车载自组织网路由技术研究综述

黄继海，赵 冰

(郑州工程技术学院 信息工程学院,郑州 450044)

车载自组织网路由技术研究综述

黄继海，赵 冰

(郑州工程技术学院 信息工程学院,郑州 450044)

车载自组网路由技术是近年来无线网络以及智能交通领域的研究热点之一，由于车载自组网节点密度大、拓扑变化快等特征给路由技术研究带来了巨大的挑战。本文从车载自组网路由技术的研究意义和研究内容出发，介绍了路由技术基于的车载自组织网架构，总结了车载自组织网的特点，对车载自组织路由模型进行分类介绍，对比了不同类型路由协议的性能，最后探讨了目前车载自组网路由技术中存在的问题及未来的发展前景。

车载自组网;路由技术;路径;转发

1 引言

随着我国经济的不断发展，道路交通的规模越来越大， 问题也越来越复杂，其导致的交通事故问题也成为了人、物损失的重大灾难。车辆网络概念在该需求背景下应运而生，2003年的汽车通信标准化会议上，相关专家提出了车载自组织网络(VANET，Vehicle Ad-hoc NETworks)的概念[1]。作为车辆通信网络的车载自组网将自组织网技术应用于车辆网络，使司机能够在超视距的范围内获得其他车辆或道路的状况信息，包括：车速、方向、拥堵等。车载自组网的设计目标是建立一个车辆间通信的平台，在提高交通效率的同时，带来可靠安全和多重便利[2]。

在VANET中，路由协议对研究车载自组网通信至关重要，路由协议的性能直接影响车辆之间通信的性能。但由于网络拓扑的频繁变化，节点(车辆)移动的高速性，导致自组织网路由问题成为VANET中的一个难题。本文通过国内外文献的阅读，对车载自组织网络路由模型进行了系统的研究和总结。

2 VANET基本网络架构与技术挑战

在VANET中，汽车、路边通信基站之间通信采用无线信道，其主要的系统组件包括：路边组件(Road Side Component，RSC)、通信组件(Communication Component，CC)、应用组件(Application Component，AC)。如图1所示，单个移动汽车嵌入CC和AC功能，汽车安装多个传感器，搜集、处理多方信息并发送消息给其它汽车或RSC，同时汽车可基于链路能力集成多种AC，RSC可连接互联网或其它服务，并将多种服务提供给AC。CC用来交换信息，内嵌处理器可实现内存的读写和数据的存储和恢复，基于IEEE 802.11p或IEEE 802.11a/b/g/n无线技术的用户接口实现不同CC间的通信或其它应用，CC为AC提供通信服务并转发数据包给其它CC，主要功能包括无线接入、自组织网、位置路由、网络拥塞控制、可靠消息传输、数据安全传输和IP移动。AC主要负责上层安全应用、个人数据帮助(Personal Digital Assistant，PDA)，AC通过无线或有线连接CC并嵌入在一个单独的物理模块中与CC具有严格的逻辑区分，AC只能通过CC完成独立的移动和网络功能。RSC是一个无线设备被灵活安置在路边、 交叉路口或停车场，RSC装备网络设备并基于IEEE 802.11p radio无线技术，其目的是与CC和网络通信，主要功能包括：通过不同CC和RSC的数据包转发扩展无线自组织网通信范围，为CC提供互联网连接，运行安全应用(如低桥警告、事故预警等)，并作为信息源广播告知汽车节点。为实现不同组件间的通信，主要的无线接入技术包括GSM-2G/GPRS-2.5G，UMTS-3G，红外线通信等，并通过增加新的接口协议适应IEEE 802.11p。

