黃文靜

(重慶交通大學 信息科學與工程學院，重慶 400074)

綜述與評論

自組織車聯(lián)網(wǎng)中GPSR路由協(xié)議的研究進展

黃文靜

(重慶交通大學 信息科學與工程學院，重慶 400074)

由于貪婪周邊無狀態(tài)路由(GPSR)對于拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化的自組織車聯(lián)網(wǎng)(VANETs)具有最適性，為此，針對GPSR提出了許多改進協(xié)議。首先對VANETs網(wǎng)絡層路由協(xié)議進行分類比較，然后分析和總結(jié)近年來基于位置路由協(xié)議的核心路由機制和優(yōu)缺點，重點分析典型的基于位置的路由協(xié)議GPSR在城市場景中存在的問題。最后，提出了GPSR未來可能的研究策略和發(fā)展方向。

自組織車聯(lián)網(wǎng)； 路由協(xié)議； 貪婪周邊無狀態(tài)路由

0 引 言

近年來，由于無線網(wǎng)絡技術(shù)的迅猛發(fā)展和交通智能化的需求，自組織車聯(lián)網(wǎng)(VANETs)這一專門為汽車間通信設計的自組織網(wǎng)絡受到了廣泛的關(guān)注。該網(wǎng)絡不僅有助于改善交通擁塞問題，還能進行緊急事件處理、輔助駕駛、交通信息共享、娛樂等。在VANETs發(fā)揮巨大作用的同時VANETs路由協(xié)議為其提供重要的數(shù)據(jù)通信支持，因此，路由協(xié)議很大程度上決定了VANETs的性能[1]。基于地理位置貪婪周邊無狀態(tài)路由(GPSR)協(xié)議算法較為簡單,不需要儲存維護路由表,網(wǎng)絡開銷小,且對于車輛高速移動的拓撲網(wǎng)絡具有更好的可擴展性和適應性。但是在城市交通環(huán)境應用中，GPSR仍然存在很多不足和缺陷?？傊槍PSR路由協(xié)議在城市交通環(huán)境下的研究是一個挑戰(zhàn)與機遇的共存的過程，受到了廣大學者的關(guān)注。

本文主要是對典型的VANETs層路由協(xié)議進行歸納分類，總結(jié)基于位置路由協(xié)議的優(yōu)缺點，并重點對基于位置的GPSR協(xié)議在城市交通環(huán)境下存在的問題進行分類，同時指出可能研究的策略和未來發(fā)展方向，為GPSR協(xié)議在城市交通環(huán)境下的應用研究提供廣闊的視角。

1 VANETs協(xié)議分類

VANETs路由協(xié)議根據(jù)數(shù)據(jù)包目的節(jié)點數(shù)的不同可分為單播路由、廣播路由、多播路由三類,其具體分類如圖1。單播路由協(xié)議是將數(shù)據(jù)包一對一地從源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。目前，大體可分為基于拓撲的路由協(xié)議、基于位置的路由協(xié)議和基于電子地圖的路由協(xié)議三類。早期的自組織網(wǎng)絡路由基本上都是基于拓撲的路由協(xié)議，網(wǎng)絡中的節(jié)點通過周期性地交互信息得到其他節(jié)點的信息，進而轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。這類路由協(xié)議大體可以分為先應式、反應式和混合式路由協(xié)議。先應式路由中無論當前是否要求通信，每個節(jié)點都會周期性地廣播路由分組、交換路由信息、維護路由表。典型的先應式路由代表是DSDV協(xié)議。相對于先應式路由，按需路由協(xié)議根據(jù)源節(jié)點是否需要獲得目的節(jié)點路由才進行洪泛廣播請求分組，因此，降低了路由開銷。按需路由協(xié)議的典型代表是AODV，DSR。文獻[2]中通過對3種路由協(xié)議(DSDV,AOMDV,AODV)在搭建的真實場景中進行仿真和性能分析，得到DSDV這類先應式路由協(xié)議周期性地廣播信息，占用帶寬過多，影響數(shù)據(jù)的傳輸，而AODV使用洪泛發(fā)現(xiàn)路由將產(chǎn)生大量的冗余，對于規(guī)模越大的網(wǎng)絡，冗余現(xiàn)象越明顯。因此，效果良好的傳統(tǒng)自組織網(wǎng)路由協(xié)議不一定適宜拓撲頻繁變化的VANETs。

