車聯網穩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

隨著中國經濟社會的持續穩定發展，私人汽車的數量逐年增加。國家統計局的國民經濟和社會發展統計公報數據顯示，私人汽車保有量從2015年末的14399萬輛持續增長到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。隨著私人汽車數量的增多，行車安全和交通擁擠等問題日漸嚴重。根據國家統計局統計，近年來汽車交通事故發生的次數也在不斷增加，從2016年的145820起增長到2019年的159335起。車聯網概念的提出和發展為解決交通擁擠、行車效率和安全提供了一個有效辦法。

車聯網其實質就是通過通信技術把所有車輛的動態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用功能服務。車聯網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展提供支持和服務。

本文將從車聯網體系架構的網絡層入手，從車載自組網（VANET）的路由技術著手來分析連接的穩定性。因為路由協議是VANET最主要的技術，可以有效改善VANET通信的有效性和網絡連接的穩定性，穩定的網絡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境的路由選擇協議是保證車輛安全的必要步驟。

2 網絡架構

應用層就是車聯網與用戶的接口，根據用戶的需要需求，為用戶提供相應的需求服務，通過車載系統獲得實時交通狀況信息、車輛自身狀態情況和互聯網的網絡信息，從而來實現行駛車輛安全信息的有效發布和接收。

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

網絡層起著“承下啟上”的作用，一是把感知層傳遞過來的數據進行整合，二是向應用層提供信息傳輸的服務，完成車輛自組網以及多種異構網絡之間的通信。網絡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據傳遞的可靠性和完整性。VANET網絡結構如圖1所示。

圖1VANET網絡結構圖

本文車聯網網絡層研究基于車載自組網（VANET）的網絡構架。一部分是車輛間的通信V2V，另一部分是車輛與路側單元間通信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互聯互通。在VANET網絡構架下，V2V通信網絡的維護和穩定是網絡研究的核心問題。

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的穩定性

3.1 VANET的穩定性問題

VANET中的每個車輛都可以動態地充當移動節點或者是路由器，并且可以實現低成本的信息交換，VANET網絡通過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。由于不同的交通環境使得網絡拓撲結構會發生頻繁的變化，車輛提供穩定性的連接變成了一項具有挑戰性的任務。

網絡拓撲的穩定性是隨著車輛在同一方向繼續行駛時的2個因素的增加而降低的，分別是時間和速度。網絡拓撲的穩定性除了受到車輛驅動方向的影響還會受到車輛驅動速度、車輛的初始距離和車輛的密度的影響。其中車輛驅動速度的影響要小于車輛驅動方向的影響；車輛的初始距離會隨著初始距離的增大，而拓撲的穩定性就會變得越小；如果車輛的密度增加，拓撲結構保持得更穩定，就像城市道路密度大一樣的結構。

路由技術本質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，而且路由技術還會維護整條連通路徑上的各個路由轉發點（或者節點）的穩定性，能在提高連通路徑存在的時間同時，還降低了數據出錯的概率。

3.2 不同應用場景的穩定性

需要保持車聯網中的傳遞信息的穩定性，就要使得VANET的路由協議能夠根據不同的交通環境適應當前的應用場景。根據復雜的交通環境可以把車聯網的應用場景大致分為3類，分別是高速公路場景、城市場景和三維場景（包括了城市和郊區的高架橋和隧道等）。

高速路應用場景中，車輛節點在道路上行駛大多為直行道路，就是有少數彎道但是彎道度數變化較緩慢，車輛節點在高速上行駛時節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點移動速度和網絡拓撲變化都快，所以針對這種應用場景在選擇路由協議時為了確保穩定性，應該解決節點的經常性中斷和連接問題。

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

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

4 路由技術與穩定性

4.1 路由協議

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

4.1.1 基于拓撲的路由協議

基于拓撲的路由協議，按照協議來組建網絡，網絡中的每個節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點廣播路由信息，數據信息會沿著路由表中的路徑進行發送傳遞。根據路由協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式、反應式和混合式3類。

4.1.2 基于位置的路由協議

在基于位置的路由協議中，車輛節點會把速度、位置和方向等車輛信息打包成“HELLO”數據包的形式，這樣會在車輛節點周圍的一跳范圍內進行廣播告知鄰居節點車輛信息，并對路由表進行建立和更新。當網絡中的源節點需要向目標節點發送數據信息時，路由協議會首先考慮距離源節點的鄰居節點的位置信息和需要發送數據信息的目標節點的位置信息之間的遠近關系，依靠位置信息之間的遠近和不同路由轉發原則找到適合的鄰居節點作為源節點和目標節點之間的轉發節點。

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

4.1.3 基于電子地圖的路由協議

基于電子地圖的路由協議就是GPS或者北斗導航的定位技術和電子地圖技術，這兩種技術相結合。車輛節點可以通過電子地圖清楚知道正在行駛的交通道路環境狀況（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絡拓撲結構等信息，這樣在尋找傳遞信息路徑時可以根據這些信息找到一條穩定可靠延時小的通信鏈路。

4.1.4 基于分簇技術的路由協議

分簇技術會將網絡中的每個節點劃分到不同的簇里中去，根據不同的功能可以把簇分為簇頭、簇成員和網關節點[4]。

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

4.2 分簇技術

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

分級類型的拓撲結構有優點也有缺點，優點首先是網絡可以擁有更好的可擴充性，其次是網絡規模將不會受到限制和網絡的開銷變得較低，最后是很容易去實現節點的移動性管理和局部網絡的同步。缺點首先是如果需要維護分級的拓撲結構就需要選擇簇頭的算法，其次網絡中的節點間選擇出來的路由不一定是最優路由。分級類型的拓撲結構的缺點可以通過選擇和設計出合理的簇頭選擇算法從而減少為了穩定維護簇所需要的網絡開銷，還可以通過分布式的網關來優化路由。

4.3 不同應用場景穩定性與路由技術

4.3.1 高速路應用場景

在文獻[5]針對在高速路場景中車輛節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，而且每輛車輛節點的速度相差不大，所以網絡拓撲結構具有一定的穩定性。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議，是把先應式和反應式有機結合在一起應用到提出的路由協議中，屬于基于拓撲的路由協議。

4.3.2 城市道路應用場景

根據城市道路應用場景中，文獻[6]根據VANET中每個車輛節點具有高移動性、分布不均勻性、運動軌跡受限和網絡拓撲結構變化頻繁等特點，提出了2種屬于基于位置的路由協議和蟻群算法的結合的路由算法：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議（IDR）。

4.3.3 三維道路應用場景

在文獻[7]中針對在三維道路應用場景中的網絡拓撲的高動態性和陰影衰落等問題，研究出了基于鏈路可靠性的自適應路由算法來提升三維道路應用場景中的VANET里車輛節點的信息傳遞性能，文獻[7]是通過研究構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用場景高動態性通過修正算法來修正GPS數據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議和基于電子地圖的路由協議相結合。

5 總結

每個行駛環境都存在適合本身行駛環境的路由算法，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境下，車輛根據傳遞過來的信息智能切換路由協議，從而來確保網絡中信息傳遞的穩定性。這是對VANET未來的展望和期許，更加好的鏈路穩定性可以保證V2V的信息傳遞及時無誤，更加提升了車輛的行駛安全，具有更好的應用體驗。

為了更好地滿足穩定性的要求，可根據交通道路上的天眼系統來收集車輛密集度和交通環境信息，收集這些信息在通過短時交通流量分析來預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測出下一階段使用VANET的路由協議是哪一種。