文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)04-0016-04
0 引言
隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,城市車輛日益增長,,交通壓力迅速上升[1],,交通事故頻頻發(fā)生。為此,,迫切需要將現(xiàn)代技術(shù)引入交通系統(tǒng),,使得行駛?cè)烁踩⒊鲂懈憬?,交通更暢通,。移動自組織網(wǎng)絡(luò)MANET(Mobile Ad hoc Network)屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)的一類,該網(wǎng)絡(luò)可以不需要基礎(chǔ)設(shè)施,,或者僅需很少的基礎(chǔ)設(shè)施,,形成完全移動的網(wǎng)絡(luò)。MANETs(Mobile Ad hoc Networks)具有一些顯著的特性,,如動態(tài)拓?fù)?、有限的帶寬、有限的能量等?/p>
車聯(lián)網(wǎng)VANETs(Vehicular Ad hoc Networks)屬MANETs中的特例,,具有一些獨特的特性,。VANETs主要由兩部分組成:車與車(Vehicle to Vehicle,V2V)和車與設(shè)施(Vehicle to Infrastructure,,V2I),,如圖1所示。VANETs作為一種特殊的自組織網(wǎng),,它依靠無線通信技術(shù)實現(xiàn)V2V以及V2I的通信,,使駕駛者能實時地知曉其他車輛部分信息和路況信息,,并預(yù)先采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p少和避免交通事故[2],。
與MANETs不同,,VANETs具有無限能量供應(yīng)、移動受道路模型限制以及定位等特性,。這些獨特的特性,,為實施VANETs內(nèi)的車間通信V2V和車與基礎(chǔ)設(shè)施V2I通信提出了挑戰(zhàn)。車輛的快速移動是VANETs網(wǎng)絡(luò)的最顯著特性之一,。節(jié)點的快速移動,,導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不定,這為部署VANETs帶來許多技術(shù)挑戰(zhàn)[3],。尤其路由技術(shù)面臨著諸多問題,。由于節(jié)點的移動,使得節(jié)點間的通信鏈路持續(xù)時間短,、穩(wěn)定性差,,從而增加數(shù)據(jù)的丟失率,增大了數(shù)據(jù)傳輸時延,。
為此,,本文在介紹VANETs特性和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上,綜述了現(xiàn)有VANETs路由技術(shù)的特點,,并分析路由協(xié)議的未來發(fā)展方向,。
1 VANETs的特性和應(yīng)用
1.1 VANETs的特性
與傳統(tǒng)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)MANET相比,VANETs具有如下特性:
(1)車輛頻繁的移動性
在VANETs中,,車輛一直在移動,,除了偶爾的臨時停車外。在不同的節(jié)點移動模型(Mobility model)中,,即便是相同的VANETs算法,,其性能也會迥然不同。
(2)車輛運動模式局限性
在VANETs中,,車輛的運動模式受道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),、周邊的環(huán)境以及交通規(guī)則等多個客觀因素影響。從另一個角度來說,,受限的運動模式使得車輛的運動軌跡具有一定的規(guī)律性和預(yù)測性。
(3)車輛移動的高速性
在高速公路行駛的車輛其速度近100 km/h,;當(dāng)兩車相向而行時,,他們的相對速度就近200 km/h。因此,,車輛間的交互時間非常短,,通信窗口就很短,。
(4)通信數(shù)據(jù)的多樣性
由于車輛裝載的傳感器型號的多樣化,促使通信數(shù)據(jù)種類豐富多樣,。這也為各類數(shù)據(jù)間進(jìn)行數(shù)據(jù)融合提供了條件,。同時,各類的傳感數(shù)據(jù)使得系統(tǒng)設(shè)計具有更大的靈活性,。
(5)計算,、存儲能力的強大性
與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比,VANETs的車輛均裝載了許多硬件設(shè)備,,實現(xiàn)密鑰的存儲,、加密解密的計算,并且可以記錄車輛位置,、速度和加速度等行駛信息,。這些特殊硬件設(shè)備為車輛提供了強大的計算能力以及大容量的存儲空間。
(6)基礎(chǔ)設(shè)施的輔助性
在構(gòu)建VANETs網(wǎng)絡(luò)時,,經(jīng)常在某些地區(qū)或重要位置區(qū)域設(shè)立一定數(shù)量功能的路邊基礎(chǔ)設(shè)施,,承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)接入點的功能,為VANETs中的車輛提供服務(wù),。通常,,隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展以及其覆蓋區(qū)域面積的擴大,基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量也隨之增加,。
