車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究進(jìn)展與比較*

2013-07-01 18:11:37許富龍劉志建

電訊技術(shù) 2013年10期

許富龍,劉志建

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

許富龍**,劉志建

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

車載自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET)是一種新型移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。作為移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域,車載自組織網(wǎng)絡(luò)的間歇連通性使路由設(shè)計(jì)充滿挑戰(zhàn)。首先闡述了車載自組織網(wǎng)絡(luò)的主要特征和應(yīng)用;在對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上,詳細(xì)描述了一批有代表性的路由協(xié)議;對(duì)比和總結(jié)了各類路由協(xié)議的特點(diǎn),并提出相關(guān)研究建議,可為車載網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究提供一定的參考價(jià)值。

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò);車載自組織網(wǎng)絡(luò);路由協(xié)議;間歇連通

1 引言

近年來,隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和汽車信息化程度的不斷提高,車載自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET)應(yīng)運(yùn)而生。作為智能交通系統(tǒng)(ITS)的重要組成部分,車載自組織網(wǎng)絡(luò)是由道路上的車輛之間、車輛與固定接入點(diǎn)之間相互通信組成的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)槟軌蛱峁┌踩?、舒適、方便的駕駛環(huán)境,并能有效促進(jìn)交通運(yùn)輸效率的提高,車載自組織網(wǎng)絡(luò)有著廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值[1-2]。

路由技術(shù)是車載自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為各種應(yīng)用的基礎(chǔ),路由協(xié)議的好壞直接影響著車載自組織網(wǎng)絡(luò)的整體性能,因此是車載網(wǎng)絡(luò)研究的重要熱點(diǎn)問題。然而,車載自組織網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)浜陀纱藢?dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)間歇連通性,為路由協(xié)議設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。

當(dāng)前在世界范圍內(nèi),包括路由在內(nèi)的車載自組織網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問題研究受到各國研究機(jī)構(gòu)和科研人員的密切關(guān)注。在學(xué)術(shù)領(lǐng)域,著名的網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域國際會(huì)議如MobiCom、InfoCom等,都將車載自組織網(wǎng)絡(luò)列為一個(gè)重要的無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域,MobiCom甚至為此成立了專題討論會(huì)。隨著人們對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度的增加,相關(guān)的重要研究成果逐年增多,作為車載網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題的路由技術(shù)也取得了很大進(jìn)展,涌現(xiàn)出一些具有代表性的路由協(xié)議。

在國內(nèi),隨著科研水平的不斷提升以及國際學(xué)術(shù)活動(dòng)的增多,相關(guān)學(xué)者在車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由研究方面也取得了一些重要成果。但是從國內(nèi)期刊相關(guān)文章的發(fā)表情況來看,我們與國外相比仍有一定的差距,主要體現(xiàn)在對(duì)研究問題的認(rèn)識(shí)程度、研究深度以及創(chuàng)新性上的不足。為了促進(jìn)國內(nèi)車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究的不斷進(jìn)步,縮小在該領(lǐng)域與國外的差距,追蹤并總結(jié)車載組織網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的最新研究進(jìn)展很有必要。

本文其余內(nèi)容安排如下:第2節(jié)介紹車載自組織網(wǎng)絡(luò)的基本概念;第3節(jié)對(duì)車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行分類,著重介紹一些經(jīng)典的、有代表性的路由協(xié)議,并對(duì)協(xié)議進(jìn)行對(duì)比和分類總結(jié);第4節(jié)提出車載網(wǎng)絡(luò)路由研究建議;最后總結(jié)全文。

2 車載自組織網(wǎng)絡(luò)概述

2.1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)的概念

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是運(yùn)行于道路交通環(huán)境中的新型移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò),可提供交通事故預(yù)警、道路信息查詢、互聯(lián)網(wǎng)訪問等服務(wù),具有極高的應(yīng)用前景和價(jià)值。如圖1所示,車載自組織網(wǎng)絡(luò)是由行駛在道路網(wǎng)絡(luò)中的車輛組成的,各車輛節(jié)點(diǎn)之間利用DSRC (Dedicated Short Range Communication)技術(shù)進(jìn)行通信。

圖1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 An exemple of VANET

在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中,高速運(yùn)動(dòng)的車輛節(jié)點(diǎn)造成了高度動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)的間歇連通。為了增強(qiáng)連通性,同時(shí)出于實(shí)際應(yīng)用的需要,路邊固定節(jié)點(diǎn)成為車載自組織網(wǎng)絡(luò)中較常使用的一種輔助設(shè)施。因此,與其他移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)不同,車載自組織網(wǎng)絡(luò)中不僅存在車輛到車輛的通信(V2V),還可能存在車輛與路邊固定基礎(chǔ)設(shè)施的信息交互(V2I)。兩種通信方式中,V2V在鄰居車輛之間直接通信,具有組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn),但網(wǎng)絡(luò)的間歇連通會(huì)使V2V的性能受到影響。相比之下,V2I利用路邊固定設(shè)施和車輛通信,不但可用于互聯(lián)網(wǎng)接入、不停車收費(fèi)等應(yīng)用,而且能夠?yàn)檎麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟氩糠值撵o態(tài)節(jié)點(diǎn),從而提高間歇連通環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2 車載自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用

