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车载自组网技术综述

Bhuvaneshwari。年代1迪夫。G1, Kirithika.K.B1和Nithya。年代2
  1. 印度泰米尔纳德邦哥印拜陀KPR工程技术学院ECE系学生
  2. 印度泰米尔纳德邦哥印拜陀KPR工程技术学院欧洲经委会系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

通信技术的最新进展使在不同环境中实现不同类型的网络成为可能。其中一个网络就是车载自组织网络(VANET)。它是移动自组织网络(MANET)的一个具有挑战性的子类，可以实现车辆之间以及车辆和路边基础设施之间的智能通信。这是智能交通系统的一种很有前途的方法。在使用VANET时，有许多挑战需要解决。它具有很高的动态拓扑结构和受限的可移动性，这使得传统的MANET协议不适合VANET。本文的目的是对车载自组织网络和现有的VANET路由协议进行概述。

关键字
VANET, ITS，动态拓扑，移动性，路由协议

介绍
近年来，车辆与道路运输系统的协同可以显著提高驾驶员的安全、道路效率，减少对环境的影响，这一观点已被学术界和业界广泛接受。车载自组织网络(VANETs)的发展受到了越来越多的关注和研究。为提供一个公共平台以促进车辆间通信(IVCs)，已进行了大量工作。在实现交通状况监测、动态路线调度、应急信息发布以及安全驾驶[1]等方面，都需要IVC。假定每辆车都有一个无线通信设备，以提供自组织网络连接。vanet是manet(移动自组织网络)的一个子集，其中通信节点主要是载体。由于它与车辆有关，所以它的排列是可移动的，最终分散在不同的道路上。
在vanet中，车辆可以相互通信(V2V，车对车通信)，也可以连接到基础设施(V2I，车对基础设施)以获得一些服务。这些基础设施位于公路沿线。vanet中的网络节点具有高度的移动性，因此网络拓扑结构是不断变化的。因此，两车之间的通信链路状况变化快，容易因车辆移动而断开。幸运的是，他们的移动性是可以预测的，因为它受到交通网络和规则的影响。vanet通常比manet具有更高的计算能力和更高的传输功率。
VANETs应用类型分为安全性和效率[2]。VANETs系统的设计和实现存在许多困难，包括:安全性、隐私性、路由、连接性和服务质量。本文主要研究车对车通信(V2V)中的路由问题;讨论了一些建议的路由解决方案，路由协议分类，并说明了VANET路由中的一些挑战和开放问题。路由协议的主要目标是通过最小的开销在网络节点之间提供最优路径。针对VANETs环境开发了许多路由协议，这些协议可以根据协议特性、使用的技术、路由信息、服务质量、网络结构、路由算法等不同方面进行分类。本文的其余部分组织如下:第2节概述VANET，第3节介绍相关工作，第4节提供路由协议的比较，最后第5节总结本文。

vanet概述

A.智能交通系统
在智能交通系统中，每辆车都扮演着发送者、接收者和路由器的角色，向车载网络广播信息。为了实现车辆与路侧单元(rsu)之间的通信，车辆必须配备某种无线电接口或车载单元(OBU)，以形成短距离无线自组织网络[3]。在ITS车辆配备全球定位系统(GPS)或差分全球定位系统(DGPS)接收器进行位置预测。固定rsu必须到位，与骨干网相连，便于通信。例如，一些协议要求路边单元均匀地分布在整个路网中;有些国家只要求在十字路口设置路边单位，而另一些国家只要求在区域边界设置路边单位。尽管假设基础设施在某种程度上是存在的，并且车辆可以断断续续地访问它是安全的，但要求车辆始终具有与路边单位的无线连接是不现实的。车际、车到路边和基于路由的通信依赖于关于周围环境的非常准确和最新的信息，这反过来又需要使用精确的定位系统和智能通信协议来交换信息。

