車載自組織網絡路由協議研究

【摘要】文章對VANET的研究必要性以及VANET的特性進行分析后，從消息內容、節點屬性和拓撲構造三個角度對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絡路由協議中常使用的實時信息及現有路由協議存在的問題，并給出了VANET進一步的研究方向。

【關鍵詞】車在網絡；路由協議；實時信息

車載自組織網絡（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建一個無線網絡來實現城市信息的有效傳遞，以便實現更好的城市移動媒體服務、及時的城市安全預警以及高效的城市交通管理。

據公安部交管局發布消息得知，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，對城市交通調度、安全預警等各方面提出許多要求，車載自組織網絡為這些問題的解決帶來了新的機遇。另外，VANET的代價遠遠低于網絡提供商提供的的無線網絡服務，可以實現較低廉的車載移動娛樂服務。

在一些特殊情況下，傳統網絡是不可用的，如2008年的汶川地震和2013年南方冰雹期間，大量的基礎設施遭到破壞，網絡癱瘓導致大量求救信息無法傳出。汽車數量劇增的時代智能傳輸設備的不斷優化為VANET的實時實現提供了可能性，VANET不完全依賴路邊基站的特性為災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的相關研究做了分類，第三部分分析了現有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。

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設施間的通信，車輛采用“攜帶-存儲-轉發”的方式進行消息傳輸。VANET表現出節點高移動性，網絡拓撲不穩定和節點自組織性等特性，在某些特殊情況下表現出機會性。組成網絡的車輛節點具有移動性、社會性，可以實現信息的實時獲取，如移動速度、當前位置、移動方向等。

在VANET中網絡的構成是靠移動節點完全自組織的，同時節點的移動收到城市布局的限制，再者網絡中傳輸的消息具有一些共性（如目的節點所在的區域），因此在進行VANET研究時可以將著重點集中于消息、網絡節點和拓撲三個方向，對于相關研究將在第二部分給予介紹。

節點信息的實時獲取對于實現啟發式和基于上下文的路由算法起著決定性作用，車輛現有的計算能力和感知設備為其實現提供了良好的條件。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。位置信息可描述節點的移動軌跡從而構建熱點區域等加速網絡中的消息路由；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，以輔助節點選取最好的下一條延遲節點。對于節點的速度及變化也可通過傳感器或者接口直接從車輛發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，使得移動節點可獲知城市道路拓普信息，在進行路由設計時可預先進行區域劃分，這對減少消息副本的洪泛式增長及提高節點資源利用率非常有效。即使GIS相關基礎設施設備不可用，也可以考慮通過GPS位置信息進行地理區域劃分，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目來控制網絡擁塞問題并實現較理想的數據傳輸。經典的洪泛路由策略Epidemic雖然能夠實現最大努力交付且實驗證明消息投遞率確實比較高，但隨時間的增長網絡中的消息副本數目爆炸式增長而造成網絡擁塞，這使得許多新消息無法得到傳輸，網絡性能開始下降，大量網絡資源被浪費。

改進的洪泛路由策略Rumor[1]通過設置“代理”數據包廣播少量的包含事件信息的數據副本，減少了網絡中數據包的副本數量，減少了數據包被丟棄的可能性，具有更小的傳輸延遲。基于編碼的路由方式能夠彌補傳統復制轉發式路由不能充分利用多播路由的缺點，基于網絡編碼的事件驅動路由NCMR[2]，使用HELLO包確定周邊節點的信息，根據局部拓撲信息節點計算確定最小有限域并進行向量先行無關的的局部編碼。NCMR采用線性的局部編碼，克服了傳統編碼方式對全局信息的依賴。

2.2 以節點為中心的VANET路由協議相關研究

該類路由策略主要考慮從節點的特性出發，如節點的成簇特性、社會性、延遲節點的分配和等級劃分等。基于節點相遇的ACR[3]引入蟻群算法的思想，節點在進行數據包轉發時會“釋放信息素”，進行消息轉發時會優先選擇信息素含量較多的節點中繼轉發。基于最近社交圈的CSCR[4]根據受社交關系影響的節點相遇構造簇相遇模型，將節點單位時間內遇到的移動節點的次數量化為節點的社會度，在進行消息路由時通過節點在簇相遇時競爭產生簇頭來提高網絡中消息傳遞的速率。