2.2.1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用于道路交通領(lǐng)域的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò),所以具有自組織、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)。但是交通運(yùn)輸環(huán)境的特殊性,也使車載自組織網(wǎng)絡(luò)具有區(qū)別于傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)的其他特點(diǎn):一是節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性,相比其他網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),車輛具有非常高的行駛速度,導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓叨葎?dòng)態(tài);二是網(wǎng)絡(luò)的間歇連通性,節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)和較小的通信半徑使節(jié)點(diǎn)間的鏈路只能短暫存在,網(wǎng)絡(luò)的連通時(shí)斷時(shí)續(xù);三是節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)受道路限制,道路網(wǎng)絡(luò)具有固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而車輛的移動(dòng)和分布受道路拓?fù)涞南拗?節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)具有一定的規(guī)律性和可預(yù)測(cè)性;四是電量充足、計(jì)算能力較強(qiáng)。傳統(tǒng)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)體積小巧,能量和計(jì)算能力非常受限,而車載網(wǎng)絡(luò)中的車輛節(jié)點(diǎn)采用蓄電池供電,能量充足且具有更強(qiáng)的計(jì)算能力。

2.2.2 車載自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

車載自組織網(wǎng)絡(luò)作為智能交通領(lǐng)域的重要組成部分,應(yīng)用前景十分廣闊。按照應(yīng)用性質(zhì)的不同,車載自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可分為以下幾類。

(1)交通安全類應(yīng)用

這是車載自組織網(wǎng)絡(luò)最重要、最有價(jià)值的應(yīng)用。通過車載傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的行駛狀態(tài)并向周圍車輛實(shí)時(shí)報(bào)告,可以在危險(xiǎn)時(shí)刻及時(shí)警示周圍汽車,提醒駕駛員做出安全應(yīng)對(duì)操作。此外,在事故頻發(fā)的危險(xiǎn)路段,利用車載自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)向車輛分發(fā)危險(xiǎn)告警,可以使駕駛員提前調(diào)整車輛行駛狀態(tài),保障駕駛安全。

(2)交通運(yùn)輸效率類應(yīng)用

通過收集和傳播道路網(wǎng)絡(luò)的交通狀況信息(如擁堵情況等),車載網(wǎng)絡(luò)可以協(xié)助車輛制定合理的出行路線,避免交通擁塞,提高交通運(yùn)輸?shù)男省４送?交通信息的收集和統(tǒng)計(jì)還能幫助交通管理部門合理調(diào)整交通設(shè)施和交通規(guī)則,從根本上提高道路交通的效率。

(3)信息服務(wù)類應(yīng)用

車載自組織網(wǎng)絡(luò)能夠幫助車輛查詢周邊服務(wù)信息,并提供商業(yè)廣告發(fā)布、公交車到站時(shí)間預(yù)測(cè)等服務(wù)。此外,借助路邊的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,車載自組織網(wǎng)絡(luò)還能提供互聯(lián)網(wǎng)接入,滿足乘客的舒適性要求和通信需求。

3 車載自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

路由是車載自組織網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而車載自組織網(wǎng)絡(luò)的特性(如間歇連通性等)使傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不能適用。如何在車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效的路由,成為車載自組織網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

近年來,具有間歇連通特性的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)[3]概念被提出并獲得了廣泛關(guān)注。事實(shí)上,車載自組織網(wǎng)絡(luò)也屬于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的范疇,因此機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)(Carry and Forward)機(jī)制同樣適用于車載網(wǎng)絡(luò)間歇連通的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,已在協(xié)議設(shè)計(jì)中普遍采用。目前,通過研究者的不斷努力和探索,車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由問題研究已取得了較豐碩的成果,出現(xiàn)了許多針對(duì)或利用車載網(wǎng)絡(luò)不同特性而設(shè)計(jì)的路由方法。受制于車載網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)復(fù)雜性,這些網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議呈現(xiàn)出技術(shù)和應(yīng)用上的多樣性。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性也使得對(duì)這些協(xié)議的歸納、分類和分析討論存在多種不同的方法和角度,例如可按照應(yīng)用場景、路由決策信息類型、是否存在路邊固定設(shè)施等進(jìn)行分類。為便于討論,本節(jié)首先把路由協(xié)議分為單播(unicast)路由和廣播(broadcast)路由,然后進(jìn)一步從協(xié)議設(shè)計(jì)者的角度出發(fā),依據(jù)路由決策信息對(duì)單播路由協(xié)議分類討論,并針對(duì)高速公路和城市道路兩種場景介紹廣播路由。最后,本節(jié)從多個(gè)方面對(duì)這些協(xié)議進(jìn)行對(duì)比和分析總結(jié)。

