到適合的鄰居節(jié)點作為源節(jié)點和目標節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

而基于位置的路由協(xié)議有會根據(jù)在尋找通信路徑過程里有無特殊的節(jié)點需要設(shè)置可以分為2類：一類是有錨點的路由協(xié)議，另一類是無錨點的路由協(xié)議。

4.1.3 基于電子地圖的路由協(xié)議

基于電子地圖的路由協(xié)議就是GPS或者北斗導航的定位技術(shù)和電子地圖技術(shù)，這兩種技術(shù)相結(jié)合。車輛節(jié)點可以通過電子地圖清楚知道正在行駛的交通道路環(huán)境狀況（城市的路口分布、車流量密度、交通擁塞度等）和傳遞信息路徑的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等信息，這樣在尋找傳遞信息路徑時可以根據(jù)這些信息找到一條穩(wěn)定可靠延時小的通信鏈路。

4.1.4 基于分簇技術(shù)的路由協(xié)議

分簇技術(shù)會將網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點劃分到不同的簇里中去，根據(jù)不同的功能可以把簇分為簇頭、簇成員和網(wǎng)關(guān)節(jié)點[4]。

在分簇技術(shù)中最重要的是簇頭，最主要的功能是：①負責管理整合整個簇內(nèi)信息與路測單元實時信息傳遞；②負責簇內(nèi)不同的簇內(nèi)節(jié)點之間的通信，簇頭會對資源和廣播需要的數(shù)據(jù)包進行實時合理的分配；③為了方便簇與簇這間的節(jié)點通信，簇頭會提供發(fā)現(xiàn)合適的路徑和路由信息。網(wǎng)關(guān)節(jié)點就是為了給相鄰的簇之間提供數(shù)據(jù)信息的傳輸和共享服務(wù)。而簇內(nèi)節(jié)點就是在簇中除了簇頭節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之外的其他車輛節(jié)點。簇的穩(wěn)定性和連通性是通過選擇簇頭來決定的，所以要保證網(wǎng)絡(luò)中的各個簇的穩(wěn)定信息傳遞簇頭是關(guān)鍵。

4.2 分簇技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有2類：一類是平面類型的拓撲結(jié)構(gòu)，另一類是分級類型的拓撲結(jié)構(gòu)。上面講到的路由技術(shù)是一個平面類型的拓撲結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)的特點是網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都有一樣的功能和處在同一層具有相同的，各個節(jié)點的傳遞信息完成通信是建立在相互合作和相互協(xié)同的基礎(chǔ)上，而且網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度相對較低。分簇技術(shù)（分簇算法）是一個分級類型的拓撲結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)的特點是網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度相對更高，把網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點按照不同的功能進行分類，簡化區(qū)分節(jié)點的功能利于結(jié)構(gòu)拓撲增加吞吐量、減少路由發(fā)現(xiàn)開銷和降低廣播風暴風險的出現(xiàn)。

分級類型的拓撲結(jié)構(gòu)有優(yōu)點也有缺點，優(yōu)點首先是網(wǎng)絡(luò)可以擁有更好的可擴充性，其次是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模將不會受到限制和網(wǎng)絡(luò)的開銷變得較低，最后是很容易去實現(xiàn)節(jié)點的移動性管理和局部網(wǎng)絡(luò)的同步。缺點首先是如果需要維護分級的拓撲結(jié)構(gòu)就需要選擇簇頭的算法，其次網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點間選擇出來的路由不一定是最優(yōu)路由。分級類型的拓撲結(jié)構(gòu)的缺點可以通過選擇和設(shè)計出合理的簇頭選擇算法從而減少為了穩(wěn)定維護簇所需要的網(wǎng)絡(luò)開銷，還可以通過分布式的網(wǎng)關(guān)來優(yōu)化路由。

4.3 不同應(yīng)用場景穩(wěn)定性與路由技術(shù)

4.3.1 高速路應(yīng)用場景

在文獻[5]針對在高速路場景中車輛節(jié)點雖然移動速度較快但是方向是同向，不會輕易地改變方向，而且每輛車輛節(jié)點的速度相差不大，所以網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性。任春江提出了一種在單向三車道高速公路場景下的路由協(xié)議，是把先應(yīng)式和反應(yīng)式有機結(jié)合在一起應(yīng)用到提出的路由協(xié)議中，屬于基于拓撲的路由協(xié)議。

4.3.2 城市道路應(yīng)用場景

根據(jù)城市道路應(yīng)用場景中，文獻[6]根據(jù)VANET中每個車輛節(jié)點具有高移動性、分布不均勻性、運動軌跡受限和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁等特點，提出了2種屬于基于位置的路由協(xié)議和蟻群算法的結(jié)合的路由算法：一種是基于公交車軌跡的以街道為中心的路由算法（BTSC），另一種是基于交叉路口車輛霧的分布式路由協(xié)議（IDR）。

4.3.3 三維道路應(yīng)用場景

在文獻[7]中針對在三維道路應(yīng)用場景中的網(wǎng)絡(luò)拓撲的高動態(tài)性和陰影衰落等問題，研究出了基于鏈路可靠性的自適應(yīng)路由算法來提升三維道路應(yīng)用場景中的VANET里車輛節(jié)點的信息傳遞性能，文獻[7]是通過研究構(gòu)建可靠的鏈路建模方法來對無線鏈路的性能進行刻畫和在三維應(yīng)用場景高動態(tài)性通過修正算法來修正GPS數(shù)據(jù)信息用來獲取精確的車輛位置和相鄰車輛的位置。屬于基于位置的路由協(xié)議和基于電子地圖的路由協(xié)議相結(jié)合。

5 總結(jié)

每個行駛環(huán)境都存在適合本身行駛環(huán)境的路由算法，每個車輛都不會長時間固定地行駛在同一種行駛環(huán)境下，是否可以通過路測單元對道路信息進行收集來告知車輛行駛在什么樣的交通環(huán)境下，車輛根據(jù)傳遞過來的信息智能切換路由協(xié)議，從而來確保網(wǎng)絡(luò)中信息傳遞的穩(wěn)定性。這是對VANET未來的展望和期許，更加好的鏈路穩(wěn)定性可以保證V2V的信息傳遞及時無誤，更加提升了車輛的行駛安全，具有更好的應(yīng)用體驗。

為了更好地滿足穩(wěn)定性的要求，可根據(jù)交通道路上的天眼系統(tǒng)來收集車輛密集度和交通環(huán)境信息，收集這些信息在通過短時交通流量分析來預(yù)測下一時段的交通流量，或者收集這些信息，通過收集通路信息通過路測單元傳遞給車輛，讓車輛所攜帶的計算機通過特定算法來預(yù)測出下一階段使用VANET的路由協(xié)議是哪一種。