城市场景中有基础设施的车联网大规模异构网络的连通性方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及车联网技术领域。
【背景技术】
[0002] 在新型车联网大规模网络体系中，如何实时构建互联互通网络，保持稳定状态为 应用层提供实时数据，从而支撑应用层智能化服务，是车联网大规模网络动态演化机制研 究所面临的一个难点。
[0003] 目前在车辆自组织网络VANET中，研究人员对路由维护进行了相关研究，取得了一 定成果，主要表现在VANET的三类路由协议上，包括单播(Unicast)，地理组播(Geocast)和 广播(Broadcast)路由，具体总结如图1所示。单播路由又可以根据其所需要的信息类型分 为四类，如图1右半部分所示。第一类是传统的基于拓扑的路由协议（Topology-based routing protocol)，第二类是基于位置的路由协议（Position based routing protocol)，第三类是基于地图的路由协议(Map based routing protocol)，第四类是基于 路径的路由协议(Path-based routing protocol)。
[0004] 早期自组织网络的路由协议都属于基于拓扑的路由协议。在该类协议中，网络中 源节点通过路由表建立到目的节点的连通路径并发送数据。目的序列距离矢量路由 (Destination Sequenced Distance Vector Routing,DSDV)[1]协议的思想是每个节点都 必须时时维护一张完整的路由表。但是在网络拓扑频繁变化的VANET中，由于维护和更新路 由信息的开销太大，且路由信息生命周期非常短，DSDV并不适合VANET。源路由协议 (Dynamic Source Routing，DSR) [2]协议基于源路由发现机制，通过消除表驱动方式所需 要的周期性表更新消息，限制网络控制报文的大小，大大减少无线网络带宽的开销，并有效 避免网络中大规模路由更新，有效提高实际传输效率。但是，全网范围内的洪泛路由方式还 是导致网络负载开销非常大。Ad hoc按需距离矢量（Ad-hoc On Demand Distance Vector，A0DV)[ 3 ]协议结合了 DSR算法和DSDV算法优点，每个节点不需要或者只维护部分路 由表，数据包头部不需要携带路径信息，需要连接网络的节点通过广播发送连接请求，其他 节点转发该消息，并记录它们是从哪个节点接收到这个消息，并往回创建临时路由到发起 请求的节点。它的缺点在于:首先，节点保存的路由表不存在候选路径;其次，仅适用于双向 传输信道的网络环境;再次，采用的"超时删除"路由机制，容易造成尚未失效的路由在超过 生命周期后被删除。文献[4]在基于合作机制的VANET网络中，考虑合作机制产生的通信增 益来计算链路发送时延，综合链路冲突数和发送时延作为路由判据，设计了1011(11111^-Channel Contention-aware Cooperative Metirc)，将其替代A0DV中以跳数作为路由判断 依据，设计了 一种分布式路由选择协议MCCR(Multi-Channel Contention-aware Cooperative Routing)。总之，在这类协议中，网络节点无论是否有通信需求都需要维护全 部或者部分路由信息，而VANET中高速移动的车辆节点和频繁变化的拓扑结构，将会导致这 类协议无法发挥其作用。
[0005] 于是，人们提出了基于位置的路由协议，依靠车辆节点定位系统获得路由和传输 数据。装有定位装置的车辆节点周期性地广播本节点的位置信息，车辆终端接收其通信半 径范围内一跳节点的位置信息，即路由建立仅仅通过维护单跳拓扑信息完成。源节点与目 的节点的传输过程只需要知道下一跳节点和目的节点地理位置，且在数据传输中不需要节 点保存和更新路由信息。所以其更能适应网络大小和拓扑结构都在频繁变化的VANET。贪婪 边缘无状态路由协议(Greedy Perimeter Stateless Routing，GPSR)[5]，通过路由节点位 置和数据包的目的地址来进行数据转发。GPSR协议利用贪婪转发模式(Greedy Forwarding Mode)进行数据包的传输，当其失效时启用周边转发模式(Perimeter Forward Mode)，并在 链路状态正常后恢复贪婪转发方式，直至目的节点收到源节点的数据包。然而GPSR在寻找 下一跳节点时仅仅根据直线距离，并没有考虑到城市场景中道路、路口、建筑物等的实际影 响，因此它并不适用于城市道路场景。贪婪边缘协调路由协议（Greedy Perimeter Coordinator Routing，GPCR)[6]协议则对GPSR协议进行了改进，使其更适用于复杂的城市 场景。