圖1 VANETs路由協(xié)議分類Fig 1 Classification of VANETs routing protocol

與傳統(tǒng)的自組織路由協(xié)議相比，基于位置的路由協(xié)議不需要儲存和維護路由，節(jié)點利用GPS等方法獲取自己的位置，通過“位置服務”和分組轉(zhuǎn)發(fā)策略來獲取信宿節(jié)點的位置和選擇下一跳。針對高速移動的城市場景，基于位置的路由協(xié)議具有較好的性能。其中基于位置路由協(xié)議的典型代表是由Karp Brad, Kung H T 于2000年提出的GPSR協(xié)議[3],該協(xié)議初始化是根據(jù)貪婪法則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，當貪婪轉(zhuǎn)發(fā)陷入局部優(yōu)化時采用邊界轉(zhuǎn)發(fā)。文獻[4]對GPSR基于NS3進行深入的研究分析，并分別對貪婪模型和恢復模型進行仿真，驗證該算法確實能夠選擇正確的路徑。文獻[5]提出了通過計算源、目的節(jié)點之間的距離，根據(jù)Dijkstra算法選擇最小路徑的路由協(xié)議GSR。雖然GSR減少了網(wǎng)絡開銷和路徑，但是沒有考慮實際的交通環(huán)境中的速度和車流密度。Lochert C，Mauve M 于2005年提出了改進的GPCR[6],該協(xié)議將GPSR的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)方式改進為受限的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)，當轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)方向存在節(jié)點處于十字路口時，直接將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給該節(jié)點，而不執(zhí)行貪婪轉(zhuǎn)發(fā)；反之，仍然進行貪婪轉(zhuǎn)發(fā)。雖然GPCR更適應于城市交通環(huán)境，具有較高的交付率，但是路徑和延遲有所增加。Seet B C，Liu G等人在2004年提出的A-STAR路由協(xié)議為每條路徑分配一個與公交線路數(shù)量呈反比的權(quán)值，根據(jù)Dijkstra算法選擇最短路徑，當出現(xiàn)局部優(yōu)化時，重新計算新的最短路徑和地理標識該點不參與計算。該協(xié)議在選擇路徑時參考了車輛密度因素，提高了數(shù)據(jù)投遞率，但是這里的車輛密度是統(tǒng)計值而不是實時的，因此，不具有實時性和準確性[7]。針對A-STAR實時性差的問題進行改進提出了GyTAR路由協(xié)議，根據(jù)各個路段實時車流密度選取路徑，進而通過速度向量預測下一跳的位置進行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。該協(xié)議有效地解決了實時性問題，而且進一步提高了數(shù)據(jù)投遞率，但是對外界提高車流信息服務要求較高，較適宜于城市場景[8，9]?；谖恢玫穆酚蓞f(xié)議的分析比較如表1。

根據(jù)VANETs的網(wǎng)絡特點，未來的VANETs路由協(xié)議的方向應該是位置與電子地圖相結(jié)合的基于地圖的路由協(xié)議，根據(jù)電子地圖獲取整個網(wǎng)絡的交通情況做出合理、高效的路由選擇。

表1 VANETs基于地理位置路由協(xié)議的分析比較Tab 1 Analysis and comparison of routing protocol based on geographic location for VANETs

2 城市交通環(huán)境下GPSR協(xié)議存在問題

基于位置的典型路由協(xié)議GPSR使用地理位置信息，通過貪婪算法獲得局部最優(yōu)解，同時采用邊界轉(zhuǎn)發(fā)機制來解決貪婪算法引起的最佳主機問題，其主要流程如圖2。

圖2 GPSR流程圖Fig 2 Flow chart of GPSR

雖然GPSR協(xié)議具有算法簡單、不需要儲存和維護路由表開銷小等優(yōu)點，但是在城市交通環(huán)境中仍然存在著一些問題。針對基于位置典型的GPSR協(xié)議存在的問題，國內(nèi)外學者都提出的一些相應的改進方案。