B.车辆网络架构
如图1所示，VANETs的架构分为三个主要类别:
车辆间通信:这也被称为车对车(V2V)通信或纯自组网。在这种情况下，车辆之间无需基础设施支持即可相互通信。从车辆上的传感器收集到的任何有价值的信息都可以发送到邻近的车辆。
车辆到道路侧通信:这也被称为车辆到基础设施(V2I)通信。在此类别中，车辆可以使用蜂窝网关方式和无线局域网接入点连接到互联网，并促进车辆应用。
道路之间的通信:这也被称为混合动力车辆到路边的通信。车辆可以使用基础设施相互通信，并通过特殊通信以点对点模式与其他车辆共享从基础设施接收到的信息。该体系结构包括V2V通信，并在内容共享方面提供了更大的灵活性。

C. Vanet的特殊特性
VANET在自组织、自管理、低带宽、共享无线电传输标准等方面与MANET的运行技术基本相同。但VANET运行的关键障碍是移动节点(车辆)在[1]路径上的高速度和不确定性。此外，vanet与manet相比具有以下独特的吸引力:
更高的传输功率和存储容量:vanet的网络节点(车辆)通常比manet的网络节点(车辆)具有更高的传输功率和存储容量。
更高的计算能力:运营车辆可以提供比manet更高的计算、通信和传感能力。
可预测的移动性:与manet不同，VANET中的网络节点的运动可以预测，因为它们在道路网络上移动。如果已知当前速度和道路轨迹信息，则可以预测车辆未来的位置。

D. VANET的挑战
VANET支持多种道路应用，因此需要高效和有效的无线电资源管理策略。[4]包括QOS控制、容量增强、干扰控制、CAC (call admission control)、带宽预留、丢包减少、报文调度和公平性保证。现有的用于manet的方法是无效的和/或效率低下的，不能直接应用于VANET。为了实现车载环境中的各种应用，需要为VANET量身定制新的有效策略。以下是VANET的主要研究挑战:-
频繁的链路断开:正如前一节所讨论的，与manet中的节点不同，车辆具有高度的移动性，通常以更高的速度行驶，特别是在高速公路上(即超过100公里/小时)，因此改变了网络的拓扑结构，从而导致源和目的地之间的通信链路间歇性。此外，由于频繁的链路断开，分配给车辆的网络资源白白浪费。
节点分布:在现实世界中，车辆在给定区域[5]中不是均匀分布的。像商业区和购物中心这样的热点可以吸引更多的人，这导致这些地区的节点密度更高。车辆分布的异质性给路由算法的设计提出了很大的挑战。
触点间隔时间雷竞技网页版和持续时间:触点间隔时间[5]表示两次车间触点间隔时间的分布。连接时间越短，网络连通性越好。雷竞技网页版联系人的持续时间决定了该联系人可以传输的数据量雷竞技网页版，一般都很小，以秒为单位。

相关工作

A. VANET路由协议
vanet是一种特殊的自组织网络;最初为manet实现的常用的临时路由协议已经在VANET环境中进行了测试和评估。使用这些基于地址和基于拓扑的路由协议需要为每个参与节点分配一个唯一的地址。这意味着我们需要一种机制，可以用来为车辆分配唯一的地址，但这些协议不能保证避免在网络中分配重复的地址。因此，在移动自组织网络中使用的现有分布式寻址算法在VANET环境中不太适合。与VANET相关的具体问题，如网络拓扑、移动模式、一天中不同时间的车辆密度、到达和离开VANET的车辆的快速变化以及道路宽度通常小于传输范围的事实，都使这些传统的临时路由协议的使用不足。VANET的路由协议可以分为基于拓扑的路由协议和基于位置的路由协议两大类。基于拓扑的路由进一步分为主动路由协议和被动路由协议[1]。

