Routing in Vehicular Ad Hoc Networks ： A Survey

1. Routing in Vehicular Ad Hoc Networks：A Survey 指導教授：郭文興 　學生：吳順雄 Fan Li and Yu Wang, University of North Carolina at Charlotte

2. 目錄 • Abstract • 1.Introduction • 2. Network Architectures and Characteristics • 3. Routing Protocols • 4. Mobility Model • 5. Applications and Integrations • 6. Conclusion

3. Abstract • Vehicular Ad Hoc Network(VANET)是一種新興的技術。 • 整合了ad hoc網路、WLAN和cellular技術來達到車輛間的通訊並改善道路交通的安全和效率。 • VANET與其他ad hoc網路的差別：混合式的網路架構、節點移動特性和新的應用。 • 所以VANET造成許多網路研究的挑戰，設計一個有效率的路由協定也是很困難的。 • 本篇paper討論VANET在路由方面的研究挑戰和近期的路由協定，以及與VANET相關的移動模型。

4. 1. Introduction • VANET整合了車用無線網路的技術： • 1. 平常透過家用網路或是工作場合的網路來連線的使用者，當他們在路上時也能連線。 • 2. 啟動Intelligent Transportation System(ITS)使得車對車的通訊更有效率。因此，車用的ad hoc網路又稱為Inter-vehicle Communications(IVC)或是Vehicle-to-Vehicle(V2V) communications。 • VANET另一個主要的應用是提供網路連結給移動中的車輛，讓車上的使用者也能使用網路服務。

5. 1. Introduction • VANET和IVC吸引了學術界和工業界的研究興趣。 • 2002年後，無線技術快速的發展，許多車廠也就順應這個趨勢，組成Car2Car Communication Consortium(C2CCC)，透過車間通訊來改善道路交通安全和效率。 • 由於節點的高移動性和不可靠的頻道狀態，所以目前主要集中在關鍵的問題：VANET的路由協定。

6. 1. Introduction • 許多為MANET研發的路由協定可以應用在VANET上，但是由於車輛快速移動的特性導致效能不好。 • 替VANET找出並保持路由是挑戰性的任務。 • 另外，現實的移動模型對VANET的設計和路由協定的評估都是很重要的。

7. 2. Network Architectures and Characteristics • MANET通常不會依靠固定的公共設施來通訊。 • VANET也遵循了同樣的原理，並且應用在高動態環境的表面傳輸。 • VANET的架構可以分成3個種類： • 細胞網路/無線區網 • ad hoc網路 • 混合網路

8. 2. Network Architectures and Characteristics • 1.WLAN/Cellular • VANET在十字路口使用固定的細胞網路閘道和無線區網來連結網路以收集交通資訊並用作路由協定。 • 固定在路邊的閘道可以提供車輛連結，但是在考量到設施成本後是無法實現的。 • 2.Ad Hoc • 所有車輛和路邊的無線裝置組成車用ad hoc網路來達到車對車的通訊。

9. 2. Network Architectures and Characteristics • 3.Hybrid • 結合細胞網路、無線區網和ad hoc網路的混合式架構，也是VANET的一個解決方法。 • 使用具有無線區網和細胞網路能力的車輛當作閘道和路由器，讓只具有無線區網能力的車輛能夠透過多跳的方式保持連線。

10. 2. Network Architectures and Characteristics • VANET是由可使用無線電的車輛當作節點，並當成其他節點的路由器。 • 與其他ad hoc網路相比，VANET還是有一些區別： • 高動態拓墣 • 由於車輛間的高速移動，VANET的拓樸會不斷的改變。 • 網路常斷線 • 由於相同原因，VANET的連線經常改變。尤其是當車輛密度小時，更容易發生斷線情形。 • 一個可能的解決方法是沿路預先安排許多中繼點來保持連線。

11. 2. Network Architectures and Characteristics • 充足的能量和儲存空間 • 因為VANET的節點都是車輛而不是手提裝置，所以普遍的特性就是具有充足的能量和計算用的電力。 • 地理形式的通訊 • 與其他單點傳播或多點傳播的網路相比，VANET是透過將封包往前傳來做地區定位。 • 移動模型和預測 • 由於高移動性的節點和動態拓墣，預測能力在設計VANET的網路協定時扮演了很重要的角色。 • 由於車輛會被道路限制，所以只要知道車速和街道圖便能預測出 車輛接下來的位置。

12. 2. Network Architectures and Characteristics • 多樣的通訊環境 • 在高速公路時，環境很簡單且一直向前。 • 在城市裡的狀況比較複雜，在檔案傳輸時無法一直維持直接連線。 • 嚴格的延遲限制 • 在VANET的一些應用中不需要很高的檔案傳輸率，但是需要嚴格的延遲限制。 • 車內感測器的互動 • 假設車內都安裝了感測器來提供資訊，用以組成通訊連線和路由功能。 • GPS可以提供路由用的本地資訊。