图1 VANET基本结构图

考虑到VANET的实际应用，可总结其区别于MANET(Mobile Ad hoc NETwork)的特征如下：(1)具有可预测的移动规律。由于VANET由道路拓扑构成，且遵守路标指示和信号灯，并受到其它汽车的影响，因此可以预测其移动的方向、路线和速度。(2)VANET中节点无电量限制。因为汽车依靠蓄电池为网络连接应用提供持续的电量。(3)提供安全驾驶并改进旅行舒适度。移动节点之间通过网络可实现直接通信，可将事故警告信息提供给驾驶员，通过消息广播，乘客换可以获得有关天气、拥堵、生活服务和互联网应用等多种信息。(4)VANET网络中节点密度大。节点密度主要来源于车流密度，尤其是在拥堵的城市道路或繁华的住宅区。(5)网络拓扑的变化快。由于无线链路带宽导致的同向/反向链路的生存周期的差异，高速移动的节点缩短了网络直径，切断了点到点网络连接，导致网络拓扑的快速改变。更进一步说，不同司机对所收到信息的不同反应及处理方式影响着拓扑。(6)单节点高计算能力需求。由于节点是汽车，为提供实时可靠地无线互联和准确的信息回馈，集成了高级天线技术、GPS导航、大量的传感器、处理器和大规模缓存，对计算能力需求提高。

VANET以上特征，导致其产生一系列问题，如信号衰竭、带宽限制、网络直径、安全问题等。在诸问题中，影响数据包可靠到达、带宽利用率、可接受端到端时延的路由问题也是一个亟待解决的关键问题，因为VANET中节点的高速移动和网络拓扑的快速变化，使得设计一个有效的路由协议在极短周期内传输包并保持极低丢包率是非常困难的，许多研究者已着力设计一个有效的路由协议可满足高密度节点的传输需要，提高数据包传输率增强系统的鲁棒性，保证组播路由请求的碰撞避免，可通过极短时间的包传输来应对突发状况。但现有VANET路由协议，由于其只依据单一的路由模型和算法，所以只能偏重于部分性能指标要求，而非全部。下面将对现有路由协议进行分类总结，分析其优缺点，对比其性能。

3 VANET路由模型的分类

基于已有文献的分类和多种路由协议的分析，本文将VANET中的路由协议大致分为7类：①基于拓扑(Topology Based,TB)的路由协议；②基于位置(Position Based，PB)的路由协议；③基于群组(Cluster Based，CB)的路由协议；④基于广播(Broadcast Based，BB)的路由协议，⑤基于地理位置多播(Geocast Based，GB)的路由协议，⑥基于服务质量(Quality of Svice Based，QoSB)的路由协议，⑦基于多路径(Multi-Path Based，MPB)的路由协议。如图2所示，其中列举的协议只是各类中的部分典型协议，而非全部。

3.1 TB路由协议

TB路由协议分为先应式和触发式两大类。先应式路由协议保存集中的路由信息，为保持路径，不断的在节点间广播洪泛路由包，从而在单节点构建路由表可查到目的节点的下一跳。其优点是可知下一跳的集中式的路由存储省略了路径发现过程，其缺点是保存大量无用路由，导致带宽利用率低，无法满足实时应用的需求。典型的算法有FSR(Fisheye State Routing)[3]，该算法保存来自邻近和本地邻居节点的最新路由信息生成拓扑表，不同节点间采用不同数据交换周期来减小大规模网络的数据包长度，随着与目的节点距离的增加，单节点路由表项将通过邻居节点升级。问题是随着网络规模的增长，路由表项也不断增长，导致对远距离目的节点的表项失准。

