Routing in Vehicular Ad Hoc Networks:A Survey

1. Routing in Vehicular Ad Hoc Networks:A Survey Vehicular Technology Magazine, IEEEVolume 2, Issue 2, June 2007 Page(s):12 - 22 Digital Object Identifier 10.1109/MVT.2007.912927 指導教授：郭文興 教授 學生：童彥諴

2. 目錄 • 0.Abstract • 1. Introduction • 2. Network Architectures and Characteristics • 3. Routing Protocols • Ad Hoc Routing • Position-Based Routing • Cluster-Based Routing • Broadcast Routing • Geocast Routing • 4. Mobility Model • 5. Applications and Integrations • 6. Conclusion

3. Abstract • 車輛的Ad Hoc網路（ VANET ）是一個新興的技術，融入ad hoc網路，無線網路（ WLAN ），實現智慧型的汽車通信和改善道路交通安全和效率 • VANETs提出了許多獨特的網路研究的挑戰，並設計一個有效的路由協定是非常重要的 • 在本文中，我們研究VANETs的路由(routing)和測量新的路由協定和VANETs的移動模型

4. Introduction • 車輛Ad Hoc網路（ VANETs ）是新的車輛無線網路。這個想法是來自 • （ 1 ）道路上的移動用戶互相連線 • （ 2 ）有效的車輛到車輛的通信 • 車輛ad hoc網路也稱為Inter-vehicle Communications(IVC)或Vehicle-to-Vehicle(V2V)通訊 • 在智慧交通系統（ ITS ）是VANETs主要的應用，如合作的交通監測，控制交通流量，防止碰撞，附近的信息服務，即時路線計算 • 另一個重要的應用VANETs提供當車輛移動時也和網路連接，因此，用戶可以下載音樂，發送電子郵件

5. Introduction • California PATH [1]1994年和Chauffeur of EU (歐盟的汽車)[2] 1997年，結合兩個或兩個以上的車輛成一個串聯的聯接 • 歐洲計畫CarTALK 2000年[ 3 ]試圖在車輛通信上探討有關安全的問題和舒適的駕駛 • 一些主要汽車製造商已經開始投資的汽車網路。奧迪，寶馬，戴姆勒克萊斯勒，菲亞特，雷諾和大眾都團結起來，建立一個非營利性組織叫做Car2Car Communication Consortium（ C2CCC ） [ 4 ]是為了提高道路交通的安全和車輛通訊的效率為目標 • IEEE還成立了新的IEEE 802.11p工作小組著重行車環境的網路存取。根據官方的IEEE 802.11標準工作計劃，預測，正式802.11p標準是預定在2009年4月

6. Introduction • 因為節點的高移動性和不可靠的通道情況下，VANET有許多棘手的研究問題，如資料傳播，資料共享，以及安全問題 • 在本文中，集中在一個關鍵的問題：主要研究VANETs的路由協定，實現最小的通訊時間和使用最少網路資源 • 許多路由協定已經開發出來，用於Mobile Ad Hoc network（ MANETs ），其中有些可以直接適用於VANETs • 然而，模擬結果表示，他們因為車輛的快速的移動，所以表現不佳的效能，因為動態的信息交換和高速移動節點使VANETs不同於MANETs • 尋找和保持路由在VANETs是一個非常具有挑戰性的任務 • 一個實際的移動模型對VANETs在評估的路由協定是非常重要的設計。在本文中，我們將調查VANETs的最新路由協定研究進展和移動模型

7. Network Architectures and Characteristics • MANETs不依賴固定的建設來通信和信息傳播。 VANETs遵循同樣的原則和適用於高動態環境中運輸

8. Network Architectures and Characteristics • VANETs能使一台車輛作為其他移動節點的路由器。除了相似與ad hoc networks，如短距離無線傳輸範圍，自我組織和自我管理，低頻寬 • VANETs可以和ad hoc network區別如下： • Highly dynamic topology(高動態拓撲) • Frequently disconnected network(經常無法連接的網路) • Sufficient energy and storage(有足夠的動力和儲存) • Geographical type of communication(地理類型的通信) • Mobility modelling and predication(移動模擬和預測) • Various communications environments(不同的通信環境) • Hard delay constraints(嚴格的延遲限制) • Interaction with on-board sensors(互動機上感測器)

9. Routing Protocols • VANETs的路由（純ad hoc 結構） • 我們把他們分為五類如下： • Ad Hoc Routing • Position-Based Routing(基於位置的路由) • Cluster-Based Routing (基於群組的路由) • Broadcast Routing(廣播路由) • Geocast Routing

