0 引言

　　隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，城市車輛日益增長(zhǎng)，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?dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)MANET(Mobile Ad hoc Network)屬于無(wú)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(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。MANETs(Mobile Ad hoc Networks)具有一些顯著的特性，如動(dòng)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M(fèi)ANETs中的特例，具有一些獨(dú)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(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)V2V以及V2I的通信，使駕駛者能實(shí)時(shí)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(wú)限能量供應(yīng)、移動(dòng)受道路模型限制以及定位等特性。這些獨(dú)特的特性，為實(shí)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(dòng)是VANETs網(wǎng)絡(luò)的最顯著特性之一。節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)，導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不定，這為部署VANETs帶來(lái)許多技術(shù)挑戰(zhàn)[3]。尤其路由技術(shù)面臨著諸多問(wèn)題。由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，使得節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路持續(xù)時(shí)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(shí)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(diǎn)，并分析路由協(xié)議的未來(lái)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(dòng)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(dòng)性

　　在VANETs中，車輛一直在移動(dòng)，除了偶爾的臨時(shí)停車外。在不同的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型(Mobility model)中，即便是相同的VANETs算法，其性能也會(huì)迥然不同。

　　(2)車輛運(yùn)動(dòng)模式局限性

　　在VANETs中，車輛的運(yùn)動(dòng)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(gè)客觀因素影響。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，受限的運(yùn)動(dòng)模式使得車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡具有一定的規(guī)律性和預(yù)測(cè)性。

　　(3)車輛移動(dòng)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(shí)，他們的相對(duì)速度就近200 km/h。因此，車輛間的交互時(shí)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(hào)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(shí)，各類的傳感數(shù)據(jù)使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更大的靈活性。

　　(5)計(jì)算、存儲(chǔ)能力的強(qiáng)大性

　　與傳統(tǒng)的無(wú)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(shí)現(xiàn)密鑰的存儲(chǔ)、加密解密的計(jì)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(qiáng)大的計(jì)算能力以及大容量的存儲(chǔ)空間。

　　(6)基礎(chǔ)設(shè)施的輔助性

　　在構(gòu)建VANETs網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(diǎn)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(qiáng)，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?jī)?yōu)化等。如利用車輛間相互交換狀態(tài)信息提前通知司機(jī)，使得司機(jī)能根據(jù)情況做出及時(shí)、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(lái)不及緊急剎車，造成一系列的連鎖碰撞現(xiàn)象，可通過(guò)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(guò)“盲區(qū)”，如高速公路出入口、交通十字路口等。交通流量?jī)?yōu)化是指通過(guò)VANETs獲取實(shí)時(shí)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(dòng)計(jì)費(fèi)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(wèn))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(lè)、視頻點(diǎn)播、汽車會(huì)議等，如在線游戲和Internet接入等。

2 VANETs消息傳播機(jī)制

　　目前，現(xiàn)有的VANETs消息傳播機(jī)制可分為三類：(1)基于地理位置(Position based)的消息傳播機(jī)制；(2)基于拓?fù)?Topology based)的消息傳播機(jī)制；(3)基于廣播(Broadcast based)的消息傳播機(jī)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(lái)，分別分析這三類消息傳播機(jī)制的特點(diǎn)。

　　2.1 基于位置的消息傳播機(jī)制

　　基于位置的消息傳播機(jī)制，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)位置以及鄰居節(jié)點(diǎn)的位置選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑。無(wú)需網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全局信息。在實(shí)施過(guò)程中，可通過(guò)周期廣播的beacons進(jìn)行傳遞，也可通過(guò)位置服務(wù)請(qǐng)求獲取。該類機(jī)制需利用全球定位系統(tǒng)GPS獲取節(jié)點(diǎn)的位置信息，典型的基于位置的消息傳播機(jī)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(jī)制。在GPSR機(jī)制中，源節(jié)點(diǎn)利用鄰居節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離，并依據(jù)距離信息決策下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示，源節(jié)點(diǎn)S向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D發(fā)送消息。為此，源節(jié)點(diǎn)S向鄰居節(jié)點(diǎn)A、C、B發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，鄰居節(jié)點(diǎn)A、C、B收到后，回復(fù)自己的位置信息。源節(jié)點(diǎn)S收到來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的消息后，依據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的位置，計(jì)算離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，選擇離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)B。

　　基于位置的消息傳播機(jī)制在消息傳播過(guò)程中，無(wú)需網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑑H基于鄰居節(jié)點(diǎn)及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息。該類機(jī)制的優(yōu)/缺點(diǎn)如下。

　　(1)優(yōu)點(diǎn)：在節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)的環(huán)境中，具有高的性能。能夠應(yīng)對(duì)車輛的快速移動(dòng)；無(wú)需源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的全局路由，降低了系統(tǒng)的處理開(kāi)銷；更適應(yīng)節(jié)點(diǎn)分布式環(huán)境。

　　(2)缺點(diǎn)：需要GPS提供位置，一旦GPS不能正常工作，可能會(huì)導(dǎo)致消息傳播機(jī)制失效；道路障礙物影響距離的計(jì)算；需beacon包。