反应式路由协议又叫需求驱动路由协议，只有当节点有路由需求时才开始寻路过程。典型路由协议包括DSR(Dynamic Source Routing)[4]，AODV(Ad Hoc on Demand Distance Vector)[5]和TORA(Temporally Ordered Routing Protocol)[6]。DSR是一种基于源路由的按需路由协议，它使用源路由算法而不是逐跳路由的方法。DSR主要包括路由发现和维护两个过程。当源节点向目的节点发送数据时，首先检查缓存是否存在有效路由，如果存在，则直接使用该路由，否则启动路由发现过程：源节点使用洪泛法发送路由请求消息，该消息到达目的节点或任何一个中间节点(拥有目的节点路由)，则发送路由应答消息，该消息包含源节点到目的节点的路由信息。DSR的优点是节点仅需要维护与之通信的节点的路由，减少了协议开销；单次路由发现过程会产生并保存多条到目的节点的路由。DSR缺点是每个数据包的头部都需要携带路由信息，数据包头的额外开销较大；路由请求包采用洪泛方式，大大增加了传播冲突和重复广播的概率；过期路由会影响路由选择的准确性。AODV是DSDV(Destination Sequence Distance Vector)算法的改进，但它与DSDV的区别在于它是反应式路由协议。为了找到目的节点的路由，源节点广播路由请求包，邻居节点依次向周围节点扩散该请求包直到被送到中间节点(知道目的节点路由)或目的节点，而后逆向路由回应包，并更新正向路由表。如果中间节点移动导致相邻节点链路失效则会向其上游节点发送链路失效包进而传到源节点，而后源节点依需求重新发起路由发现过程。AODV的实现组合DSR和DSDV协议。它既具有DSR协议的路由发现和路由维护功能，同时又使用了DSDV采用的逐跳路由、序列号和Beacon消息。TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm)采用循环图的方式保证数据流的可到达所有节点，单节点通过广播路由请求包查询有向图，在收到广播包之后，如果该节点有可达目的地址的下行链路，则广播回复包，节点收到回复包将升级其表项选择所有回复包中可达路径最短的，TORA优点是可保证数据包到达所有目的节点，但维护路由表项的复杂度很高。

图2 路由协议分类图

3.2 PB路由协议

PB路由协议采用图位置信息来选择转发下一跳，数据包被发送到距离目的节点最近的下一跳邻居，非常适合源到目的节点的全局路由的创建和维护。PB路由协议将贪婪策略与中间节点结合，将数据包转发到更远的同向邻居节点，贪婪策略需要中间节点拥有自身位置信息、邻居位置信息和目的位置信息，该类协议主要目的是最短时延内将数据包传输到目的地。典型路由协议包括GSR(Geographic Source Routing)[7]，GPSR(Greedy Perimeter Coordinator Routing)[8]，CAR(Connectivity Aware Routing)[9]，LOUVRE(Landmark Overlays for Urban Vehicular Routing Environment)[10]。

GSR最早用在MANET，通过加入贪婪转发适合VANET场景的应用，该协议传输率和可扩展特性比AODV和DSR好，但该协议无法适应稀疏节点的网络，由于采用Hello消息作为控制消息，所以该协议路由开销增大。GPSR采用周边模式的路径发现策略，该模式由两部分组成，一部分采用分布式平面化算法通过移除冗余链路将连接图转化为平面图，第二部分为实时路由算法来操作平面图。由于高速节点移动和路由跳数被引入，该模式将会散布长路径路由，所以GPSR仅限静态街区地图使用而无法适应汽车密集的道路，且该协议过于依靠交叉路口节点。

在CAR中，路径发现由AODV和广播实现，一个节点生成路径存储头节点代替前向节点，用来转发路由回复包和路径学习，目的节点在许多可达路径中选择一条时延小的最优路径，CAR利用头节点将回复消息传输给源，守护节点用于回溯到达目的节点的路径。CAR无需数字地图，具有较高包传输率，且保证最短路径连接。存在没必要的头节点选择，且无法在环境变化时寻找到子路径。

LOUVRE是基于位置贪婪链路状态路由协议，采用道路长度和密集度创建路由，采用Dijkstra路由算法构建链路状态表并存储路由信息。LOUVRE采用路间路由和路内路由，路间路由提供路由方向，路内路由提供有保证的贪婪转发。LOUVRE路由过程分为两个阶段，第一阶段，节点不含任何路况信息，采用传统的基于位置的路由协议转发包。第二阶段，基于第一阶段路由升级，可获得所有邻居路况信息。两种发现策略将会基于应用类型设计，对于时延敏感业务，将包转发到至可达目的前驱节点。对于时延可容忍业务，采用承载转发方法，节点存储和承载数据包直到查表找到下一个可用节点。LOUVRE的时延和路径跳数高于GPSR和CAR。