2.1 解決空洞問題時右手法則開銷大

在遇到空洞問題時，GPSR協(xié)議會啟動邊界轉(zhuǎn)發(fā)模式，根據(jù)右手法則會出現(xiàn)盲目繞路和三角形問題。文獻[10]提出了分段貪婪路由算法，該算法選取一個與目標節(jié)點之間直接貪婪可達的節(jié)點作為一個中間目標節(jié)點，不斷迭代直到找到某個中間節(jié)點使得源節(jié)點到該中間目標節(jié)點之間是直接貪婪可達的。它克服了周邊轉(zhuǎn)發(fā)引起的繞路和三角形問題，減少了路由和開銷。文獻[11]提出了一種新的路由協(xié)議，該協(xié)議將每個路段分成不同的塊并在每個交叉路口設置錨點，當節(jié)點發(fā)現(xiàn)當前路徑上存在空洞則通過錨點選擇剩下塊中相對目的節(jié)點最近的塊內(nèi)節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，在塊內(nèi)則根據(jù)節(jié)點的速度和位置選擇下一跳，它同時解決了空洞問題和鏈路穩(wěn)定的問題。針對右手法則開銷大，文獻[12]提出了雙手法則，該法則分別根據(jù)左手和右手選擇2個節(jié)點，若兩節(jié)點是同一節(jié)點，則直接轉(zhuǎn)發(fā)給該節(jié)點；否則，選擇距離目的節(jié)點近的節(jié)點作為下一跳。針對文獻[12]在處理空洞問題采取左、右手法則引起的繞路和開銷較大問題，提出了基于節(jié)點權(quán)重的機制，該機制通過選擇由該節(jié)點的距離、丟包率和轉(zhuǎn)發(fā)成功率共同決定的節(jié)點權(quán)重值大的作為下一跳。雖然該機制提高了交付率，但計算量太大，需要的信息繁多[13]。文獻[14]提出了另一種解決問題的思想，在面對空洞問題時不是立即平面化采用邊界轉(zhuǎn)發(fā)，而是將節(jié)點退回前一個轉(zhuǎn)發(fā)點在剩下的節(jié)點中重新選擇下一跳，直至沒有遇到空洞。

2.2 自適應性差

針對GPSR在不同場景中無法采取正確的轉(zhuǎn)發(fā)模式導致數(shù)據(jù)包丟失的問題，文獻[15]根據(jù)車流密度自適應采取不同轉(zhuǎn)發(fā)機制，在稀疏模式下，容易出現(xiàn)空洞問題，從而采用基于穩(wěn)定的路由協(xié)議機制。文獻[16]根據(jù)格林布爾茨的速度—密度線性關(guān)系式，通過計算車輛的平均速度得到實時車流量密度信息，從而選擇最佳路徑?；谧赃m應選路策略的VANETs路由協(xié)議ASVP[17]針對 VANETs的鏈路頻斷性，提出了一種自適應路由協(xié)議,該協(xié)議引入攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)機制使協(xié)議能夠適用于間歇性連接的延遲容忍網(wǎng)絡，通過對道路模型分析計算，獲得路段連通性度量指標用于選取最優(yōu)路徑。

2.3 容錯性差

文獻[18]提到GPSR協(xié)議是在假設每個節(jié)點都是無故障的情況下，但是在實際交通情況下是不可能的，而容錯處理有助于減少能量消耗、維持穩(wěn)定路徑。因此，針對GPSR協(xié)議進行了改進，得到了EFGPSR，該協(xié)議主要分為錯誤檢測、平面化、高效貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和高效周邊轉(zhuǎn)發(fā)4個階段。改進的協(xié)議在網(wǎng)絡壽命、成功交付率方面都有所改善。文獻[19]介紹的故障容錯能提高無線傳感器網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性，并總結(jié)網(wǎng)絡層容錯技術(shù)主要分為多路由傳輸、糾刪編碼/網(wǎng)絡編碼、數(shù)據(jù)重傳機制、跨層協(xié)同優(yōu)化與復合容錯和仿生智能容錯等。文獻[20]指出引起鏈路斷裂的因素主要有鄰居節(jié)點位置不定移動出了傳播范圍或者中間節(jié)點出現(xiàn)故障。而目前針對鏈路斷裂的處理方法包括計算鏈路穩(wěn)定度、多條路徑等。針對大多數(shù)基于穩(wěn)定的路由算法都沒有考慮對節(jié)點的保護，本文提出了一種將節(jié)點和鏈路保護相結(jié)合提高穩(wěn)定度的多路徑節(jié)點保護路由協(xié)議GBR-NP。該協(xié)議在貪婪后備路由協(xié)議的基礎上增加了節(jié)點保護，每一個節(jié)點在原路徑中繞過出現(xiàn)故障的節(jié)點生成新的后備路徑。