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

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，根據節點的穩定性粗略的將節點劃分等級，節點將消息轉發給根據局部節點屬性信息確定的最優候選節點集，在數據包投遞率、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，進而推算出網絡鏈路的可用性進行消息傳輸優化。

道路的數據傳輸延時可以近似當做網絡拓撲鏈路延時來進行車載自組織網絡路由設計。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發的DRIP路由協議，選擇更有可能靠近目標位置的車輛進行消息轉發。基于鏈路感知的LALO[8]根據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發方向，根據車輛運行方向與路徑轉發方向、車輛實際速度與車輛的平均速度兩種背離關系量化得到的鏈路穩定度三個方面構建了傳輸性能預測模型。具有十字路口模式、直路模式和接入點模式三種模式的LALO路由協議表現出良好的傳輸性能。

VANET中節點的移動與通信受地理環境限制，具有良好的連通性的區域安全性與可靠性可能很低，具備消息傳輸可用性的區域的可用時間太短不足以順利實現消息傳輸。可靠的地圖路由協議RMR[9]由可靠地圖管理、評估與信息轉發，可靠路由發現，鄰居發現三部分組成，節點會選擇具有更高可靠度與可信任度的地理區域中的節點作為“最好”節點群進行消息轉發，在傳輸成功率與傳輸延時上表現良好，同時在路由開銷上有很大的提升，表現出較好的可靠性。

車輛速度、密度等能夠彌補地理路由協議的不足，基于位置和連通性的PCAR[10]由錨節點序列選取、擴展的貪心算法和路由恢復三部分組成，將岔路口抽象為錨點，根據依賴于道路長于和路上節點密度求出的道路權值選擇錨點序列，在直道上采用貪心算法向臨時目的錨節點傳輸數據，性能表現良好。

3.VANET中信息使用與存在問題

為更好地路由消息，研究者使用節點所能獲取的信息進行有效計算，消息中包含目的節點的id或者位置，通過目的節點的信息可以推算出目的區域，對具有同一目的區域的消息采用相同的方式進行傳輸；對于具有規律內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。

消息傳輸的主體是移動節點，因而節點屬性制約并保證了VANET消息傳輸的性能。節點的屬性包括位置、速度、加速度、移動方向、歷史軌跡、鄰居數目、常駐區域、親友節點、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點的選取和消息的傳輸轉發。地理拓撲信息包括道路分布、道路節點密度、道路傳輸延遲、障礙存在情況、十字路口信息、基站分布等，這些信息可以轉化為網絡拓普信息，通過拓普信息的獲取與計算分析可以進行區域劃分與路徑選取以實現良好的消息傳輸。由于VANET是靠移動節點自組織構成的，因而不能采用傳統網絡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路由是解決VANET路由的有效方案。

現有VANET路由協議中存在一些問題，這也使得對其進一步研究存在可能性。許多方案使用GIS在災難發生時是不可取的，如何進行動態模擬的地理拓撲獲取與構建是未來的一個研究方向。許多路由協議從節點的某幾個屬性進行計算得出節點優先級或道路的延遲以進行消息傳輸優化，這并沒有充分利用節點的信息收集與計算能力，如何實現一種綜合屬性的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合是未來的一個研究熱點。

4.總結

VANET具有自組織性切不依賴傳統網絡和基礎設施，是實現智慧城市中的交通管理和應對災難中的信息傳輸很好的選擇，實時信息的使用對于優化VANET路由方案有很好的效果。從消息內容、節點屬性和拓撲信息三角度出發的路由方案能夠實現很好的消息傳輸，但仍存在一些問題，值得進一步的挖掘和深入研究。

參考文獻

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