车载自组织网络路由协议研究

【摘要】文章对VANET的研究必要性以及VANET的特性进行分析后，从消息内容、节点属性和拓扑构造三个角度对VANET进行了分析并对三方面的最新研究进行了描述，分析了车载自组织网络路由协议中常使用的实时信息及现有路由协议存在的问题，并给出了VANET进一步的研究方向。

【关键词】车在网络；路由协议；实时信息

车载自组织网络（简称VANET）旨在基于车辆之间及车辆与路边通信站之间的无线通信构建一个无线网络来实现城市信息的有效传递，以便实现更好的城市移动媒体服务、及时的城市安全预警以及高效的城市交通管理。

据公安部交管局消息得知，截至2013年10月底，我国机动车保有量为2.5亿辆，其中汽车1.35亿辆，占53.9%，私家车超过8500万辆，比10年前增长13倍。大量的机动车辆给城市带来了巨大的压力，对城市交通调度、安全预警等各方面提出许多要求，车载自组织网络为这些问题的解决带来了新的机遇。另外，VANET的代价远远低于网络提供商提供的的无线网络服务，可以实现较低廉的车载移动娱乐服务。

在一些特殊情况下，传统网络是不可用的，如2008年的汶川地震和2013年南方冰雹期间，大量的基础设施遭到破坏，网络瘫痪导致大量求救信息无法传出。汽车数量剧增的时代智能传输设备的不断优化为VANET的实时实现提供了可能性，VANET不完全依赖路边基站的特性为灾难中信息传输提供了可能解决方案。

文章组织如下，第一部分介绍了VANET的特性与研究问题所在，第二部分对近年来VANET的相关研究做了分类，第三部分分析了现有VANET路由研究中所使用的信息和VANET存在的问题及研究方向，第四部分对文章进行了总结。

1.VANET分析

VANET具有两种通信模式，即车辆之间的通信和车辆与基础设施间的通信，车辆采用“携带-存储-转发”的方式进行消息传输。VANET表现出节点高移动性，网络拓扑不稳定和节点自组织性等特性，在某些特殊情况下表现出机会性。组成网络的车辆节点具有移动性、社会性，可以实现信息的实时获取，如移动速度、当前位置、移动方向等。

在VANET中网络的构成是靠移动节点完全自组织的，同时节点的移动收到城市布局的限制，再者网络中传输的消息具有一些共性（如目的节点所在的区域），因此在进行VANET研究时可以将着重点集中于消息、网络节点和拓扑三个方向，对于相关研究将在第二部分给予介绍。

节点信息的实时获取对于实现启发式和基于上下文的路由算法起着决定性作用，车辆现有的计算能力和感知设备为其实现提供了良好的条件。车辆可以通过配备的GPS获取当前的位置，亦可通过摄像头等来测量自身位移。位置信息可描述节点的移动轨迹从而构建热点区域等加速网络中的消息路由；通过位置或位移信息可以计算出车辆短期的移动方向或速度变化，以辅助节点选取最好的下一条延迟节点。对于节点的速度及变化也可通过传感器或者接口直接从车辆发动机或车轮处直接获得，这对于评估道路情况非常重要。

目前许多车辆装载了地理信息系统，使得移动节点可获知城市道路拓普信息，在进行路由设计时可预先进行区域划分，这对减少消息副本的洪泛式增长及提高节点资源利用率非常有效。即使GIS相关基础设施设备不可用，也可以考虑通过GPS位置信息进行地理区域划分，加速消息的有效投递。

2.VANET路由研究描述

2.1 以消息为中心的VANET路由策略相关研究

以消息为中心为中心的VANET路由策略主要考虑通过控制消息副本的副本数目来控制网络拥塞问题并实现较理想的数据传输。经典的洪泛路由策略Epidemic虽然能够实现最大努力交付且实验证明消息投递率确实比较高，但随时间的增长网络中的消息副本数目爆炸式增长而造成网络拥塞，这使得许多新消息无法得到传输，网络性能开始下降，大量网络资源被浪费。

改进的洪泛路由策略Rumor[1]通过设置“”数据包广播少量的包含事件信息的数据副本，减少了网络中数据包的副本数量，减少了数据包被丢弃的可能性，具有更小的传输延迟。基于编码的路由方式能够弥补传统复制转发式路由不能充分利用多播路由的缺点，基于网络编码的事件驱动路由NCMR[2]，使用HELLO包确定周边节点的信息，根据局部拓扑信息节点计算确定最小有限域并进行向量先行无关的的局部编码。NCMR采用线性的局部编码，克服了传统编码方式对全局信息的依赖。

2.2 以节点为中心的VANET路由协议相关研究

该类路由策略主要考虑从节点的特性出发，如节点的成簇特性、社会性、延迟节点的分配和等级划分等。基于节点相遇的ACR[3]引入蚁群算法的思想，节点在进行数据包转发时会“释放信息素”，进行消息转发时会优先选择信息素含量较多的节点中继转发。基于最近社交圈的CSCR[4]根据受社交关系影响的节点相遇构造簇相遇模型，将节点单位时间内遇到的移动节点的次数量化为节点的社会度，在进行消息路由时通过节点在簇相遇时竞争产生簇头来提高网络中消息传递的速率。

VANET中如何识别延迟节点并有效的分配延迟节点有助于实现性能良好的路由协议。延迟节点在在很多时候会移动至被隔离的区域，此时VANET变成了VDTN。延迟节点VANET性能的影响[5]一文考虑数据传输跳数与传输时间两个性能指标，给出通过最大化延迟节点利用率来减少延迟节点使用次数的MRA算法、通过增加最少的延迟节点以最小化传输时延的MRD算法和选用最小跳数的路径来最小化传输时延的MDT算法。车辆的运动方向不稳定、车流密度不可控、运动速度时变及构造的平面图存在间隔性分割这些问题都会引起错误的数据包转发。