3.1 單播路由

單播路由主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。車載自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特殊性,使得單播路由協(xié)議研究存在豐富多樣的思路和方法。按照不同的路由決策依據(jù),本文將單播路由協(xié)議分為以下幾類。

3.1.1 基于連通路徑的路由

因?yàn)檐囕d自組織網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò),所以在研究之初,人們很自然地將移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的基于連通路徑的路由協(xié)議用于車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。然而研究表明,車載網(wǎng)絡(luò)高度動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫挂苿?dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議難以適應(yīng)。例如,在車載網(wǎng)絡(luò)中使用AODV[4]時(shí),由于不能快速發(fā)現(xiàn)和維持長距離路由,消息會(huì)被大量丟棄,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量很低。

事實(shí)上,作為一種典型的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò),車載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間都難以確定,使得建立并維持長距離的路由非常困難。因此,基于連通性的路由協(xié)議只適用于跳數(shù)有限的小范圍通信。考慮到AODV創(chuàng)建的連接在車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下中斷頻繁,研究者提出兩種改進(jìn)的協(xié)議——PRAODV和PRAODVM[5],利用備用連接來減少路由中斷對(duì)傳輸?shù)挠绊?。根?jù)車輛的行駛速度和位置信息,新的協(xié)議能夠預(yù)測(cè)鏈路的壽命。在此基礎(chǔ)上,通過評(píng)估連通路徑的存在時(shí)間,PRAODV能夠在當(dāng)前路徑失效前就建立起一個(gè)新的替換路由,而PRAODV-M則在多個(gè)可選路徑中選擇預(yù)測(cè)壽命最長的路徑進(jìn)行替換。因此,與AODV在路由失敗時(shí)才尋找新的路徑相比,PRAODV和PRAODV-M具有更好的網(wǎng)絡(luò)性能。

CAR[6]是另一種基于連接的路由協(xié)議,用于實(shí)現(xiàn)城市道路和高速公路環(huán)境下的車輛間通信。CAR由以下四部分組成:一是目標(biāo)定位和連通路徑的建立;二是經(jīng)由連通路徑的數(shù)據(jù)傳輸;三是連通路徑的維護(hù);四是錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。當(dāng)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí),CAR首先利用優(yōu)化的廣播來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)車輛并建立源車輛到目標(biāo)車輛的連通路徑,隨后數(shù)據(jù)將采用貪婪方式沿該路徑傳輸。與前述協(xié)議頻繁更換連通路徑不同,CAR協(xié)議中的連通路徑一旦建立,就會(huì)利用一種稱為guard的實(shí)體根據(jù)變化進(jìn)行調(diào)整和保持,而不再搜索其他路徑。盡管如此,利用連通路徑傳遞消息仍可能出現(xiàn)路由失敗,此時(shí)錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制將引導(dǎo)消息傳遞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CAR在車流密度較高時(shí)性能較好,而在低密度網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)較差。

3.1.2 基于地理位置的路由

由于道路拓?fù)涞拇_定性和GPS設(shè)備的廣泛使用,利用地理位置信息進(jìn)行路由是車載網(wǎng)絡(luò)中另一種常見方法。高速公路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^簡單,更適合利用地理位置信息進(jìn)行路由。而城市場景的道路拓?fù)渥兓鄻?車輛間的位置關(guān)系更加復(fù)雜,且路邊建筑物易導(dǎo)致無線電障礙,這些都會(huì)對(duì)基于地理位置的路由產(chǎn)生不利影響。

作為一種經(jīng)典的基于地理位置的路由協(xié)議, GPSR[7]采用貪婪方式轉(zhuǎn)發(fā)消息,并選擇在地理位置上更靠近目標(biāo)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。然而,當(dāng)?shù)乩砦恢米罱咏繕?biāo)的節(jié)點(diǎn)由于種種原因(如通信半徑有限)不能將消息傳遞至目的地時(shí),就會(huì)導(dǎo)致路由失敗,陷入局部最優(yōu)問題。如圖2所示,在將消息由節(jié)點(diǎn)S向節(jié)點(diǎn)D傳遞的過程中,節(jié)點(diǎn)2將陷入局部最優(yōu),因?yàn)樗也坏奖人约焊涌拷繕?biāo)點(diǎn)D的鄰居節(jié)點(diǎn)。此時(shí)GPSR將轉(zhuǎn)入周邊路由(perimeter rou-ting),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔灰曌饕粋€(gè)平面圖,而消息則采用右手規(guī)則進(jìn)行傳遞,直到一個(gè)新的最接近目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)時(shí)路由才重新轉(zhuǎn)回貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式。由于GPSR沒考慮交通狀況,因此無法優(yōu)先選擇車輛密度較高的路段來傳遞數(shù)據(jù)。此外,城市場景中的無線電干擾也使GPSR的路由修復(fù)機(jī)制不夠可靠。