2.4 無法感知障礙物

在真實的城市交通場景中，存在著大量的建筑物和樹木等障礙物，然而GPSR協(xié)議沒有障礙物感知能力，仍然根據(jù)固有的機制轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，導致數(shù)據(jù)包無法成功發(fā)送。如圖3所示，源節(jié)點S要向目的節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)包，根據(jù)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)S先把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給A，由于存在障礙物,A將無法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給D，導致轉(zhuǎn)發(fā)失敗。

圖3 無法感知障礙物效果圖Fig 3 Effect diagram of lack of obstacle-aware ability

文獻[21]中指出在真實城市場景中存在著障礙物和受限的道路，而大多數(shù)移動模型節(jié)點都是自由移動的，因此不適宜真實場景的仿真。針對這一問題，作者提出了一種新的基于錨點的移動模型(AMM)，該模型將錨點設置在障礙物每個凸面的角落，這樣就能形成一個曲線圖，節(jié)點可以通過選擇任意的錨點作為下一跳。通過將GPSR協(xié)議在AMM中進行仿真得到該模型更接近于真實場景，得到的仿真數(shù)據(jù)更有效，但該方法需要大量外界硬件的支持。文獻[22]設計了一種躲避障礙物的分布式地理路由算法GRdo，在使用該算法前，首先提出一種建立虛擬坐標的方法并引入可見圖，通過該圖輔助路由沿著障礙物的凸點建立路徑?jīng)Q策，通過該方法能夠較準確地判斷兩點之間是否存在障礙物并以較短的路徑繞開障礙物。針對文獻[21，22]需要大量的外界硬件支持，以及建立虛擬坐標較復雜等問題，文獻[23]提出了將障礙物的信息設置在路網(wǎng)屬性中，根據(jù)障礙物的坐標和兩節(jié)點連接之間是否存在交點，即可感知節(jié)點之間是否存在障礙物，進而根據(jù)障礙物的障礙度與閾值比較判斷是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。該算法能夠使協(xié)議更適應真實的城市場景，但門限值的選取有一定難度。

2.5 節(jié)點位置不定和分布不均引起的鏈路斷裂問題

GPSR協(xié)議中每個數(shù)據(jù)分組中都攜帶一個被稱作標志位的位置信息，用M表示。在數(shù)據(jù)從源節(jié)點向目的節(jié)點傳遞過程中，目的節(jié)點的位置信息始終保持不變同時轉(zhuǎn)發(fā)給每個中間節(jié)點，而在這個過程中VANETs中的目的節(jié)點是移動的。因此，每個中間節(jié)點可能是按照錯誤的目的節(jié)點位置進行轉(zhuǎn)發(fā)，導致數(shù)據(jù)包丟失。

