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?、出行更便捷，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(kuò)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?。依?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⒔⒙酚桑y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?？梢姡琔MB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(kuò)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.