圖2 GPSR的局部最優(yōu)問題Fig.2 The local optimum problem in GPSR

GPCR[8]是另一種著名的基于地理位置的路由協(xié)議。通過beacon消息,每個(gè)節(jié)點(diǎn)持續(xù)不斷地廣播自己的位置信息。此外,beacon消息還對(duì)發(fā)送者當(dāng)前是否處于路口進(jìn)行標(biāo)識(shí)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送消息時(shí),首先利用定位服務(wù)對(duì)目標(biāo)的位置進(jìn)行判斷,隨后消息被發(fā)送至一跳范圍內(nèi)最靠近目標(biāo)位置的鄰居節(jié)點(diǎn)。與其他協(xié)議不同的是,GPCR采用受限的貪婪路由來選擇下一跳車輛節(jié)點(diǎn),即處于路口處的鄰居節(jié)點(diǎn)將優(yōu)先作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),哪怕它們距離目標(biāo)點(diǎn)更遠(yuǎn)一些(這是由于路口節(jié)點(diǎn)能夠接觸到所有相連路段的鄰居節(jié)點(diǎn))。對(duì)于路由恢復(fù)策略,GPCR使用右手規(guī)則使處于路口處的節(jié)點(diǎn)決定消息傳遞的下一個(gè)路口,而消息在兩個(gè)路口中的傳遞則采用貪婪路由。實(shí)驗(yàn)表明,與GPSR相比,GPCR能以更多的路由跳數(shù)獲得更高的消息遞交率。

上述簡單的基于地理位置的路由常常遭遇局部最優(yōu)問題,而恢復(fù)策略在城市場景中效率較低。為解決這個(gè)問題,文獻(xiàn)[9]提出IGRP協(xié)議。IGRP首先利用車輛密度、速度、通信半徑以及道路拓?fù)涞刃畔?建立路段連通性、錯(cuò)誤比特率、傳輸延遲等性能參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。然后,IGRP采用多目標(biāo)優(yōu)化方法,在滿足延遲、帶寬利用率,錯(cuò)誤率等QOS約束的條件下,獲得連通性最佳的消息傳輸路徑(由路口序列標(biāo)識(shí))。沿此最佳路徑,IGRP在相鄰路口之間,采用基于地理位置的方法來傳遞消息,直至消息到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。由于IGRP只在相鄰路口間使用基于地理位置的路由,有效避免了前述協(xié)議中的局部最優(yōu)問題;而優(yōu)化路徑的使用,使協(xié)議能夠“智能”選擇連通性好的路段傳遞消息,因此具有比GPSR和GPCR更好的性能。

3.1.3 基于傳輸延遲的路由

在車載自組織網(wǎng)絡(luò)中,較低的傳輸延遲是路由協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)。為使消息快速傳遞至目的地,一些協(xié)議采用傳輸延遲作為消息路由的決策依據(jù),我們稱之為基于延遲的路由協(xié)議。

由于網(wǎng)絡(luò)的間歇連通性,到達(dá)路口處的消息可能遇不到合適的車輛以進(jìn)入預(yù)期路段。因此,Ding等人提出SADV算法[10],在每個(gè)路口處設(shè)置靜態(tài)節(jié)點(diǎn),用于對(duì)消息進(jìn)行緩存并等待與期望傳輸方向相一致的車輛經(jīng)過。因?yàn)椴捎昧寺房陟o態(tài)節(jié)點(diǎn),消息經(jīng)過每個(gè)路段的傳輸延遲,不僅包含了消息在路段中傳遞的時(shí)間,也包含了消息在靜態(tài)節(jié)點(diǎn)中的等待時(shí)間。根據(jù)每個(gè)路段的傳輸延遲,SADV采用最短路徑算法計(jì)算消息路由的路徑。靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的加入使SADV具有較好的網(wǎng)絡(luò)性能,但同時(shí)也增加了成本投入和實(shí)施難度。

為了更好地選擇較低延遲的路徑傳遞消息, Zhao等人提出VADD協(xié)議[11]。VADD將消息路由分為直路模式和路口模式,直路模式用于消息在一個(gè)路段中的傳遞,此時(shí)采用貪婪算法使消息盡可能快地傳輸?shù)铰房?并進(jìn)入路口模式;路口模式?jīng)Q定消息在路口時(shí),將被傳輸至與該路口相連的哪一路段。由于路段選擇對(duì)路由延遲具有重要影響,VADD主要研究路口模式。利用車流量統(tǒng)計(jì)信息,VADD首先評(píng)估消息從路口Ii出發(fā),經(jīng)由路段rij(即連接路口Ii和Ij的路段)并傳遞到目的地所需的端到端(E2E)期望延遲Dij。如圖3所示,在一個(gè)簡單道路網(wǎng)絡(luò)中,假設(shè)消息傳遞的目的地是路口Ic,對(duì)該道路網(wǎng)絡(luò)中任一路段rmn所對(duì)應(yīng)的E2E期望延遲Dmn(m、n為路口編號(hào)且m≠n),可通過公式(1)的方程組計(jì)算(其中dmn是消息從路口Im傳遞到路口In所需時(shí)間, Pmn是指消息在路口Im處被傳往路段rmn的概率)。隨后,路口模式的規(guī)則是:處于路口的消息,將總是選擇當(dāng)前可傳遞的各路段中具有最小E2E延遲的路段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與GPSR等協(xié)議相比,VADD具有更低的消息傳輸延遲。