B.主动路由协议
主动协议允许网络节点使用路由表存储所有其他节点的路由信息，表中的每个条目都包含通往目的地的路径中使用的下一跳节点，而不管这条路由是否实际需要。该表必须经常更新，以反映网络拓扑结构的变化，并定期广播给邻居。这种方案在高移动性网络中可能会造成较大的开销。然而，当需要时，到达目的地的路线总是可用的。主动协议通常依赖于最短路径算法来确定将选择哪条路由;它们通常使用两种路由策略:链路状态策略和距离向量策略。
目的序列距离向量(DSDV):目的序列距离向量(DSDV)是一种主动路由协议，通过使用目的序列号[6]解决了与有线网络的距离向量路由相关的主要问题，即计数到无穷大。目标序列号是最初由目的地盖章的序列号。DSDV协议要求每个移动站向其当前的每个邻居发布自己的路由表(例如，通过广播其条目)。这个列表中的条目可能会随着时间动态变化，因此必须经常发布公告，以确保每个移动节点几乎总是能够找到其他移动节点。此外，每个移动节点同意根据请求将数据包中继给其他节点。在任何时候，DSDV协议都保证了到每个目的地的无环路路径。具有较新序列号的路由总是首选作为转发决策的基础，但不一定通告。在具有相同序列号的路径中，将使用度量最小的路径。路由更新以两种方式发送:“完整转储”或增量更新。一个完整的转储将发送完整的路由表给邻居，并且可以跨越许多数据包，而在增量更新中，只有路由表中的那些自上次更新以来有度量变化的条目被发送，并且它必须适合一个数据包。 When the network is relatively stable, incremental updates are sent to avoid extra traffic and full dump are relatively infrequent. The update can be time periodic or event periodic.
优化链路状态路由协议(OLSR): OLSR协议实现链路状态策略;它保留了一个路由表，其中包含了到网络节点的所有可能路由的信息。一旦网络拓扑结构发生变化，每个节点必须将其更新的信息发送到一些选择的节点，这些节点将这些信息重新发送到其他选择的节点。不在选中列表中的节点可以直接读取和处理报文。一些研究人员认为OLSR具有简单的过程，可以嵌入不同的操作系统，而且在动态拓扑中工作良好，一般适用于数据传输需要低延迟的应用(如警告应用)。
但是，OLSR可能会导致网络拥塞;此外，OLSR忽略了节点的高资源能力(如传输距离、带宽、定向天线等)。因此，有研究人员提出了分层优化链路状态路由(HOLSR)协议作为OLSR协议的改进，它减少了大型网络中的路由控制开销，并使路由性能最大化;通过定义具有多个网络[7]的网络层次结构。也有研究人员提出QOLSR作为路径的解决方案，以提供路径上每个节点的可用带宽不小于所需带宽。QOLSR以秒为单位进行路径选择。这些协议通常对数据包的QOS进行平均增强。但是，它们造成了更多的复杂性，增加了数据包开销，并且只适用于一些有限的应用程序。
鱼眼状态路由(FSR):它是一种主动的或表驱动的路由协议，每个节点的信息从邻近节点收集。然后计算路由表。它基于链路状态路由&对全局状态路由[8]的改进。FSR与LSR类似，FSR节点根据从邻居接收到的最新信息维护一个拓扑表(TT)，并定期与本地邻居交换。对于大型网络，为了减小消息的大小，FSR对路由表中的不同表项使用不同的交换周期。给定目的地的路由表项会随着距离的增加而更新，最好使用低频率的邻居。FSR路由的问题是，随着网络规模的增加，路由表也会增加。随着机动性的增加，到达远端目的地的路径变得越来越不准确。如果目标节点不在源节点的范围内，则路由发现失败[9]。