13. 3. Routing Protocols • 1.Ad Hoc Routing • 由於VANET和MANET有許多相似處，因此多數的路由協定都可以套用，例如AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector)和DSR(Dynamic Source Routing) 。 • AODV產生的路由會經常中斷，所以為了減少路由中斷的不良影響，增加兩種預測基礎的AODV協定：PRAODV和PRAODVM。

14. 3. Routing Protocols • 1.Ad Hoc Routing • PRAODV是在AODV路由失敗發生前產生一個新的路由來替代。 • PRAODVM在許多路由選項中選擇最長路徑的來代替AODV和PRAODV選擇的最短路徑。 • 模擬結果顯示了封包傳遞比率有小幅的進步。 • 這個方法需要依靠準確的預測方式。

15. 3. Routing Protocols • 2.Position-Based Routing • VANET中的節點因為受限於雙向移動和街道，所以需要使用地理資訊來完成路由。 • 即使網路中的車輛節點可以使用地理資訊選擇路由，但是演算法還是有挑戰需要去克服。 • GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)是最著名的路由協定。 • GPSR在高速公路上模擬時表現得很好，但是應用到都市裡時就遇到問題。

16. 3. Routing Protocols • 2.Position-Based Routing • 第一，greedy只會往前傳，但是都市裡有許多障礙物而無法直接連線。 • 第二，如果使用二維圖像來製造路由拓樸並執行greedy，路由校能會降級。 • 第三，移動會造成路由迴圈，有時候封包可能會傳錯方向導致更高的延遲或是網路崩壞。

17. 3. Routing Protocols • 2.Position-Based Routing

18. 3. Routing Protocols • 2.Position-Based Routing • Lochert提出Geographic Source Routing(GSR)。 • GSR使用Reactive Location Service(RLS)來得到目的資訊。 • 結合了地理路由和街道拓墣後，GSR提出一個VANET在都市環境中使用的方法。 • 模擬結果顯示，與DSR和AODV相比，平均傳輸率較好、總頻帶寬消耗較小。 • Lochert提出另一個方法，GPCR(Greedy Perimeter CoordinatorRouting)。

19. 3. Routing Protocols • 2.Position-Based Routing • 假如在目標附近不存在任何比中繼點更近的節點 • (1) 決定，決定封包應該往哪個方向傳遞(根據右手定則)。 • (2) 使用greedy路由去到達下一個接面。

20. 3. Routing Protocols • 2.Position-Based Routing • 作者證明了GPCR比GPSR有更高的傳輸率， • 地點路由在建造城市環境時面對挑戰。 • 一個新的地點路由技術稱為A-STAR(Anchor-based Street andTrafficAwareRouting)。 • A-STAR使用街道圖來計算接下來的接面。 • A-STAR在兩個主要觀念上與GSR和GPSR不同。 • 第一，他使用統計的比率圖或是動態比率圖來確認錨狀路徑是可以傳送封包的。 • 第二，A-STAR使用新的本地圖當作封包的路由，對GSP和GPSR 來說會更適合都市環境。

21. 3. Routing Protocols • 3.Cluster-Based Routing • 在群集路由中，可以透過節點群來提供虛擬網路。 • 每個群體都有一個頭，他在網路管理中負責群體內和群體外的座標。 • 群體內的節點透過直接連線進行通訊；群體間的通訊透過群體頭來完成。

22. 3. Routing Protocols • 3.Cluster-Based Routing • 由於駕駛的行為、移動的限制和高速，VANET在許多方面和MANET的模型有些不同。 • 目前MANET的群體技術在車用網路中是不穩定的。 • 群體頭是根據車輛的動態和駕駛的目的來決定。 • Clustering for Open IVC Networks(COIN)演算法增加群體平均壽命192%，並減少群體成員數量的變化量46%。

23. 3. Routing Protocols • 3.Cluster-Based Routing • 一種以群體氾濫當作路由演算法的反應位置表示法稱為LORA_CBF。 • 模擬結果顯示，網路移動和大小對於效能的影響，AODV和DSR產生的影響比LORA_CBF還大。 • 群體路由協定對於大型網路具有很好的延展性，但是對於快速改變的VANET系統有一個值得注意的問題，就是延遲和組成、維護群體的費用。

24. 3. Routing Protocols • 4. Broadcast Routing • 廣播是VANET最常使用的路由方法。 • 廣播也常用在單點廣播路由協定，用來找出到目的最有效率的路由。 • 最容易實現廣播的方法，就是讓每個節點重複廣播訊息給他的鄰居。 • 在節點數量少的時候很容易實現，但是當節點數量增加，效能會很快的變差，對於頻寬的要求也會成指數倍的增加。

25. 3. Routing Protocols • 4. Broadcast Routing • 使用等級結構的緊急廣播協定，BROADCOMM。 • 這種協定雖然容易，但是只能在簡單的高速公路網路中使用。 • Urban Multi-Hop Broadcast(UMB)協定是設計來解決干擾、封包碰撞和隱藏節點的問題。 • 在高封包負載和車輛運輸密度上，與802.11-distance和802.11-ranom相比有更高的成功率。