圖3 一個(gè)簡單的道路網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.3 A simple exemple of VANET

雖然VADD在車流密度較高時(shí)性能較好,但它沒有考慮個(gè)體車輛用于消息傳輸時(shí)的性能差異。隨著GPS導(dǎo)航設(shè)備的廣泛使用,獲取車輛行駛的軌跡(trajectory)信息已非常容易。以VADD為基礎(chǔ), Jeong等人提出TBD協(xié)議[12],通過引入車輛的行駛軌跡,使消息傳遞經(jīng)由更加有效的車輛節(jié)點(diǎn)。和VADD針對(duì)路段來評(píng)估消息傳輸?shù)腅2E期望延遲不同,TBD針對(duì)每個(gè)車輛來評(píng)估消息傳輸?shù)腅2E期望延遲。假設(shè)車輛a的行駛路線是路口1,路口2,…,路口M,若由車輛a傳輸消息,考慮在其行駛過程中的每個(gè)路口遇到其他車輛(轉(zhuǎn)發(fā)消息)和遇不到其他車輛(繼續(xù)攜帶)兩種情況,其E2E期望遞交延遲可利用概率求得。每個(gè)車輛都周期性地計(jì)算自身傳遞消息的E2E期望延遲,并利用beacon消息不斷地向鄰居廣播,從而能夠使消息總是傳遞至具有最低E2E延遲的鄰居車輛。實(shí)驗(yàn)表明,TBD具有比VADD更好的路由性能。

上述VADD和TBD都只適用于靜止目標(biāo)點(diǎn)的消息傳遞,而當(dāng)消息的目標(biāo)接收者是移動(dòng)車輛時(shí),對(duì)目標(biāo)車輛的定位和下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇都將非常困難。為解決這個(gè)問題,Jeong等人提出了TSF協(xié)議[13],用于從固定的接入點(diǎn)(AP)向移動(dòng)車輛傳遞消息。TSF假定道路網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)路口處都部署一個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn),用于暫時(shí)緩存消息。此外,為了對(duì)車輛進(jìn)行追蹤和預(yù)測(cè),TSF要求車輛將自身的行駛軌跡報(bào)告給AP。相關(guān)研究表明,車輛駛過特定長度的路段所需時(shí)間滿足gamma概率分布,而消息沿道路傳輸?shù)臅r(shí)間也具有類似的概率分布。因此,通過計(jì)算“在目標(biāo)車輛行駛軌跡上的每個(gè)路口處,消息先于目標(biāo)車輛到達(dá)的概率”,就可找出車輛行駛路線與消息傳輸路線的最佳交匯點(diǎn),從而能夠在保障消息遞交率的同時(shí)獲得最小的傳遞延遲。

3.2 廣播路由

車載自組織網(wǎng)絡(luò)的廣播路由主要用于公共信息(例如突發(fā)事故告警、道路交通流量、天氣情況等)的快速散播。此外,一些單播路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段也需利用廣播來建立到目標(biāo)點(diǎn)的有效路徑。

用于信息廣播的最簡單協(xié)議是泛洪(flooding),它要求接收到廣播消息的每個(gè)車輛都重新廣播該消息,從而實(shí)現(xiàn)信息的可靠散播。雖然泛洪易于實(shí)現(xiàn),但每個(gè)節(jié)點(diǎn)的重復(fù)廣播會(huì)帶來很大的開銷,因此僅適用于規(guī)模很小的網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增加,泛洪消息的帶寬消耗和傳輸沖突將急劇增加,造成網(wǎng)絡(luò)擁塞并使性能急劇惡化。

為了在高速公路實(shí)現(xiàn)緊急事件的廣播,Durresi等人提出BROADCOMM協(xié)議[14]。該協(xié)議將高速公路分成不同的虛擬單元(virtual cell),且隨著車輛的移動(dòng)而移動(dòng)。為管理和處理緊急消息,協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)中的車輛節(jié)點(diǎn)分為兩層:第一層由虛擬單元內(nèi)的所有車輛節(jié)點(diǎn)構(gòu)成;第二層是單元反射體(cell reflector),通常由單元內(nèi)處于中央位置的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任。單元反射體負(fù)責(zé)處理自身單元或鄰居單元內(nèi)的近距離車輛發(fā)出的緊急消息,同時(shí)也為來自其他反射體的緊急消息提供路由中繼。在路由轉(zhuǎn)發(fā)過程中,反射體還需要對(duì)各緊急消息的發(fā)送優(yōu)先級(jí)進(jìn)行管理。與泛洪類協(xié)議相比,BROADCOMM具有較小的消息廣播延遲和路由開銷。