Li等提出了一种基于蚁群优化PB路由协议VACO(Vehicular routing protocol based on Ant Colony Optimization)[11]，该协议结合先应式和反应式的功能分别保持最优路径，反应式机制在接近于目的节点的交叉点转发并回溯数据包，在每个交叉点选择路由和下一个交叉点，同时分段评估延迟、带宽和传输率三个QoS性能参数以决定最优路径选择。仿真结果表明VACO比GPSR、CAR具有更优的时延、吞吐率性能。

3.3 CB路由协议

CB路由协议节点聚类创建虚拟网络架构，地理域被分成网格，如果节点进入网格域，将被选举为头节点，主要负责内部和外部群组协调，节点在同一群组直接通信，节点在不同的群组利用群组头节点通信。源目的节点在不同的群组里直接发送数据包给邻居群组头节点，邻居利用相同的策略转发，直到到达目的地，CB路由协议内存空间不缓存路由表从而增大了包传输率。典型路由协议有HCB(Hierarchical Cluster Based Routing)[12]，CBR(Cluster Based Routing)[13]和CBDRP(Cluster-Based Directional Routing Protocol)[14]

HCB采用双层通信架构适应高速VANET，底层节点完成单一无线接口和多跳路径寻路功能，上层则通过基站完成彼此通信的任务。该协议周期性的信息交互保证群组间路由，但数据包高丢失率导致很高的重传率。CBR协议基于位置和群组方式将节点分成不同网格，网格内采用位置信息转发数据包，如果某节点被选举为群组头则会广播一个到达信息给邻居网格，如果该节点离开本网格，则会广播包括网格位置的离开消息。优点是路由开销小，缺点是该协议没有考虑车辆的速度和方向。CBDRP基于CBR协议将车辆方向和速度参数引入到协议中。这样做的优点是提高了链路的稳定性和可靠性，但重传率和路由开销很高。

3.4 BB路由协议

在VANET中，广播路由被频繁的用于天气、广告、事故预警和通知等。广播保证了包的传输可达，但却导致了带宽的浪费和数据的重复收取，所以更适合小规模网络。典型的广播路由协议包括基于群组洪泛的BROADCOMM协议[15]、基于距离洪泛的UMB(Urban Multi-hop Broadcast)协议[16]、基于概率的洪泛V-TRADE(Vector Based Tracing Detection)协议[17]。BROADCOMM是一个基于分层结构的高速网络，在BRAODCOMM中，高速公路被分成虚拟单元，虚拟单元中的节点被分成两个层次，第一个层次包括虚拟单元内所有节点，第二个层次被指定接近单元中心的广播发射节点，虚拟单元周期性广播来自邻居或节点成员的突发事件，方法类似于洪泛。UMB有效的解决了多条广播中的参照物、包碰撞和节点隐藏问题，发送节点在无任何优先拓扑信息下转发广播包时选择更远的节点，该协议在高负载和密集汽车流量条件下更适用。V-TRADE类似于基于消息广播协议的GPS，基本思想与任意广播路由协议ZRP(Zone Routing Protocol)相识，V-TRADE将邻居节点依据位置信息和移动信息分成不同的转发组信息分为不同的转发组，每个组就是一个小的再广播域，其改进了带宽利用率，路由开销主要来源于选择每一跳的下一个转发节点。

3.5 GB路由协议

GB路由协议是一个基于地理位置的组播路由，它从源到其他节点在指定的位置相关域ZOR(Zone of Relevance)传输数据包，并尽量避免广播包到达ZOR之外造成浪费，通常定义转发域并洪泛数据包以减小消息开销并避免碰撞，在目的域通过任意播路由转发数据包。典型的路由协议为：定向洪泛IVG(Inter-Vehicle Geocast)[18]和ROVER(Robust Vehicular Routing)[19]协议，非洪泛DG-CastOR(Direction-based GeoCast Routing Protocol)[20]协议。