它主要考虑了街道的路口部分，将数据包选择传送方向的功能限制在街道路口的车 辆，在发现交叉路口存在转发方向的节点时，不用贪婪转发算法而是将数据包直接转发送 给该节点，否则仍然使用贪婪转发方式。文献[7]提出了一种适用于城市场景VANET的路由 算法，通过采用定时器的竞争转发策略选择合适的下一跳节点，计时器的超时时长和本节 点地理位置上的优秀程度成反比。在岔路口区域利用Dijkstra算法进行下一个岔路口的选 择，优先选择物理长度小车辆密度大的街道，其与带有缓存的GPSR和PBRP协议的仿真对比 中具有更高的数据包递交率和较低的数据延迟。文献[8]提出了基于交叉路口的地理路由 协议（Intersection-based Geographical Routing Protocol，IGRP)，以解决城市场景中 VANET的QoS路由问题，在计算量上优于GPSR和GPCR。
[0006] 目前的研究热点集中在基于地图的路由协议。地理源路由协议（Geographic Source Routing)[9]根据转发路径转发数据包，该路径基于坐标位置和在地图上的位置计 算而来，但不能解决车辆密度太低导致的稀疏连接问题。文献[10]提出地理无状态VANET路 由（Geographic Stateless VANET Routing，GeoSVR)，通过将节点位置与数字地图和一种 改进的限制转发算法相结合，克服不可靠的无线信道问题。文献[11]提出了一种DRES (Distributed Real-time delay Evaluation Scheme)机制，用于车辆获取实时性的网络 延时信息，并设计了一种采用携带转发机制的基于分布式实时信息的VANET路由协议。该协 议采用源选径的路由方式，车辆根据对各道路网络延时的估计，采用Dijkstra算法在电子 地图上计算出数据传递延时最短的转发路径。文献[12]提出了基于道路使用车辆交通的 (Road-Based using Vehicular Traffic,RBVT)路由协议，该协议采集实时车辆交通信息， 创建由较高网络连接概率的连接道路交叉口组成的路径。
[0007] 车辆辅助数据传输协议(Vehicle-Assisted Data Delivery，VADD)采用了携带转 发机制[13]，利用可预测的车辆移动性来计算数据包传送的延迟，找到接下来转发数据包 的道路。位置优先探查(Location First Probe，L_VADD)、方向优先探查(Direction First Probe，D-VADD)和混合式VADD(H-VADD)等三种不同的转发协议可以用来选择最优路径。 [000 8] 地理组播路由（Geocast routing) [14]本质上是一个基于位置的多播路由，其目 标是从源节点将数据包传送到一个指定的地理区域中的所有其他节点，称为关联区，很多 VANET应用程序可以从中受益。文献[15 ]提出了车间地理组播协议（Inter-Vehic 1 es Geocast protocol，IVG)，广播报警信息给高速公路上所有基于延迟时间算法的危险区域 中的车辆。文献[16]提出了一个分布式鲁棒的地理组播协议，用于车间通信，它的目标是将 数据包传送到位于特定的静态地理区域的车辆，车辆仅根据其目前的位置接收或丢弃数据 包。
[0009] 文献[17 ]在分区的公路上基于地理路由提出了一个紧急广播协议BR0ADC0MM，安 装在汽车上的传感器不断地收集重要信息，检测到任何紧急情况将直接触发广播，该协议 在消息广播时延和路由开销方面优于类似的基于泛洪的路由协议。城市多跳广播协议 (Urban Multi-Hop Broadcast protocol，UMB)[ 18]是为了解决广播风暴、隐藏节点和市区 多跳广播的可能性问题，发送方节点在没有任何先验拓扑信息的情况下，尽量选择广播方 向上最远的节点来进行转发并应答数据包，当该消息传播的路径上有交叉口时，由位于交 叉口的中继器初始化新的定向广播。文献[19 ]提出了 VANET中多跳广播路由协议DV-CAST， 同时适用于密集和稀疏的交通场景。
[0010] 针对目前主要集中在VANET路由协议上的研究，从路由类型、转发策略、恢复策略、 路径维护以及适用场景等方面进行了具体比较，如表1所示。
[0011] 表1VANET相关路由协议比较结果
[0014] 从现有国内外研究现状分析，目前车联网路由协议主要针对同一种无线接入手段 的车对车(V2V)通信，并不能适应如今应用的需求。
[0015] 参考文献：
[0016] [1JPerkins C E ?Bhagwat P.Highly dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector rout