10. Ad hoc路由 • 如前所述，VANET和MANET有相同的原則：不依賴於固定的通信設施，自我組織，自我管理，低頻寬和短距離無線傳輸範圍 • ad hoc路由協定在VANET中仍然適用 • AODV協議(Ad-hoc On-demand Distance Vector)（ad hoc 需求的距離向量） [ 6 ] • DSR（(Dynamic Source Routing動態來源路由） [ 7 ] • AODV和DSR和路由設計用於一般ad hoc網路，除非需要連線時否則不保持連線，所以他們可以減少多餘的花費，尤其是在少量的網路流量下

11. Ad hoc路由 • VANET的高動態拓撲結構不同於MANET。一些研究已經進行VANETs在各種交通情況模擬並且比較路由協定的效能 [5]、[8]~[11] • 模擬結果表示，大多數的ad hoc路由協定（如AODV和DSR）在高動態的節點移動效果不是很好，因為他們會往比較不好的路由和低的傳輸量 • 在[ 11 ] ， AODV模擬用6台車輛，顯示了， AODV無法迅速找到、保持和更新。另外，在他們實際的實驗，因為封包過度的移失，造成AODV的路由錯誤 • 修改現有的ad hoc路由協定來處理高動態的移動性並且新的路由協定必須要繼續發展。

12. Ad hoc路由 • Namboodiri[ 5 ]認為路由從車輛到閘道的車輛預計將只有幾次少數跳躍次數。所以這條公路的情況是被分割成許多的小段。因此，scalability不造成問題 • 因為動態移動的環境，AODV協定造成路由的常常失敗。為了減少不好的經常損壞的路由，從而提高路由性能，兩個基於預測AODV協定： PRAODV和PRAODV-M被提出，使用節點的速度和位置信息來預測連結的壽命 • 在評估的壽命結束前，PRAODV構建一個新的替代路由，如果路由發生錯誤，AODV就會使用代替路由 • PRAODV-M選擇預測出來最高壽命路由而不是選擇最短路由 • 他們的模擬顯示封包傳送率略有改善就。然而，他們的方法取決於準確的預測

13. Ad hoc路由 • 在[ 12 ]，AODV修改成轉交封包到地區的相關性Zone of Relevance（ZOR）。基本的想法和位置輔助路由location-aided routing（LAR）是一樣的[ 13 ] • ZOR通常是指定為長方形或圓形的範圍，它是由特定的應用[ 14 ]決定。例如，在分割公路模型，ZOR涵蓋該地區是事故發生的地方

14. Position-Based Routing • 節點運動在VANETs通常是受限制的，因為車輛必須遵循交通規則。所以路由對策是從街道地圖獲得地理位置資料，交通模型 • 地理路由（基於位置的路由）確定對於VANETs是一個可行的路由 • 大多數基於位置路由的演算法是基於位置來決定是否轉發信息。例如，greedy routing由總是轉交發封包送到最接近目的地的節點 • GPSR（Greedy Perimeter Stateless Routing）[ 15 ]是眾所周知最好的基於位置的協定。它結合了greedy routing和face routing避免routing的失敗。它最好工作環境是在一個自由開放空間和均勻分佈的節點。GPSR和DSR在公路上相比 [9] • 地理位置路由有更好的結果，是因為有跟城市相比較少的障礙物。然而，應用它在城市的情況[8][9][16]

15. Position-Based Routing • GPSR有幾個問題 • 首先，在城市的情況，greedy轉交是受限制，因為通信節點之間可能有障礙，如建築物和樹木 • 第二，如果第一次申請的planarized graph，以建立路由拓撲，然後運行greedy或face routing，該路由性能將降低，ex封包需要經過更長的距離會有較高的延遲 • 第三，移動性也可以成路由不斷的循環，最後，有時可能會收到的封包轉發給錯誤的方向導致更高的延遲

16. Position-Based Routing • 各種技術被提出了用來處理這些挑戰。一些PAPER使用的數位地圖的導航系統來計算的優先被選擇從起點到目的地的路線[16]~[18] • Lochert [ 16 ]提出的地理起點路由(Geographic Source Routing)（GSR）在城市環境的街道地圖中。GSR基本上採用了反應位置的服務(Reactive Location Service)（ RLS ）獲得目的地的位置 • 該演算法需要全部城市的街道地圖。確定發送端的封包使用的Dijkstra的最短路徑算法 • GSR提出了一個很好的路由方針對於VANETs的城市環境。模擬結果表示GSR具有較好的平均生存率，較小的總頻寬消耗，和DSR和AODV協定第一個傳送的封包有相似的延遲時間 • Lochert [ 19 ]模擬在NS-2模擬器用一個德國柏林城市拓墣。作者表明用平均較多的跳躍次數和微小的增加等待時間GPCR具有比GPSR較高的轉交率

17. Position-Based Routing

18. Cluster-Based Routing • 圖四：每一個群組有一個群組的群首，它可以用來控制內部的網路運行 • 節點內的群體通訊通過直接聯繫 • 每個群體通信通過群組的標頭 • 許多關於MANETs群組的研究在[20]–[22]被提出。然而，VANETs跟MANETs是不一樣的，因為駕駛人的行為，高速移動 • 結果現有的MANETs技術用在車輛上是不穩定的