1.2 VANETs應(yīng)用
作為智能交通系統(tǒng)應(yīng)用之一的VANETs,,隨著系統(tǒng)功能不斷完善以及基礎(chǔ)設(shè)施的逐步加強,其應(yīng)用研究范圍也隨之不斷延深,,如圖2所示,。從最初的保障車輛行駛安全到現(xiàn)在的改善交通管理、提升駕車環(huán)境,,其應(yīng)用在不斷地拓展,。
VANETs應(yīng)用可分以下兩類:
(1)安全相關(guān)的應(yīng)用,如碰撞避免,、輔助駕駛和交通流量優(yōu)化等,。如利用車輛間相互交換狀態(tài)信息提前通知司機,使得司機能根據(jù)情況做出及時,、適當(dāng)?shù)鸟{駛行為,,尤其是得知前面的車輛發(fā)生了事故后面的車輛來不及緊急剎車,造成一系列的連鎖碰撞現(xiàn)象,,可通過VANETs中的安全應(yīng)用進(jìn)行有效避免,。輔助駕駛是指幫助駕駛員快速、安全地通過“盲區(qū)”,,如高速公路出入口,、交通十字路口等,。交通流量優(yōu)化是指通過VANETs獲取實時的交通信息,綜合出與自身相關(guān)的車流量狀況,,從而更高效地決定路徑規(guī)劃,。
(2)其他應(yīng)用,如支付服務(wù)(如自動計費系統(tǒng)),、位置相關(guān)的服務(wù)(如路徑規(guī)劃,、找到最近的加油站)、信息服務(wù)(如Internet訪問)等,。這類應(yīng)用其主要目的是為乘客提供附加服務(wù),,享受娛樂、視頻點播,、汽車會議等,,如在線游戲和Internet接入等。
2 VANETs消息傳播機制
目前,,現(xiàn)有的VANETs消息傳播機制可分為三類:(1)基于地理位置(Position based)的消息傳播機制,;(2)基于拓?fù)?Topology based)的消息傳播機制;(3)基于廣播(Broadcast based)的消息傳播機制,。圖3列舉三類典型的路由方案,,并將各協(xié)議進(jìn)行歸類。
接下來,,分別分析這三類消息傳播機制的特點,。
2.1 基于位置的消息傳播機制
基于位置的消息傳播機制,源節(jié)點和目的節(jié)點利用它們的位置進(jìn)行通信,,根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點位置以及鄰居節(jié)點的位置選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑,。無需網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全局信息。在實施過程中,,可通過周期廣播的beacons進(jìn)行傳遞,,也可通過位置服務(wù)請求獲取。該類機制需利用全球定位系統(tǒng)GPS獲取節(jié)點的位置信息,,典型的基于位置的消息傳播機制有GPSR,、DREAM[6-7]。
KARP B等人于2000年首次提出GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)[5]消息傳播機制,。在GPSR機制中,,源節(jié)點利用鄰居節(jié)點的位置計算鄰居節(jié)點離目標(biāo)節(jié)點距離,并依據(jù)距離信息決策下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,。離目標(biāo)節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,,如圖4所示,源節(jié)點S向目標(biāo)節(jié)點D發(fā)送消息,。為此,,源節(jié)點S向鄰居節(jié)點A、C,、B發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)請求,,鄰居節(jié)點A、C,、B收到后,,回復(fù)自己的位置信息。源節(jié)點S收到來自鄰居節(jié)點的消息后,,依據(jù)鄰居節(jié)點的位置,,計算離目標(biāo)節(jié)點的距離,選擇離目標(biāo)節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,,即節(jié)點B,。
基于位置的消息傳播機制在消息傳播過程中,無需網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?,僅基于鄰居節(jié)點及目標(biāo)節(jié)點的位置信息,。該類機制的優(yōu)/缺點如下。
(1)優(yōu)點:在節(jié)點高速移動的環(huán)境中,,具有高的性能,。能夠應(yīng)對車輛的快速移動;無需源節(jié)點至目的節(jié)點的全局路由,,降低了系統(tǒng)的處理開銷,;更適應(yīng)節(jié)點分布式環(huán)境。
(2)缺點:需要GPS提供位置,,一旦GPS不能正常工作,,可能會導(dǎo)致消息傳播機制失效;道路障礙物影響距離的計算,;需beacon包,。
2.2 基于拓?fù)涞南鞑C制
基于拓?fù)涞南鞑C制在決策路由時,主要利用鏈路信息選擇從源節(jié)點至目的節(jié)點的消息傳播路徑,。如DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector)[8],、OLSR(Optimized Link State Routing)[9]屬典型的基于拓?fù)渎酚伞R罁?jù)工作方式,,基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議可進(jìn)一步分為先應(yīng)式(Proactive)和反應(yīng)式(Reactive)兩類,。
