车载自组织网络（VANETs）：架构、挑战与应用

### 车载自组织网络（VANETs）：架构、挑战与应用 #### 1. 引言 近年来，移动计算的普及程度大幅提升。移动计算设备成本的持续降低以及移动设备、笔记本电脑和计算机处理能力的显著提高，是其发展的主要原因。这使得更多人能够使用基于移动设备的应用程序。因此，无线移动计算机或移动自组织网络（MANETs）近年来变得非常流行。 MANETs 是由自主节点或终端组成的集合，它们通过形成多跳无线网络相互通信。节点以去中心化的方式保持连接，但由于通过无线链路通信，它们需要应对无线电通信带来的噪声、衰落和干扰等问题，且链路带宽通常比有线网络低。MANETs 的节点具有移动性和动态拓扑的特点，这使得路由变得更具挑战性。不过，其去中心化的特性使其适用于各种应用场景，尤其适用于节点位置频繁变化且带宽有限的环境。 车载自组织网络（VANETs）是 MANETs 的一个重要子类。VANETs 是无线网络，车辆之间可以相互连接，也可以连接到互联网。VANETs 的节点可以自由移动，无需任何移动限制，每个节点需要根据位置变化保持连接，因此具有高度动态的拓扑结构。节点可以通过单跳或多跳信道进行通信，节点可以是任何车辆或路边单元（RSU）。然而，VANETs 也面临着一些挑战，如潜在的大规模和高移动性。 在车辆环境中，节点的动态性更强，因为大多数汽车通常以高速行驶并不断改变位置。不过，与其他移动网络相比，节点的移动存在一定模式，随机性较小。VANETs 通过车辆和 RSU 形成通信网络，车辆作为移动节点以自组织方式连接，每个参与的车辆都像无线路由器或节点一样相互通信。固定的路边单元（如交通灯塔）作为网络的骨干，确保安全相关信息的可靠交换。 VANETs 的架构可进一步分为三层： - **传感器层**：使用安装在车辆上的车载单元（OBUs）和其他设备感知周围车辆并收集交通数据。 - **通信层**：包括蜂窝网络和互联网，用于车辆之间的通信。 - **数据处理层**：提供收集和分析数据的框架。 在 VANETs 中，车辆需要及时交换交通相关信息，以避免事故并实现数据、音频和视频等内容的高效分发。VANETs 用于建立车辆与车辆（V2V）以及车辆与基础设施（V2I）之间的通信，支持车辆管理、交通数据、驾驶员便利和信息娱乐等多种应用。它是下一代智能交通的开端，将在提升交通系统方面发挥重要作用。 为了增强车辆之间的合作，需要在它们之间传递消息。由于 VANETs 的特殊特性，从源到目的地的路由机制是一个重要的研究挑战。此外，保护数据隐私的安全性也是 VANETs 中的重要且具有挑战性的任务。高效的路由和足够的安全性将提高 VANETs 在其应用中的适用性。 全球每年有数百万人死于道路事故，而且在一些长高速公路上，可能存在互联网和移动网络覆盖不佳的区域。在这些地区，VANETs 有助于处理紧急情况。VANETs 的目标是支持车辆安全、交通效率、交通监控和其他信息娱乐服务。当局、行业和学术界都认为需要一个安全高效的车辆通信（VC）系统。我们必须提供一些安全的解决方案和增强隐私的 VC 方案，以确保通信的可靠性、降低处理开销并对交通安全应用产生积极影响。 #### 2. VANET 背景 在相关文献中，有几篇文章试图总结车载网络中的问题。不同的研究人员对 VANETs 的不同方面进行了研究，包括通信和网络方面、安全和隐私问题以及路由协议等。 #### 3. 路由挑战 多年来，研究人员为 VANETs 中的车辆数据传输提出了众多路由协议。这些协议可以根据协议特性、信息路由技术、服务质量和网络架构等多种标准进行分类。下面介绍几种常见的路由协议类别： |路由协议类别|特点|代表协议| | ---- | ---- | ---- | |基于位置的路由|使用车辆位置和从全球定位系统（GPS）和地图等不同来源获得的位置信息来传输消息|距离路由效果移动算法（DREAM）、贪婪周边无状态路由（GPSR）、基于移动预测的路由协议（MPBRP）、基于软件定义网络的地理路由协议（SDGR）| |基于拓扑的路由|通过使用路由表查找节点之间的最短路径，根据路由表的更新方式可进一步分为主动路由、被动路由和混合路由协议|目的序列距离矢量（DSDV）、优化链路状态路由（OLSR）、鱼眼状态路由（FSR）、按需距离矢量路由（AODV）、动态源路由（DSR）、区域路由协议（ZRP）、GreeAODV| |基于集群的路由|将网络划分为不同的集群，每个集群中的一辆车作为集群头负责集群之间的通信|基于位置的集群泛洪路由算法（LORA - CBF）、开放 IVC 网络聚类（COIN）、基于禁忌搜索的可靠多级路由协议（RMRPTS）、基于集群的动态路由方法（CDRA）| |广播路由协议|使用泛洪技术获取 VANETs 中的路由信息，适用于目标车辆超出源节点范围的情况|分布式车辆广播（DV - CAST）、混合数据传播（HYDI）| |地理广播路由协议|将信息传播到与该信息相关的特定区域，旨在将数据包从源节点传递到位于相关区域（ZOR）的多个节点|鲁棒车辆路由（ROVER）、分布式鲁棒地理广播（DRG）| 下面是这些路由协议的流程图： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px A([开始]):::startend --> B{选择路由协议类型}:::decision B - ```