19. Cluster-Based Routing • Blum et al. [23]提出 Clustering for Open IVC Networks (COIN) algorithm(開放的車對車群組演算法) • 群首的選出是用車輛的動向和駕駛人的意圖。代替傳統群組的ID或相對移動的方法。這個演算法允許車輛間長常變動的距離 • 展示了COIN產生了許多穩定的結構在VANETs裡，但增加了一些小的附加花費。COIN增加了平均群組的壽命至少192 ％ ，並減少一些群組成員變動，至少46 ％

20. Cluster-Based Routing • Santos et al. [10] 提出基於反應地點的路由演算法，是用在VANETs基於群組的flooding，叫做LORA_CBF • 每個節點都有可能變成群首、閘道器、群體的成員。每個群體都一定有一個群首。假如有一個節點連接比一個還多的群體，他就是一個閘道器 • 封包的轉交是用像像greedy routing的方式 • LORA_CBF, AODV and DSR的效能會在一個典型的城市環境被模擬。模擬的結果顯示網路的移動性影響AODV比LORA_CBF來的大 • 總之，以群體為基礎的路由協定可以實現良好的可擴展性在大型網路中 • 一個重大障礙是，在迅速變化的VANET系統中，如何維持這些群組是困難的

21. Broadcast Routing • 廣播路由是VANETs，常用的一種路由，像共享交通訊息、天氣、緊急訊 • 一種簡單的廣播服務是flooding，每個節點重新廣播收到的訊息。Flooding可以保證每個節點都收到訊息。Flooding在節點是數量少的時侯效能很好，當每個節點收到訊息並且要廣播訊息時，會造成封包的碰撞，會消耗大的頻寬 • Durresi[ 25 ]提出一個緊急廣播協定，叫BROADCOMM，他是採取等級限制結構 • 在BROADCOMM裡，道路被分成虛擬的細胞(小組cell)，他移動的方式跟車輛移動一樣 • 在道路上的節點被分為兩種等級： • 第一種等級是所有的節點都在細胞(小組cell) • 第二種等級是細胞核，有些位於細胞中的節點在某一些會變成工作站，他會控制訊息的傳送，只會傳送鄰近的細胞核中，而且會決定哪個訊息被優先傳送 • 這個協定比flooding好，但是它只能夠用在簡單的道路中

22. Broadcast Routing • Urban Multi-Hop Broadcast protocol (UMB) [26] (城市的多跳廣播協定)是設計用來克服干擾，封包碰撞、隱藏的節點 • 在UMB中，發送節點試著選擇最遠的節點來廣播並要求該節點會轉交訊息。中繼器被安裝在路口，為了轉發封包給所有的道路 • UMB協定在封包和交通高負載的時候，比802.11有高的成功率。它是基於修改IEEE 802.11標準，用來避免碰撞和在轉發封包前強迫車輛等待

23. Broadcast Routing • Vector-based TRAcking DEtection (V-TRADE)(基於向量軌道的偵察)和History-enhanced V-TRADE (HV-TRADE) (增強式的V-TRADE)[27]是GPS基於訊息廣播的協定。基本的想法是相似於單一的路由協定Zone Routing Protocol (ZRP) [28](地區路由協定) • 基於位置和移動的訊息，他們的方法把鄰近的車輛分成不同的轉交群組。對於每個組，只有一小部分車輛被選擇用來重新廣播訊息 • 它們能夠只降低一點點到達率來有效的降低頻寬的使用。因為這個新的協定只選擇一小部分的車輛來重新廣播訊息。但他還是有多餘的路由浪費，因為轉交的節點必須被選擇

24. Geocast Routing

25. Geocast Routing • Geocast routing [29]根本上是一種基於位置路由的多廣播路由 • geocast routing的目標是從來源節點傳送封包到一個指定區域(Zone of Relevance, ZOR區域關聯性)的所有節點 • 許多VANET應用將受益於geocast routing。EX：一台車發生碰撞，車輛的感測器像安全氣曩就會充氣，然後它能傳遞這個訊息到附近的車輛。當車輛離開ZOR後就不需要在警惕

26. Geocast Routing • Geocast能被用來做一個多廣播的服務，只要確定多廣播群組在特定的區域 • 大部分的geocast routing是基於有方向的flooding，它可以用一個定義的區域，然後在裡面flooding訊息，可用來限制多餘的訊息和防止simple flooding的封包碰撞 • Non-flooding的方法被提出(基於單一的路由)，但在目的地區域裡，flooding仍然被使用，協定的特性被用來當作non-flooding