在先應(yīng)式路由協(xié)議中,每個節(jié)點先建立到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點的路由表,,并且實時對路由表進(jìn)行維護(hù),。先應(yīng)式路由協(xié)議采用預(yù)先建立路由表的策略,當(dāng)需要進(jìn)行傳遞數(shù)據(jù)包時,,只需進(jìn)行查表,,無需再進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn),,降低數(shù)據(jù)傳遞時延。但是,,在拓?fù)鋭討B(tài)變化的VANETs中,,預(yù)先建立路由表是非常困難的,開銷很大,。此外,,維護(hù)路由表的開銷也不容忽視。
與先應(yīng)式路由協(xié)議相比,,反應(yīng)式路由協(xié)議不是預(yù)先建立路由表,,而是當(dāng)節(jié)點需要數(shù)據(jù)傳輸時,才啟動路由發(fā)現(xiàn)工作,,并且節(jié)點只需建立到其他部分節(jié)點的路由表,,而不是像先應(yīng)式路由協(xié)議要建立所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的路由表。
DSR(Dynamic Source Routing)[11]和AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector)[13]屬經(jīng)典的基于拓?fù)渎酚蓞f(xié)議,。然而,,經(jīng)研究實證,DSR和AODV難以應(yīng)對VANETs內(nèi)節(jié)點的高速移動,。當(dāng)節(jié)點高速移動,,產(chǎn)生動態(tài)的拓?fù)洌泳廌SR和AODV收斂速度,,產(chǎn)生了大量的不可靠路由,,由此產(chǎn)生的開銷無法容忍。為此,,研究者提出一些改進(jìn)協(xié)議,。文獻(xiàn)[9]提出基于AODV的改進(jìn)路由協(xié)議PGB(Preferred Group Broadcasting)。盡管PGB方案通過降低轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量提高路由的穩(wěn)定性,,降低因路由發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的開銷,,但是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量的減少會增加延時。一旦PG為空時,,路由發(fā)現(xiàn)失敗,。
概括來說,基于拓?fù)鋬?yōu)/缺點如下:
(1)優(yōu)點:依據(jù)拓?fù)湫畔?,提供從源?jié)點至目的節(jié)點路由表,,降低了數(shù)據(jù)包傳遞時延;能夠發(fā)送單播,、組播及廣播類消息,;無需beacon包。
(2)缺點:由于需要路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù),增加了額外開銷,;由于依據(jù)拓?fù)湫畔⒔⒙酚?,難以應(yīng)對高速移動的車輛環(huán)境;會出現(xiàn)不必要的路由泛洪,。
2.3 基于廣播路由協(xié)議
廣播路由協(xié)議就是將數(shù)據(jù)包向通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點進(jìn)行傳遞,。最簡單的廣播方式就是泛洪。泛洪機制只適合節(jié)點數(shù)量較少的情況,,一旦節(jié)點數(shù)量較多時,多個節(jié)點同時廣播數(shù)據(jù),,相互競爭信道,,導(dǎo)致廣播風(fēng)暴問題。為此,,研究者提出眾多的基于泛洪的改進(jìn)策略,。
文獻(xiàn)[18]提出面向城市的多跳廣播UMB(Urban Multi-Hop)協(xié)議。UMB首先利用節(jié)點通信范圍及密度對道路分段,,并采用兩種模式傳遞數(shù)據(jù):定向廣播交叉口廣播,。在定向廣播模式中,首先引用鏈路層的RTB/CTB握手機制尋找道路中最遠(yuǎn)的鄰居節(jié)點,,再將此節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,。而在交叉口廣播模式中,先在交叉口裝設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)器,,利用轉(zhuǎn)發(fā)器向不同路段的鄰居節(jié)點進(jìn)行定向廣播,。可見,,UMB方案的實施是以電子地圖,、轉(zhuǎn)發(fā)器為前提條件。
文獻(xiàn)[19]提出了REAR(Receipt Estimation Alarm Routing)方案,。REAR方案先利用信標(biāo)消息實現(xiàn)節(jié)點間信息的交互,。一旦收到廣播數(shù)據(jù)包后,節(jié)點與鄰居節(jié)點進(jìn)行比較,,判決自己是否是最佳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,,若是,則繼續(xù)廣播數(shù)據(jù)包,,否則由鄰居節(jié)點承擔(dān)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),。