　　2.2 基于拓?fù)涞南鞑C(jī)制

　　基于拓?fù)涞南鞑C(jī)制在決策路由時(shí)，主要利用鏈路信息選擇從源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)先建立到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的路由表，并且實(shí)時(shí)對(duì)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(shí)，只需進(jìn)行查表，無(wú)需再進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，降低數(shù)據(jù)傳遞時(shí)延。但是，在拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的VANETs中，預(yù)先建立路由表是非常困難的，開(kāi)銷很大。此外，維護(hù)路由表的開(kāi)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(diǎn)需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，才啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)工作，并且節(jié)點(diǎn)只需建立到其他部分節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)證，DSR和AODV難以應(yīng)對(duì)VANETs內(nèi)節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)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(kāi)銷無(wú)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(guò)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(kāi)銷，但是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量的減少會(huì)增加延時(shí)。一旦PG為空時(shí)，路由發(fā)現(xiàn)失敗。

　　概括來(lái)說(shuō)，基于拓?fù)鋬?yōu)/缺點(diǎn)如下：

　　(1)優(yōu)點(diǎn)：依據(jù)拓?fù)湫畔ⅲ峁脑垂?jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)路由表，降低了數(shù)據(jù)包傳遞時(shí)延；能夠發(fā)送單播、組播及廣播類消息；無(wú)需beacon包。

　　(2)缺點(diǎn)：由于需要路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)，增加了額外開(kāi)銷；由于依據(jù)拓?fù)湫畔⒔⒙酚?，難以應(yīng)對(duì)高速移動(dòng)的車輛環(huán)境；會(huì)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(diǎn)進(jìn)行傳遞。最簡(jiǎn)單的廣播方式就是泛洪。泛洪機(jī)制只適合節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的情況，一旦節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)廣播數(shù)據(jù)，相互競(jìng)爭(zhēng)信道，導(dǎo)致廣播風(fēng)暴問(wèn)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(diǎn)通信范圍及密度對(duì)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(jī)制尋找道路中最遠(yuǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，再將此節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)進(jìn)行定向廣播?？梢?jiàn)，UMB方案的實(shí)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(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間信息的交互。一旦收到廣播數(shù)據(jù)包后，節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較，判決自己是否是最佳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，若是，則繼續(xù)廣播數(shù)據(jù)包，否則由鄰居節(jié)點(diǎn)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(jì)算退火區(qū)域。處于退火區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)無(wú)需繼續(xù)廣播數(shù)據(jù)包。接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)采用交通擁塞檢測(cè)算法計(jì)算需等待多久方可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，在時(shí)間未到之前，就處于等待狀態(tài)。如果交通擁塞，需延長(zhǎng)等待時(shí)間。

　　文獻(xiàn)[21]針對(duì)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(gè)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(diǎn)作為該區(qū)域的Reflector節(jié)點(diǎn)。Reflector節(jié)點(diǎn)承擔(dān)與鄰居Reflector節(jié)點(diǎn)的通信，控制數(shù)據(jù)包的廣播，并管理區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，先計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)包的相關(guān)性，將具有最大相關(guān)性的節(jié)點(diǎn)作為最佳下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。相關(guān)性包括數(shù)據(jù)包的相關(guān)性(如產(chǎn)生時(shí)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(diǎn)總結(jié)如表1所示。

　　此外，在設(shè)計(jì)廣播協(xié)議時(shí)，應(yīng)考慮到達(dá)率Reachability、時(shí)延Delay、平均開(kāi)銷Overhead以及碰撞率Collison 4個(gè)參數(shù)，可分別按式(1)～式(4)進(jìn)行計(jì)算。

　　其中N為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在第i輪廣播產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的時(shí)刻、網(wǎng)絡(luò)中最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包的時(shí)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(diǎn)數(shù)，Ki表示在第i輪廣播中收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)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(chǎng)景、電子地圖需求、路由恢復(fù)策略以及轉(zhuǎn)發(fā)模式四個(gè)方面對(duì)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(chǎng)景不一，解決問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)也各不相同。

　　從分析結(jié)果可知，VANETs中的路由協(xié)議應(yīng)對(duì)車輛的快速移動(dòng)具有魯棒性，必須具有自適應(yīng)能力，同時(shí)控制開(kāi)銷少、可擴(kuò)展性強(qiáng)。下面在分析各類路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)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(guò)于理想化，在實(shí)際環(huán)境中，難以實(shí)現(xiàn)這些條件。此外，VANETs內(nèi)一些不確定因素對(duì)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(wèn)題。

　　(3)仿真平臺(tái)統(tǒng)一性

　　現(xiàn)有的VANETs路由協(xié)議實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)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(dòng)模型過(guò)于簡(jiǎn)單，設(shè)定的實(shí)驗(yàn)仿真場(chǎng)景與實(shí)際場(chǎng)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(tái)。

　　總體之言，國(guó)內(nèi)外的研究人員針對(duì)VANETs不同場(chǎng)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(wèn)題需解決。

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