IVG协议多用在高速公路上传播告警信息，转发数据包时为解决网络拓扑变化周期性广播设置定时器。ROVER采用在区域相关范围内向其他节点发送数据包，这种协议方式下控制包采用广播的方式，数据包采用单播的方式。ROVER应用了可靠的地理位置组播协议，不足之处是冗余数据带来高时延，协议开销大。

DG-CastOR基于有效链路尺度基础上的Geocast路由，主要思想是周期性评估具有相同运动轨迹的邻居节点的通信能力，其中，单独聚集域代表了一个广播的路由域，聚集域间的源和邻居将根据通信能力评估结果进行路由。该协议可动态适应密集网络和高速车辆，但评估过程需要大量的重传。

3.6 QoSB路由协议

QoSB路由协议通过适当的资源预留和网络架构保证良好的性能，在VANET网络中，协议通过分析链路时延、链路稳定性、车速、行车轨迹、车位置和车距来评估路由性能，尽力保持路由连接时间并减少链路恢复时间。MURU(MUlti-hop Routing for Urban)[21]协议基于汽车位置、速度和行车轨迹，采用EDD(Expected Disconnect Degree)度量尺度，优化了源到目的间路由跳数并提供鲁棒路由连接，EDD可以估计在规定时间内路由重大的概率，选择EDD小的路径进行转发。

同时基于服务质量参数指标时延，可分为延迟不容忍路由协议和延迟可容忍路由协议，前者包括上文TB、PB和CB路由协议中提到的典型协议。后者主要被用作农村区域的稀疏VANET网络和密集区域的晚上的小车流场景，在这种情况下，由于很难找到转发数据包的节点，建立时延保证的端到端路由几乎不可能，因此引入时延可容忍的因素。该技术采用承载与转发策略，自有当邻居节点或其它可路由节点获得后才将数据包转发，否则将一直保存并承载数据包。典型的路由协议有：VADD(Vehicle-Assisted Data Delivery)[22]、GeOpps(Geographical Opportunistic)[23]和MaxProp[24]。VADD采用承载与转发策略路由数据包，其设计在道路交叉点来选择最优可能路径，在转发数据包前数据包一直被存储在节点，期间路由路径一直被计算。Gepps在稀疏网络中采用机会路由和承载与转发策略路由消息，并表现出良好的包到达率、链路利用率性能。MaxProp同样应用在稀疏网络中，限制数据包传输几率，将对路由操作分为邻居发现、数据传输和存储管理三个阶段。

3.7 MPB路由协议

基于构建路径的路由协议包括单路径(TB、PB和CB路由协议)、承载转发路径(QoSB路由协议)和多路径三种。在单路径中，链路失败的路径发现过程将增加时延和网络开销，承载转发路径只适合于延迟可容忍网络。

在单路径路由中，路径发现过程请求失败的链路增加了时延和网络开销。节点承载数据包并转发给其他周边节点的方法只适合于时延不敏感业务。另一方面，多路径路由在首选路由失败后提供了其他路由选择，这就可以满足错误冗余降低路由发现过程开销。多路径路由算法主要包括AOMDV(Ad hoc On-Demand Multi-path Distance Vector)[25]，S-AOMDV[26]，MMDSR(Multipath Multimedia Dynamic Source Routing Protocol)[27]具体描述如下。

AOMDV是AODV的扩展，性能优于AODV，AOMDV发现无循环不相交多路径，它通过增加限制提供了链路不相交路径和节点不相交路径，但保持节点不相交路径将会限制可选路径的数量。S-AOMDV与AOMDV的不同之处在于：S-AOMDV通过发送额外的控制包能够探测范围内所有节点的平均速度和跳数，从而选择最优传输路由，这些额外的包增加了流量，降低了带宽利用率。MMDSR是DSR的改进，但构建路由的方式与MMDSR不同，每个节点记录邻居路由表去寻找路由，通过接收请求信息改进路由，该协议保证每个节点在传送数据时只加入一条路由。考虑到路由开销的增长，实际中，MMDSR中同一时间的设计路径不超过三条，当标签了应用区分的数据包到达时，将判断其需求而选择不同的路径，且三种不同路径可设置不同的寻路方式和Error处理方式，有效的解决了DSR重复广播，过期路由准确性差的问题，但同时也增加了数据包头的额外开销，且增大的传播冲突概率。