DV-CAST[15]是另一種用于高速公路場景的廣播路由協(xié)議,它采用分布式設(shè)計(jì),使節(jié)點(diǎn)無需獲取全局信息即可處理消息的傳遞。DV-CAST協(xié)議主要包括三個(gè)部分:鄰居探測(cè)、廣播抑制,以及存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。鄰居探測(cè)是指,通過接收相鄰車輛的HELLO消息,每個(gè)車輛感知自身周圍的局部拓?fù)?并判斷周邊連通性的強(qiáng)弱。當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍連通性較好時(shí),對(duì)接收到的廣播消息進(jìn)行廣播抑制;反之,若節(jié)點(diǎn)處于弱連通性環(huán)境,則采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,以保證廣播消息的傳遞。上述機(jī)制的使用,使DV-CAST對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)連通狀況都具有較好的魯棒性。

城市場景道路拓?fù)鋸?fù)雜,且路邊建筑易形成無線電阻礙,因此城市中的廣播路由設(shè)計(jì)不同于高速路。作為一種典型的城市道路廣播協(xié)議,UMB[16]主要解決多跳廣播中的廣播風(fēng)暴、隱藏節(jié)點(diǎn)等問題?？紤]城市道路的實(shí)際環(huán)境,UMB包括兩種廣播階段:定向廣播和路口廣播。在定向廣播階段,消息發(fā)送者不需事先獲取拓?fù)湫畔?只需選擇在當(dāng)前廣播方向上相距最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn),作為消息轉(zhuǎn)發(fā)和確認(rèn)的實(shí)施者。當(dāng)定向廣播的消息到達(dá)路口時(shí),安裝于路口的中繼器將向各路段方向發(fā)起新的定向廣播,即路口廣播。采用中繼器的原因是,城市高大建筑的阻隔使消息只能沿道路進(jìn)行可視傳播,而路口的中繼器具有相鄰各路段的最佳“視角”,有利于消息向各路段散播。由于只利用廣播方向上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息,UMB能夠有效利用信道并具有較高的可靠性,而且其性能在網(wǎng)絡(luò)處于高廣播負(fù)載和高車輛密度時(shí)仍然較好。

針對(duì)城市場景中車載網(wǎng)絡(luò)的廣播風(fēng)暴和網(wǎng)絡(luò)間歇連通問題,文獻(xiàn)[17]提出UV-CAST廣播協(xié)議。與UMB不同,UV-CAST不引入路邊基礎(chǔ)設(shè)施,采用分布式方式來應(yīng)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)連通狀況時(shí)的消息廣播?？紤]到在一個(gè)連通區(qū)域中,處于區(qū)域邊緣的車輛比區(qū)域內(nèi)車輛更容易(或者更能夠在較短的時(shí)間內(nèi))遇見其他離散車輛,UV-CAST令處于連通區(qū)域邊緣的車輛節(jié)點(diǎn),作為SCF(Store-Carry-Forward)任務(wù)的承擔(dān)者。這些被稱作SCF代理的車輛攜帶廣播消息,并在遇到其他離散車輛時(shí)向其廣播。相反地,處于區(qū)域內(nèi)部的車輛節(jié)點(diǎn),則對(duì)接收的廣播消息進(jìn)行抑制處理。由于節(jié)點(diǎn)僅利用局部信息來判斷自己是否為SCF代理,使得UV-CAST開銷較小。

除了上述廣播路由,車載網(wǎng)絡(luò)中還存在區(qū)域內(nèi)的多播路由(Geocast Routing)[18]。這種基于區(qū)域的多播路由是將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定地理區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn),而該區(qū)域被稱作相關(guān)區(qū)域(zone of relevance)。在車載網(wǎng)絡(luò)中,區(qū)域內(nèi)的多播主要用于交通安全類通信。例如,當(dāng)實(shí)施危險(xiǎn)路段警告時(shí),處于危險(xiǎn)路段的所有車輛都應(yīng)收到該警告消息(區(qū)域外的車輛不應(yīng)被警示)。大多數(shù)的區(qū)域多播路由協(xié)議都基于定向泛洪,通過定義傳輸范圍并對(duì)泛洪進(jìn)行約束,來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞并減少傳輸開銷。因此,區(qū)域多播路由在一定程度上也可視作特殊的廣播路由。

3.3 路由研究的分析總結(jié)

本節(jié)從路由機(jī)制、有無路邊固定設(shè)施、適用場景、網(wǎng)絡(luò)性能等方面綜合比較上述路由協(xié)議,分析總結(jié)各類協(xié)議的特點(diǎn),并指出研究需解決的關(guān)鍵問題。

(1)基于連通路徑的路由

此類協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何建立并維護(hù)連通路徑,以及當(dāng)消息傳遞失敗時(shí)如何進(jìn)行路由恢復(fù)。由于車載網(wǎng)絡(luò)高度的動(dòng)態(tài)性使節(jié)點(diǎn)間的連通鏈路極不穩(wěn)定,此類協(xié)議很難建立起從源到目的的連通路徑,而且即使建立,也仍需花費(fèi)很大代價(jià)來維護(hù)或?qū)ふ姨鎿Q路徑,從而使性能受到影響?？紤]到車載網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際環(huán)境,基于連通路徑的路由協(xié)議只適用于車流密度大且跳數(shù)有限的小范圍通信場景。