文獻(xiàn)[20]提出基于退火算法的多跳車輛廣播MHVB(Multi-Hop Vehicular Broadcast)方案。MHVB首先利用退火算法計算退火區(qū)域,。處于退火區(qū)域內(nèi)的節(jié)點無需繼續(xù)廣播數(shù)據(jù)包,。接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點采用交通擁塞檢測算法計算需等待多久方可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,在時間未到之前,就處于等待狀態(tài),。如果交通擁塞,,需延長等待時間。
文獻(xiàn)[21]針對緊急消息廣播,,提出了BROADCOMM方案,。BROADCOMM先依據(jù)MAC層協(xié)議的傳輸距離將高速公路劃分多個虛擬的區(qū)域。處于區(qū)域中心位置或臨近中心位置的節(jié)點作為該區(qū)域的Reflector節(jié)點,。Reflector節(jié)點承擔(dān)與鄰居Reflector節(jié)點的通信,,控制數(shù)據(jù)包的廣播,并管理區(qū)域內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)包的接收,、發(fā)送,。
文獻(xiàn)[22]提出CAID方案。在CAID方案中,,持有數(shù)據(jù)包的節(jié)點在選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時,,先計算鄰居節(jié)點與數(shù)據(jù)包的相關(guān)性,將具有最大相關(guān)性的節(jié)點作為最佳下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,。相關(guān)性包括數(shù)據(jù)包的相關(guān)性(如產(chǎn)生時間),、車輛相關(guān)性(如車速)以及信息相關(guān)性。
上述廣播方案的特點總結(jié)如表1所示,。
此外,,在設(shè)計廣播協(xié)議時,應(yīng)考慮到達(dá)率Reachability,、時延Delay,、平均開銷Overhead以及碰撞率Collison 4個參數(shù),可分別按式(1)~式(4)進(jìn)行計算,。
其中N為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點數(shù),,L為最大傳輸距離,R為廣播次數(shù),。Ri表示第i輪廣播,。分別表示源節(jié)點在第i輪廣播產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的時刻、網(wǎng)絡(luò)中最后一個節(jié)點收到數(shù)據(jù)包的時刻,。Mi表示在第i輪廣播中轉(zhuǎn)發(fā)了數(shù)據(jù)包的節(jié)點數(shù),,Ki表示在第i輪廣播中收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點數(shù),Ci表示在第i輪廣播中發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞的次數(shù),。
3 總結(jié)與展望
表2分別從應(yīng)用場景,、電子地圖需求、路由恢復(fù)策略以及轉(zhuǎn)發(fā)模式四個方面對路由協(xié)議進(jìn)行總結(jié)和比較,。從表2可知,,不同的路由協(xié)議應(yīng)用場景不一,,解決問題的出發(fā)點也各不相同。
從分析結(jié)果可知,,VANETs中的路由協(xié)議應(yīng)對車輛的快速移動具有魯棒性,,必須具有自適應(yīng)能力,同時控制開銷少,、可擴展性強,。下面在分析各類路由協(xié)議的基礎(chǔ)上,預(yù)測VANETs路由協(xié)議的發(fā)展方向,。
(1)魯棒性
現(xiàn)有的路由協(xié)議的前提條件過于理想化,,在實際環(huán)境中,難以實現(xiàn)這些條件,。此外,,VANETs內(nèi)一些不確定因素對路由協(xié)議的穩(wěn)定性提出挑戰(zhàn)。因此,,路由協(xié)議的魯棒性必須考慮。
(2)安全性
現(xiàn)有的路由協(xié)議僅追求路由性能,,未考慮路由協(xié)議的安全需求,,包括用戶數(shù)據(jù)授權(quán)、隱私保護(hù)以及通信安全,。因此,,如何在路由協(xié)議中引入安全保障是亟待解決的問題。
(3)仿真平臺統(tǒng)一性
現(xiàn)有的VANETs路由協(xié)議實驗仿真平臺各不相同,,未統(tǒng)一,,并且一些路由協(xié)議的道路結(jié)構(gòu)、車輛移動模型過于簡單,,設(shè)定的實驗仿真場景與實際場景差異較大,。因此,需進(jìn)一步研究VANETs路由協(xié)議的仿真平臺,。
總體之言,,國內(nèi)外的研究人員針對VANETs不同場景提出了眾多的VANETs路由協(xié)議,然而,,在VANETs路由協(xié)議研究領(lǐng)域中,,仍存在許多問題需解決。
參考文獻(xiàn)
[1] ZEADALLY S,,HUNT R,,CHEN Y S,et al.Vehicular ad hoc networks(VANETS):status,,results and challenges[J].Science Business Media,,2010,,3(6):23-39.