如圖4(a)所示，S是源節(jié)點，D是目的節(jié)點，A,B,C都在S的通信范圍內(nèi)，根據(jù)GPSR路由協(xié)議的貪婪法則，S節(jié)點應該選擇A節(jié)點作為下一跳。由于在VANETs中，每個節(jié)點都在移動，且方向和速度不同，在更新鄰居節(jié)點表的時間段里，節(jié)點的位置發(fā)生了劇烈的變化。如圖4(b)，B已經(jīng)移動出S的通信范圍，A,C雖然仍在通信范圍內(nèi)，但A不斷遠離目的節(jié)點D。如果仍然堅持選擇A作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，那么成功轉(zhuǎn)發(fā)的幾率就會大大降低。文獻[24]針對GPSR協(xié)議中貪婪轉(zhuǎn)發(fā)選擇離目的節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳，當選擇好下一跳準備轉(zhuǎn)發(fā)時，該節(jié)點已經(jīng)運動出了源節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)范圍，導致數(shù)據(jù)包丟失的問題,即鄰居無線鏈路斷裂(neighbor wireless link break,NWLB)，提出影響NWLB的網(wǎng)絡因素有間隔時間、節(jié)點運動速度、網(wǎng)絡密度、節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)范圍和網(wǎng)絡的大小。綜合上述因素，文中基于GPSR提出了一種NWLBP預測模型，該模型對端到端延遲和丟包率有很大的改善。但是該模型沒有考慮運動方向，加速度對NWLB問題的影響。文獻[25]在文獻[24]的基礎上提出了將車流速度、移動方向、車輛密度的加入選擇下一跳的影響因素，針對車輛的運動方向和速度設置優(yōu)先權(quán)，并在具有優(yōu)先權(quán)的節(jié)點中根據(jù)距離和速度概率選擇下一跳從而減少NWLB問題。文獻[26]通過鏈路穩(wěn)定性地進行路由決策，它首先根據(jù)鄰居節(jié)點的成功交付率選擇交付率較高的作為候選節(jié)點，再跟據(jù)節(jié)點的方向和所處的狀態(tài)是靜止還是移動選擇下一跳。該方法能夠有效地提高數(shù)據(jù)包的成功交付率，但是計算每一個鄰居節(jié)點的交付率工作量太大，特別是在拓撲變化頻繁和車流密集的情況下。文獻[27]提出了一種新的基于鏈路生存時間選擇下一跳的方法，該方法與文獻[26]的不同在于，它根據(jù)節(jié)點位置和速度方向與大小的信息計算出鏈路的生存時間，并通過選擇由加權(quán)的生存時間和中間節(jié)點與目的節(jié)點之間的距離綜合決定的度量值大的作為下一跳進行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。文獻[28]介紹到車輛流密度小，表明區(qū)域速度高，拓撲變化頻繁容易產(chǎn)生NWLB問題。因此，提出了一種改進的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議，該協(xié)議根據(jù)車流密度大小選擇距離遠、中、近三區(qū)域中的鄰居節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，也就是車流密度大(小)就選遠(近)區(qū)域中鄰居節(jié)點。

圖4 鏈路斷裂效果圖Fig 4 Effect diagram of link break

3 結(jié)束語

結(jié)合國內(nèi)外對GPSR協(xié)議的改進研究現(xiàn)狀，存在的主要問題有以下幾個方面：

1) 目前許多研究把引起鏈路斷裂的主要因素歸結(jié)于節(jié)點位置不定和節(jié)點分布不均勻，忽略了障礙物的阻擋因素。

2)對于鏈路斷裂這個問題，大多解決策略忽略了影響鏈路斷裂的根本因素到底是速度方向、速度大小還是車流密度，而是一味地將方向作為首要因素選擇下一跳。

3)目前，解決無法感知障礙物的方法往往計算量較大且需要外接硬件支持，在此基礎上基于障礙物的路徑選擇計算繁雜，不適用于真實場景。

4)許多路由協(xié)議的仿真車輛運動模型過于簡單，試驗場景和現(xiàn)實場景之間的巨大差異可能導致路由協(xié)議的失效，路由協(xié)議的實驗仿真平臺還有待進一步研究和開發(fā)。

理想的路由協(xié)議的應該具有以下幾個方面：算法簡單、自適應能力強、控制開銷少、普適度高、時延小。通過對當前各類協(xié)議的分析比較，基于位置的路由協(xié)議對于VANETs頻繁變化的拓撲結(jié)構(gòu)具有最適性。而其中典型的路由協(xié)議GPSR具有算法簡單、開銷小等優(yōu)點，但在城市交通環(huán)境下仍存在著一些缺陷，對于它的普遍應用有一定阻礙作用。因此，針對其存在的問題進行改進設計高性能的GPSR是一個研究的重點。目前，許多國內(nèi)外學者針對GPSR不足進行單一的改進，而沒有根據(jù)其不足進行綜合有效地改進，因此，在真實場景中改進的效果往往差強人意?？偟膩碚f，GPSR在VANETs中的有效應用仍在研究階段，仍然有很多問題亟需解決，許多新的研究課題有待發(fā)現(xiàn)。

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Research progress of GPSR routing protocol in VANETs

HUANG Wen-jing

(School of Information Science & Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Because greedy perimeter stateless routing(GPSR) adapts to frequent changes of topological structure，many improved GPSR routing protocol are presented aiming at VANETs.Firstly, classify and compare network layer routing protocol in VANETs.Then,analyze and summarize core routing scheme of routing protocol based on position and advantages and disadvantages,analyze existing problems of typical GPSR based on position in cityscape.Finally, present research strategy and development directions of GPSR in future.

VANETs； routing protocol； GPSR

2014—01—14

TN 919.2

A

1000—9787(2014)04—0001—05

黃文靜(1989-)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向為寬帶無線網(wǎng)絡。