27. Geocast Routing • [14]一個簡單的geocast方法被提出用來避免封包碰撞和減少重新廣播。當一個節點收到了封包，不是立即的重新廣播這個封包，它等待一個時間。這個等待時間是用這個節點到發送端的距離來決定。如果這個節點距離發送端比較遠等待時間會比較短。因此在廣播邊緣的節點轉交封包是快速的 • 假如等待時間到了，節點沒有收到一個從其他節點傳出的相同的封包，它就會重新廣播這個封包。用這個方法，可以避免封包碰撞和最佳化發送端周圍的車輛 • Bachir and Benslimane [30]提出的Inter-Vehicles Geocast protocol(IVG)，用來廣播一個警急訊息，這個方法跟[14]提出的很像

28. Geocast Routing • Maihöfer and Eberhardt [31]考慮暫存的方法和鄰近距離察覺的方法，用來處理高速的VANET，和正常的geocast協定比較。在路由層加上一個小的暫存，儲存這些封包，使這些封包不會一收到訊息就馬上轉交出去。當一個新的鄰近節點到達，暫存的訊息就會轉交到這個新的節點 • 它選擇一個接近的目的地的節點，它在範圍r(小於傳輸範圍)裡面，代替一般的greedy routing的節點的傳輸範圍。因為greedy routing會選擇在傳輸範圍最大的中繼節點，但這個節點因為它的高移動性很有可能會隨時離開傳輸範圍。模擬的結果，可以降低網路的負載，和減少傳送延遲

29. Mobility Model • 我們將用VANET的路由簡單的檢查移動模型。一個可行的移動模型不只可以獲的精確的路由性能評估，而且可以預測車輛和路線來作出更好VANET路由協定 • 一個簡單的移動模型是Random WayPoint (RWP) Mobility model [34]，節點隨機選擇一個目的地和速度移動到目的地。當節點到達目的地後，會產生另一個目的地，然後繼續移動…。 RWP廣泛的使用在ad hoc network(像NS-2) • 但RWP和真實的道路情況很不一樣，它沒有街道、障礙物。Nadeem et al. [35] 修改改過的RWP模型，接受道路長度，平均車速，道路數目，平均車輛間隔作為參數

30. Mobility Model • Saha and Johnson [36]是第一個試圖提出實際的道路移動模型，它們用從TIGER來的道路資訊(Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing) [37]美國的道路地圖 • STreet RAndom Waypoint (STRAW) [33]也是使用美國的道路地圖。STRAW用一個簡單的車輛跟隨模型來實際模擬交通的壅塞。和[36]比較，STRAW考慮車輛間互相的影響、交通壅塞，和交通控制

31. Mobility Model • 一個新的建立移動模型的趨勢是用實際的車輛軌跡資料 • Fübler et al. [38]在德國的高速公路上，收集的許多的車輛移動模型來模擬車輛的運動 • Jetcheva et al. [39]儲存了在西雅圖的巴士的移動軌跡。然而，這些軌跡只有代表了巴士的移動模型;他們代表的一小部分的交通參與者 • Naumov et al. [40] 提出了一個新的實際移動軌跡。它們的軌跡從Multi-agent Microscopic Traffic Simulator (MMTS)(多代理人的微觀交通模擬器) [41]得到。它能夠模擬高現實性在瑞士公共和私人的交通

32. Applications and Integrations • VANETs應用被分成兩類： • 智慧型交通的應用 • 舒適性的應用 • 智慧型交通的應用主要是VANETs和ITS，其中包括各種各樣的應用，如車輛導航，共同交通監測，控制流量，分析交通壅塞和計算交通狀況規畫路徑到目的地 • 當道路發生事故，移動的節點能夠中繼這個訊息到路旁的感測器，然後，警告來臨的車輛 • VANETs用來防止交通碰撞，並提供信息查詢服務，舉例來說，即將到來的加油站或汽車旅館。這些類型的應用程序通常使用的廣播或geocast路由，以交換和分配訊息 • 舒適的應用，允許乘客可以互相的通訊或連接到網際網路。EX：VANETs提供網際網路的聯接，可以下載音樂或依些遊戲。這些應用是使用單一廣播路由來當作主要通信方式

33. Conclusion • 在這篇文章，我們討論設計VANETs路由協定的挑戰和調查一些新的VANETs路由協定 • Table 1 總結了這些路由的特性。(ex:路由的類型、他們是否用到位置資訊、和是否他們有層級的結構)和他們如何被模擬和模擬的情況 • 一般來說基於位置的路由和geocast比其他路由協定更有前途，由於地理的限制 • VANETs的路由協定效能，依靠的是移動的模型，駕駛的環境，車輛的密度，和其他許多的情況。因此，有一個普遍的路由解決方案的應用在所有的VANETs情況是極為困難。換言之，對某些VANETs的申請，我們需要制訂具體的路由協議和移動模型，滿足其要求

34. Conclusion

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