盡管基于連通路徑的路由在性能和應(yīng)用場景上都受到一定的限制,但對(duì)間歇連通的車載網(wǎng)絡(luò)來說,連通性仍是一種非常重要的可用資源,因此適當(dāng)并合理地利用連通性,仍然是提升路由性能的一個(gè)重要手段,而且也是路由協(xié)議研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

(2)基于地理位置的路由

與基于連通路徑的路由相比,基于地理位置的路由不需維護(hù)路由狀態(tài),實(shí)施方便,并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化具有良好的適應(yīng)性。例如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí),基于地理位置的路由仍能保持較小的開銷。但是,由于路由以節(jié)點(diǎn)位置作為消息傳遞依據(jù),局部最優(yōu)的產(chǎn)生和相應(yīng)的恢復(fù)機(jī)制大大增加了消息傳遞的延遲,使得單純的基于地理位置的路由性能受到限制。目前,將基于地理位置的路由技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合,已成為車載網(wǎng)絡(luò)路由研究的一個(gè)新趨勢(shì),該類研究的關(guān)鍵問題是:如何利用地理位置路由的規(guī)模魯棒性來獲得對(duì)不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的良好適應(yīng)性,以及如何采用其他技術(shù)突破地理位置路由的性能制約,提升路由可靠性并降低路由延遲。

(3)基于傳輸延遲的路由

此類路由以延遲作為路由依據(jù),目的是將消息盡快送達(dá)目的地。消息的傳輸延遲,通常取決于協(xié)議設(shè)計(jì)的傳輸行為模式;反過來,傳輸延遲的計(jì)算結(jié)果及其準(zhǔn)確性也將影響到具體消息的傳輸行為決策,從而影響協(xié)議性能。因此,此類路由研究的重點(diǎn)有:一是如何設(shè)計(jì)合理有效的消息傳輸行為模式,即采用何種機(jī)制和方法實(shí)現(xiàn)消息從源到目的的傳遞;二是如何基于消息傳輸?shù)男袨槟Ｊ胶涂捎眯畔?準(zhǔn)確評(píng)估消息傳輸?shù)难舆t。以上兩點(diǎn)相輔相成,互相影響,須在協(xié)議設(shè)計(jì)中共同考慮。就消息傳輸延遲的計(jì)算而言,如何獲取準(zhǔn)確的消息傳輸延遲是影響協(xié)議性能的關(guān)鍵,而傳輸延遲的準(zhǔn)確與否,與可用信息的選取和計(jì)算密切相關(guān)。一定程度上,可用信息越具體詳細(xì),計(jì)算模型越精確,傳輸延遲計(jì)算就越準(zhǔn)確(例如引入車輛行駛軌跡計(jì)算延遲比單純采用路段延遲統(tǒng)計(jì)更加準(zhǔn)確),但另一方面,采用更詳細(xì)的可用信息必然會(huì)帶來更多的開銷和實(shí)現(xiàn)代價(jià),因此需要在協(xié)議設(shè)計(jì)中進(jìn)行平衡和折衷考慮。

(4)車載網(wǎng)絡(luò)的廣播路由

車載網(wǎng)絡(luò)的廣播路由看似簡單,但要在如此動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)廣播消息的全覆蓋,并保證較小的延遲和系統(tǒng)開銷,實(shí)現(xiàn)起來并不容易。廣播路由的最簡單協(xié)議是泛洪,雖然該方法在理想情況下的傳輸延遲最小,但只要網(wǎng)絡(luò)稍具規(guī)模,開銷就會(huì)急劇增大并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。所以,車載網(wǎng)絡(luò)的廣播路由通常采用可控泛洪,有選擇地使部分節(jié)點(diǎn)作為消息的轉(zhuǎn)發(fā)者,從而有效減少網(wǎng)絡(luò)開銷和擁塞,并獲得較低的傳輸延遲。對(duì)于此類廣播路由而言,研究者需解決的關(guān)鍵問題是:在降低傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)開銷的目標(biāo)前提下,如何使車輛感知自身周圍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,如何設(shè)計(jì)分布式算法來確定網(wǎng)絡(luò)中的廣播中繼車輛節(jié)點(diǎn),以及如何合理設(shè)計(jì)中繼節(jié)點(diǎn)的消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。

上述路由協(xié)議的比較如表1所示。

表1 路由協(xié)議的比較Table 1 The comparison among routing protocols

4 研究建議

本節(jié)從場景假設(shè)、運(yùn)動(dòng)模型和仿真軟件、可用信息和獲取信息等4個(gè)方面,提出車載自組織網(wǎng)絡(luò)路由研究的相關(guān)建議。

(1)良好的場景假設(shè)