[2] 李元振,廖建新,,李彤紅.城市場景車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)競爭轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)鍵參數(shù)分析[J].電子學(xué)報,,2011,38(5):1154-1158.
[3] LEE J H,,CHILMAKURTI N.Performance analysis of PMIPv6based network mobility for intelligent transportation systems[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology,,2011:23-32.
[4] CHAN E,LI W.Two-step joint scheduling scheme for roadside units(RSUs)-based Vehicular Ad Hoc Networks(VANETs)[C].Databse System for Advanced Application (DAS-FAA’2011),,2011:569-574.
[5] KARP B,,KUNG H.Greedy perimeter stateless routing for wireless networks[C].Proceedings of ACM International Conference on Mobile Computing and Networking,2000:243-254.
[6] BASAGNI S,,CHLAMTAC I,,SYROTIUK V,et al.A dis-tance routing effect algorithm for mobility(DREAM)[C].In Proceedings of ACM International Conference on Mobile Computing and Networking,,2008:76-84.
[7] HAAS Z,,PEARLMAN M.The performance of query controlschemes for the zone routing protocol[J].ACM/IEEE Trans.Net.,2012,,9(4):427-438.
[8] PERKINS C,,BHAGWAT P.Highly dynamic destination se-quenced distance vector routing(dsdv) for mobile computers[C].Comp.Commun.Rev.,Oct.2010:234-244.
[9] WEI R,,DONG Y N,,ZHAO H T.Improvement on location -based routing protocols in wireless mesh networks[J].Journalof Nanjing University of Posts and Telecommunications(Nat-ural Science), 2012,32(1):75-82.
[10] LI X,,CUTHBERT L.On-demand node-disjoint multipath routing in wireless ad hoc network[C].In Proceedings of the 29th Annual IEEE International Conference on Local Computer Networks(LCN04).Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2004, 419-420.
[11] JOHNSON D B,,MALTZ D A,HU Y C.The dynamic source routing protocol for mobile ad hoc networks[C].IETF MANET Working Group, Tech.Rep, February 2007: 34-42.
[12] CHAN E,,LI W.Two-step joint scheduling scheme for road side units(RSUs)-based Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)[C].Databse system for Advanced Application (DAS-FAA’2011), 2014:569-574.
[13] PERKINS C E,,BELDING E M,DAS S R.Ad hoc on-demand distance vector(aodv) routing.RFC Experimental 3561[EB/OL].(2013-07)[2014-11-10]:http://rfc.net/rfc3561.txt.
[14] 李昕,,李剛.基于網(wǎng)關(guān)信息素更新的MANET接人Inter-net開銷控制方法[J].電子學(xué)報,,2010, 38(4):870-874.
[15] 徐會彬, 夏超.VANETs路由綜述[J].計算機應(yīng)用研究,2013, 30(1):1-6.
[16] LIU K,LEE V C.RSU-based real-time data access in dynamic vehicular systems[J].Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 2010,56(6):3337-3347.
[17] RAHBAR H,NAIK K, NAYAK A.Dynamic time-stable geocast routing in vehicular ad hoc networks[C].Proceed-ings of the 9th IFIP Annual Mediterranean,2010:1-7.
[18] KORKMAZ G,,EKICI E,,OZGIINER F,et a1.Urban mul-ti-hop broadcast protocol for inter-vehicular communica-tion systems[C].Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Network,,Philadelphia:ACM Press,,2004:76-85.
[19] JIANG H, GUO H, CHEN L.Reliable and efficient alarmmessage routing in VANET[C].Proceedings of the 28th International Conference on Distributed Computing SystemsWorkshops,Beijing,,2008:186-191.
[20] OSAFUNE T,,LENARDI M.Multi-hop vehicular broadcast(MHvB)[C].Proceedings of the 6th International Conferenceon Telecommunications.Chengdu,,2005:757-760.
[21] DURRESI M,DURRESI A,,BAROLLI L.Emergency broad-cast protocol for inter-vehicle communications[C].Proceed-ings of the 11th International Conference on Parallel and Distributed Systems,,F(xiàn)ukuoka,2005:402-406.
[22] ADLER C,,EICHLER S,,KOSCH T,et a1.Serf-organized andcontext adaptive information diffusion in vehicular ad hocnetworks[C].Proceedings of the 3rd International Sympo- sium on Wireless Comunication Systems,,Valencia,,2006:307-311.