C.响应式(按需)路由协议
响应式路由协议，如DSR (Dynamic Source routing)和AODV (Ad hoc demand -demand Distance Vector)路由，根据需要确定路由，只维护当前正在使用的路由，从而在任何时候只有可用路由的一个子集在使用时减少网络的负担。车辆之间的通信将只使用非常有限的路由，因此响应式路由特别适合这种应用场景。
AODV (Ad Hoc on Demand Distance Vector):在AODV路由中，当接收到广播查询(RREQ)时，节点将发送该查询的节点的地址记录在路由表中。这种记录前一跳的过程称为向后学习。到达目的地后，通过反向学习得到的完整路径向源发送应答包(RREP)。在路径的每一站，节点将记录其上一跳，从而建立从源开始的前进路径。查询的泛洪和应答的发送建立了一条全双工路径。在建立路径之后，只要源使用它[10]，它就会被维护。链接故障将递归地报告给源，并反过来触发另一个查询-响应过程以查找新路由。
时间有序路由算法(temporalordered Routing Algorithm, TORA):TORA属于链路反转路由家族，它建立有向循环图，以引导数据包的流，并确保其可达所有节点。节点将通过广播查询包来构造有向图。在接收到一个查询包时，如果节点有一个向下的链路到目的地，它将广播一个应答包;否则，它只是丢弃数据包。接收到应答报文的节点只有在应答报文高度小于其他应答报文高度时才会更新其高度。TORA的优点是，算法的执行提供了到网络中所有节点的路由，并将影响深远的控制消息减少到一组邻近节点。然而，由于它提供了到网络中所有节点的路由，这些路由的维护可能非常繁重，特别是在高度动态的VANETs[9]中。
动态源路由(Dynamic Source Routing, DSR):采用源路由，即源表示数据包中路由路径上中间节点的顺序。在DSR中，查询包在其报头中复制它所遍历的中间节点的id。然后目的地从查询包中检索整个路径(源路由)，并使用它来响应源。因此，源可以建立到目标的路径。如果我们允许目的地发送多条路由应答，源节点可以接收并存储来自目的地的多条路由。当当前路由中的某些链路断开时，可以使用备用路由。在低移动性的网络中，这比AODV更有优势，因为在DSR发起另一个路由发现洪水之前，可以尝试替代路由。AODV和DSR有两个主要区别。首先，在AODV中，数据包携带目的地址，而在DSR中，数据包携带完整的路由信息。这意味着DSR可能比AODV有更多的路由开销。Furthermore, as the network diameter increases, the amount of overhead in the data packet will continue to increase. The second difference is that in AODV, route reply packets carry the destination address and the sequence number, whereas, in DSR, route reply packets carry the address of each node along the route.

D.基于位置的路由协议
位置或地理路由协议是基于路由过程中的位置信息;源使用其地理位置而不是使用网络地址将包发送到目的地。该协议要求每个节点都能够通过地理位置系统(GPS)的协助来确定自己的位置和邻居的位置。该节点将其邻居标识为位于该节点无线电范围内的节点。当源端需要发送报文时，通常会在报文头中存储目的端的位置，这将有助于将报文转发到估计端，而不需要发现路由、维护路由，甚至不需要了解网络拓扑。因此，与基于拓扑的路由协议相比，位置路由协议更稳定，更适合高移动性环境的VANET。
运动矢量路由算法(Motion Vector Routing Algorithm, MOVE): MOVE算法是专为轻型网络设计的，尤其适用于道路侧车辆通信。该协议假设每个节点都有全局位置信息，这是除了移动路由器速度和邻近节点速度之外的知识。根据这些信息，节点可以估计出距离目的地最近的节点。在该协议中，每个节点定期广播HELLO消息;它的邻居通过RESPONSE消息回放;通过这条重放的消息，节点将知道它的邻居及其位置。给定这些信息，节点可以估计到目的地的最短距离，在这种情况下，节点根据当前位于目的地附近的节点的信息决定如何转发消息。MOVE协议比非DTN基于位置的路由占用更少的内存;在光环境[2]下具有较高的数据传输速率。而非DTN基于位置的路由只有在路由稳定一致的情况下才能有更好的性能。
地理源路由(GSR):早期的GSR用于MANET。在此基础上，对该算法进行了改进，将消息的贪婪转发功能引入到VANET场景中。如果在任意一跳，在目的方向上没有节点，那么GPSR将使用一种称为周界模式的恢复策略。周长模式由两部分组成:一是分布式平面化算法，通过去除冗余边将连通图局部转换为平面图;第二部分是在平面图上操作的在线路由算法。因此在VANET中采用GPSR的周长模式。在GPSR中，如果出现任何阻塞，则算法进入周长模式，规划图路由算法开始操作，它涉及到将消息发送到中间邻居，而不是发送到最远的节点，但这种方法由于较大的no导致较长的延迟。跳数。由于车辆的快速移动，引入了路由环路，导致信息的传播路径较长。

路由协议比较
各种协议基于重要参数进行比较，如下表所示
图像

结论
路由是车际通信(IVC)和车辆到基础设施通信(V2I)中最重要的参数之一。因此，本文对VANET的各种路由协议进行了概述。通过对不同参数的比较，分析了协议的优缺点。通过这项研究，我们阐述了涉及各种VANET协议的开放问题和挑战。我们希望这篇论文将成为学生和研究人员解决VANET协议所涉及的挑战的工具。

数字一览
数字
图1

参考文献










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