4 VANET路由协议性能比较

在真实环境中测试和评估VANET的协议和应用有很大难度，因此利用仿真工具进行VANET研究和性能评估就成为了一种很有效的技术手段。第3节中提到的不同类路由协议基本的转发和路由方式包括：优先转发策略，数字地图需求，虚拟化需求，真实交通流量，覆盖策略、应用场景等，对比如表1所示。

表1 路由协议基本的转发和路由方式对比表

VANET路由协议的性能指标主要包括：(1)平均端到端时延，该指标表明一个数据包从源节点通过VANET到目的节点的平均时延。(2)包传输率。该指标表明一个数据包从源节点通过VANET到目的节点的成功率，它是目的节点接收数据包数量与源节点发送相关数据包总量的比。(3)数据吞吐量，该指标是源节点注入网络总bits与到达目的节点的时间的比。(4)路由开销，该指标描述数据包成功传输条件下路由协议额外产生的流量。定义为：路由协议额外复制的数据包数量与成功到达目的节点数据包数量的比。(5)可扩展性，该指标描述路由算法控制网络节点数量增长的能力。

本文采用网络仿真软件NS2建立仿真场景，采用MOVE快速生成真实运动模型，分别选择每种协议类型中的一个代表，为TORA、LOUVRE、CBDRP、V-TRADE、DG-CastOR、MaxProp、AOMDV本文模型仿真的主要参数如表2所示。

表2 仿真场景指标

鉴于文章篇幅，只对单个性能指标中最大最小值进行判定，仿真结果如表3所示，表中“—”代表间于最小与最大之间，一横行中有多个最大或最小的情况表明两协议在该指标的多次仿真结果具有某范围不稳定性，无法区分大小。

表3 性能指标对比表

5 结语

未来VANET路由协议性能需求可能包括改进协议可靠性、降低数据包传输时延和重传次数将成为VANET路由协议的主要挑战；在路由协议的设计中司机行为的因素将被考虑在内；设计有效的Geocast路由协议，满足时延冗余能力和突发消息网络带宽预留。从VANET特点来看，应用于车间通信的路由协议可以利用GPS系统、导航系统、电子地图获得节点的位置、道路拓扑信息和路径规划信息等，节点集、道路集和转弯限制集等可有效支撑用户和软件的需求，使之能更快、更准地计算出最佳路径，未来VANET路由协议的发展方向应该是位置与电子地图相结合的路由协议。

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(责任编辑 赵冰)

A Survey on Routing Technology in Vehicular Ad Hoc NETwork

HUANG Ji-hai，ZHAO Bing

(College of Information Engineering,Zhengzhou Institute of Technology, Zhengzhou 450044, China)

Routing technology in Vehicular Ad hoc NETwork has the most remarkable aspects in the field of intelligent traffic in recent years. Routing technology faces most huge challenge because of the characteristic include larger node density, faster topology changing and so on. Based on the meanings and contents of Routing technology in Vehicular Ad hoc NETwork, this paper introduced the basic architecture of Vehicular Ad hoc NETwork for routing technology firstly. The characteristics of Vehicular Ad hoc NETwork was summarized secondly. Routing models were divided into different types and introduced about crucial details. The performance of different routing protocols was compared by each other. Finally, the problems and the development trend of routing technology in Vehicular Ad hoc NETwork were discussed.

Vehicular Ad Hoc Network; routing technology; path; forwarding

2016-12-24

河南省科技厅计划基金资助项目(122102210142);河南省高等学校重点计划项目(15A520066)

黄继海(1977—)，男，河南台前人，硕士，郑州工程技术学院信息工程学院副教授，主要研究方向为下一代网络体系架构。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2017.02.027

TN929

A

1008-3715(2017)02-0117-07