26. 3. Routing Protocols • 4. Broadcast Routing • Vector-based TRAckingDEtection(V-TRADE)和History-enhanced V-TRADE(HV-TRADE)是使用GPS的訊息廣播協定。 • 基本概念和單點廣播協定Zone Routing Protocol(ZRP)相似。 • 他值得注意的是，因為這個協定只需要少數的車輛進行重複廣播，所以改善了頻寬使用量。

27. 3. Routing Protocols • 5. GeocastRouting • 區域路由基本上就是固定位置的多點路由。 • 區域路由會將來源節點的封包傳給區域(Zone of Relevance, ZOR)內的所有其他節點。 • 區域傳播可以透過簡化的多點傳播實現。 • 簡化的區域傳播可以避免封包擁擠和減少重覆傳播的次數。 • Maihofer和Eberhardt關心快取的主題，主要的概念是在ZOR內部增加一個快取到路由層，使得封包無法立刻往前傳。

28. 3. Routing Protocols • 5. GeocastRouting • 當新的鄰居加入時，改變了他們的位置，這時快取在傳送訊息給新發現的節點。 • 他會以半徑r為範圍，選擇距離最近的節點當作目標。 • 因為節點的高移動率，選擇要跳的下一個節點有很高的機會離開傳輸範圍。 • 模擬結果顯示快取改善了區域路由傳送成功的比率。 • 改善了選擇的鄰居經常變更的問題、減低網路負擔和減少端對端的傳送延遲。

29. 4. Mobility Model • 本節回顧一些使用VANET路由協定的移動模型。 • 實際的移動模型在計算路由效能的準確結果時很重要，而且在預測車輛的下個位置和更聰明的決定路由協定也是很重要的。 • VANET的移動模型必須考慮到街道狀況、城市狀況、交通速度、車輛密度和障礙物。 • 最簡單且最早的移動模型就是Random WayPoint(RWP)移動模型，他隨機選擇目標節點並向目標定速前進。

30. 4. Mobility Model • RWP廣泛的使用在ad hoc網路的模擬，但是因為車輛受限於街道而會有完全不同的移動樣式，所以無法模擬真實的移動情況。 • 修改過的RWP已經可以接受道路長度、平均速度、車道數量和車間距離來當作參數。 • Saha和Johnson試著做出實際的街道移動模型。在他們的模型中，假設每個起始點是路上隨機的節點，然後根據最短路徑演算法向隨機的目的地前進。

31. 4. Mobility Model • 更實際的模型是Street Random Waypoint(STRAW)，他考慮了都市環境中車輛的互動、交通阻塞和交通管制。 • 建造移動模型的新趨勢是使用車輛的軌跡檔案。 • 利用車輛在一般情況下的移動軌跡來模擬高速公路上的交通動向。 • 近來有一種新的移動軌跡模擬車間網路，他可以模擬在公開地區和私人地區的交通。

32. 5. Applications and Integrations • 隨著越來越多車用ad hoc網路的研究，許多新的應用也都是從這技術發展出來的。 • 大多數VANET的應用可以分成兩個種類： • 智慧型傳輸應用 • 舒適應用

33. 5. Applications and Integrations • 智慧型傳輸應用 • 主要是VANET和ITS的應用，包含了導航、交通監視、交通流量管制等等。 • 路邊的感測器監視交通密度和車速後傳送到中心，計算出交通流量和理想的交通號誌時間。 • 當路上發生事故時，行動節點可以轉達給感測器，警告交通會變得擁擠並連繫緊急回報團隊。 • 這種應用通常使用廣播或區域路由來交換或散布訊息。

34. 5. Applications and Integrations • 舒適應用 • 提供乘客能夠與其他車輛進行通訊或使用網路來改善乘客的舒適度。 • VANET提供網路連結讓使用者在車輛移動中也可以下載音樂或是打電動。 • 這種應用使用單點廣播當作主要的通訊方式。 • 我們主要聚焦在使用ad hoc架構的VANET路由協定，但是其他通訊技術也可以整合來支援車對車的通訊。 • 未來ITS隨著多樣的需求，也能相容其他無線技術。

35. 6. Conclusion • 本篇paper討論許多設計VANET路由協定會遇到的挑戰，並研究了近期提出的路由協定。 • Table 1整理了這些路由協定的特性。 • 一般來說，因為地形限制的關係，地區路由和區域路由比較可能成為VANET的路由協定。 • 路由協定的效能主要還是靠移動模型、駕駛環境和車輛密度等等來決定。 • 對所有的VANET應用來說，要有一個統一的協定是很困難的。

36. 6. Conclusion • 即使VANET近來受到無線網路社群的關注，但是仍然有部分還沒去研究。 • 安全性的問題對VANET也是很重要的議題。 • 許多應用都是會有重大影響的決定，如果被竄改過將會造成很糟的後果。 • 其他挑戰就是檔案傳輸、檔案分享等 • 相關的主題包含網路分割、限制延遲的路由和容忍延遲的網路。

37. 6. Conclusion

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