城市道路與高速公路在道路拓?fù)洹④囕v行駛速度、周圍環(huán)境等方面相差迥異,對(duì)路由協(xié)議設(shè)計(jì)提出了不同要求。此外,不同應(yīng)用也往往具有不同的路由需求,例如語音應(yīng)用要求高實(shí)時(shí)性,而信息查詢應(yīng)用更側(cè)重消息傳遞的高到達(dá)率。因此,路由設(shè)計(jì)者必須首先設(shè)定合理的場景和需求前提,在此基礎(chǔ)上開展路由協(xié)議設(shè)計(jì)。

(2)選擇合適的運(yùn)動(dòng)模型和仿真軟件

車載自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)展至今,在相關(guān)研究領(lǐng)域已形成了一些被廣泛認(rèn)可和采用的運(yùn)動(dòng)模型和仿真軟件。采用這些模型和軟件,一方面可減少自行設(shè)計(jì)開發(fā)的工作量,另一方面其結(jié)果數(shù)據(jù)也能夠相對(duì)合理地反映出研究工作的真實(shí)特點(diǎn)和獨(dú)特之處。因此,除非對(duì)自己的運(yùn)動(dòng)模型和仿真過程有足夠充分和合理的分析討論來說服其他研究者,否則采用廣泛認(rèn)可的運(yùn)動(dòng)模型和仿真軟件將使研究工作更易獲得研究同行的認(rèn)同和接受。

(3)獲取適當(dāng)?shù)目捎眯畔?/p>

車載網(wǎng)絡(luò)路由研究的多樣性,一定程度體現(xiàn)在研究者對(duì)可用信息的廣泛挖掘和使用上。一般而言,電子地圖和車輛位置信息是目前車載網(wǎng)絡(luò)研究最基本的可用信息。此外,通過“燈塔”消息感知周圍車輛狀況,采用智能交通設(shè)施或商業(yè)服務(wù)獲取道路車流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、道路實(shí)時(shí)交通狀況,利用路邊固定節(jié)點(diǎn)提供定制信息或消息中繼服務(wù),以及通過制定出行計(jì)劃獲得車輛自身行駛路線等,也都是常見的可用信息及其獲取方式。對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)而言,選擇一組適當(dāng)且易于獲取的可用信息,是路由研究獲得成功的基礎(chǔ)。因此,為了給消息傳遞提供路由依據(jù),協(xié)議設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)考慮和選擇路由可用信息。

(4)合理使用獲取信息

在可用信息獲取之后,如何進(jìn)行信息加工處理,從中提取有用信息并指導(dǎo)消息路由,是路由協(xié)議研究的中心內(nèi)容,也是設(shè)計(jì)者研究能力和創(chuàng)新能力的集中體現(xiàn)。在可用信息確定的前提下,路由算法設(shè)計(jì)仍然有足夠的靈活性和創(chuàng)新空間,并且很大程度地決定著協(xié)議最終的特點(diǎn)和性能。因此,研究者應(yīng)充分發(fā)揮自身的創(chuàng)造性,結(jié)合車載自組織網(wǎng)絡(luò)的固有特點(diǎn),合理使用可用信息,來設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求的高效路由算法。

5 結(jié) 語

車載自組織網(wǎng)絡(luò)的間歇連通等特性為路由協(xié)議設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。由于路由問題與實(shí)際應(yīng)用需求密切相關(guān),其性能取決于道路場景、車輛密度等多種因素,所以不可能找到一種通用的路由策略和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以適用于所有車載應(yīng)用,這就使得車載自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究存在多樣性。本文闡述了車載自組織網(wǎng)絡(luò)的基本概念和特征,并對(duì)現(xiàn)有的路由協(xié)議進(jìn)行了分析和比較。作為當(dāng)今無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)問題,車載自組織網(wǎng)絡(luò)的路由研究仍然面臨著效率、開銷、安全等諸多問題,有待我們根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求開展更深入的研究。

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XU Fu-long was born in Zhumadian, Henan Province,in 1980.He received the M. S.degree and the Ph.D.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2006 and 2011,respectively.His research concerns computer network and software architecture.

Email:fulongxu@hotmail.com

劉志建(1972—),男,四川廣安人,2000年于西南交通大學(xué)獲碩士學(xué)位,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。

LIU Zhi-jian was born in Guang′an,Sichuan Province,in 1972.He received the M.S.degree from Southwest Jiaotong U-niversity in 2000.His research concerns computer application.

Routing Protocols for Vehicular Ad Hoc Network: Research Advances and Comparisons

XU Fu-long,LIU Zhi-jian
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Vehicular Ad Hoc Network(VANET)is a new type of Mobile Ad Hoc Network.As an active research field in wireless mobile networks,it has been a big challenge to design effective routing protocols in VANET because of the intermittent connectivity of the network.The characteristics and applications of VANET are introduced,and the routing protocols are classified.On this basis,some typical routing protocols for VANET are discussed,their features are compared and summarized,and several research suggestions are presented,which can provide reference for researches on VANET routing protocol.

MANET;VANET;routing protocol;intermittent connectivity

date:2013-01-04;Revised date:2013-06-24

**通訊作者:fulongxu@hotmail.com Corresponding author:fulongxu@hotmail.com

TN915.04;TP393

1001-893X(2013)10-1393-08