基于交通信息的改进GPSR算法TGPSR-WI[6]对GPSR进行了改进，无基站可用时，根据节点的稳定性粗略的将节点划分等级，节点将消息转发给根据局部节点属性信息确定的最优候选节点集，在数据包投递率、平均吞吐量、平均传输时延上均有明显的改善。

2.3 以拓扑为中心的VANET路由策略相关研究

以拓扑为中心的VANET路由策略主要是从地理拓扑角度出发，进而推算出网络链路的可用性进行消息传输优化。

道路的数据传输延时可以近似当做网络拓扑链路延时来进行车载自组织网络路由设计。基于分布式实时信息的DRIP[7]提出了路段时延评估机制DRES，通过执行DRES进行路段延时估计分布式的获取实时道路信息，作者提出包含直路模式和路口模式两种模式的基于携带转发的DRIP路由协议，选择更有可能靠近目标位置的车辆进行消息转发。基于链路感知的LALO[8]根据当前临近十字路口与目标临近十字路口间的欧式几何距离确定的链路转发方向，根据车辆运行方向与路径转发方向、车辆实际速度与车辆的平均速度两种背离关系量化得到的链路稳定度三个方面构建了传输性能预测模型。具有十字路口模式、直路模式和接入点模式三种模式的LALO路由协议表现出良好的传输性能。

VANET中节点的移动与通信受地理环境限制，具有良好的连通性的区域安全性与可靠性可能很低，具备消息传输可用性的区域的可用时间太短不足以顺利实现消息传输。可靠的地图路由协议RMR[9]由可靠地图管理、评估与信息转发，可靠路由发现，邻居发现三部分组成，节点会选择具有更高可靠度与可信任度的地理区域中的节点作为“最好”节点群进行消息转发，在传输成功率与传输延时上表现良好，同时在路由开销上有很大的提升，表现出较好的可靠性。

车辆速度、密度等能够弥补地理路由协议的不足，基于位置和连通性的PCAR[10]由锚节点序列选取、扩展的贪心算法和路由恢复三部分组成，将岔路口抽象为锚点，根据依赖于道路长于和路上节点密度求出的道路权值选择锚点序列，在直道上采用贪心算法向临时目的锚节点传输数据，性能表现良好。

3.VANET中信息使用与存在问题

为更好地路由消息，研究者使用节点所能获取的信息进行有效计算，消息中包含目的节点的id或者位置，通过目的节点的信息可以推算出目的区域，对具有同一目的区域的消息采用相同的方式进行传输；对于具有规律内容的消息可以进行编码重新分组，减少副本的情况下提高消息投递成功的可能性。

消息传输的主体是移动节点，因而节点属性制约并保证了VANET消息传输的性能。节点的属性包括位置、速度、加速度、移动方向、历史轨迹、邻居数目、常驻区域、亲友节点、通信范围等，可以通过计算进一步得到拓扑信息以辅助延迟节点的选取和消息的传输转发。地理拓扑信息包括道路分布、道路节点密度、道路传输延迟、障碍存在情况、十字路口信息、基站分布等，这些信息可以转化为网络拓普信息，通过拓普信息的获取与计算分析可以进行区域划分与路径选取以实现良好的消息传输。由于VANET是靠移动节点自组织构成的，因而不能采用传统网络固定路由的方式进行消息传输，通使用实时信息的获取和历史信息进行动态路由是解决VANET路由的有效方案。

现有VANET路由协议中存在一些问题，这也使得对其进一步研究存在可能性。许多方案使用GIS在灾难发生时是不可取的，如何进行动态模拟的地理拓扑获取与构建是未来的一个研究方向。许多路由协议从节点的某几个属性进行计算得出节点优先级或道路的延迟以进行消息传输优化，这并没有充分利用节点的信息收集与计算能力，如何实现一种综合属性的VANET路由方案值得考虑。以往的研究中，更多的是考虑如何加速实现消息的投递，忽略了传输安全这一问题，将快速传输与安全保证相结合是未来的一个研究热点。

4.总结

VANET具有自组织性切不依赖传统网络和基础设施，是实现智慧城市中的交通管理和应对灾难中的信息传输很好的选择，实时信息的使用对于优化VANET路由方案有很好的效果。从消息内容、节点属性和拓扑信息三角度出发的路由方案能够实现很好的消息传输，但仍存在一些问题，值得进一步的挖掘和深入研究。

参考文献

[1]BraginskyD，EstrinD.Rumorroutingalgorthimforsensor networks[C].ACM，2002：22-31.

[2]罗娟，肖仪，等.基于网络编码的多播车载网路由算法研究[J].计算机研究与发展，2011，48（9）：1616-1622.

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[4]李陟，李千目，等.基于最近社交圈的社交时延容忍网络路由策略[J].计算机研究与发展，2012，49（6）：1185-1195.

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[8]沈虎，王晓东，等.一种基于链路感知的VANET路由协议[J].软件学报，2011，22（1）：157-164.

[9]Gohari A A，Pakbaz R，Melliar-Smith P M，et al.RMR：Reliability map routing for tactical mobile ad hoc networks[J].Selected Areas in Communications，IEEE Journal on，2011，29（10）：1935-1947.

[10]张丽丽，郑莹，陈浩.基于位置及连通性的车辆自组网可靠路由算法[J].软件学报，2012，23（1）：141-148.