مسیریابی در شبکه های Vanet چیست و چه کاربردی دارد؟

شبکه های خودرویی یا Vehicle Ad hoc Network زیر مجموعه‌ای از شبکه سیار موردی Mobile Ad hoc Network است که ارتباطات در آن از طریق خودروها انجام می‌شود. زمانی که صحبت از ارتباطات می شود ناخودآگاه مبحث مسیریابی برای انتقال و انتشار اطلاعات پیش خواهد آمد. پس در ادامه این پست با مبحث مسیریابی در شبکه های خودرویی آشنا خواهید شد.

شبکه خودرویی Vehicle Ad hoc Network یک شبکه ارتباطی است که خودروهای هوشمند را به یکدیگر و یا منابع ثابت و سیار در کنار جاده متصل می‏‌کند و به سازماندهی آنها می‌پردازد. یک شبکه خودرویی متشکل از وسیله‌های خودرویی و زیرساخت‌های شبکه است. این شبکه‌ها با دیگر شبکه بی‌سیم مانند شبکه‌های حسگر به این دلیل که کاربران داخل خودروها هستند متفاوت است.

در شبکه‌های خودرویی، خودرو‌ها گره‌های متحرک هستند و با یکدیگر ارتباط دارند. این ارتباط می‌تواند به دو صورت، ارتباط خودرو به خودرو و ارتباط با زیرساخت کنار جاده‌ای انجام پذیرد. در چنین شبکه‌هایی مسیریابی همواره با مشکلات و چالش‌هایی همراه است به همین دلیل انواع مختلفی از پروتکل‌های مسیریابی در شبکه های Vanet در طی سال‌های اخیر مطرح‌شده است.

انتشار اکثر اطلاعات علائم و ترافیک در شبکه‌های خودرویی به‌صورت ارتباط زیرساخت با خودرو انجام می‌پذیرد. هزینه ساخت و نصب و راه‌اندازی زیرساخت‌ها سنگین بوده و نحوه پراکندگی و جایگذاری آن‌ها مشکل است برای حل این مشکل بیشترین تمرکز بر روی پروتکل های خودرو به خوردرو انجام می شود ولی در این نوع پروتکل‌ها نیز به‌دلیل محدودیت برد فرستنده هر خودرو مسیریابی با تکنیک های مختلفی انجام می شود.

پروتکل های مسیریابی در شبکه های Vanet

در طی سال‌های اخیر، پروتکل‌های مسیریابی بسیاری برای انتشار اطلاعات در شبکه‌های خودرویی ارائه‌ شده‌اند و این حوزه را به یک موضوع پژوهشی بسیار جالب برای پژوهشگران تبدیل کرده است. پس از مقاله آموزشیشبکه های خودرویی – معرفی کامل و جامع شبکه های بین خودرویی VANET در این پست به بررسی پروتکل های مسیریابی در شبکه های Vanet می پردازیم. پروتکل‌های مسیریابی در شبکه های Vanet از یک دیدگاه از لحاظ ارتباطی به دو نوع V2V یعنی Vehicle to Vehicle یا همان خودرو به خودرو و V2I یعنی Vehicle to Infrastructure یا خودرو به ساختار تقسیم‌بندی می‌شوند.

یک پروتکل مسیریابی مشخص می کند چگونه گره ها با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند و توزیع اطلاعاتی را انجام می دهد. پروتکل مسیریابی گره ها را قادر می سازد تا مسیرهایی را بین هر دو گره در یک شبکه کامپیوتری انتخاب کنند. بسته های داده ها از طریق شبکه های کامپیوتری از گره تا گره به مقصد منتقل می شوند. الگوریتم های مسیریابی، انتخاب مسیر خاص را تعیین می کنند.

هر گره میانی یا روتر فقط از اطلاعات مربوط به شبکه هایی را که مستقیما به آن متصل است، اطلاع دارد. یک پروتکل مسیریابی این اطلاعات را ابتدا در میان همسایگان نزدیک و سپس در سراسر شبکه به اشتراک می گذارد. به این ترتیب، روترها دانش توپولوژی شبکه را بدست می آورند. توانایی مسیریابی پروتکل ها به صورت پویا با توجه به شرایط در حال تغییر است.

ویژگی های خاص پروتکل های مسیریابی عبارتند از روشی که آنها از حلقه های مسیریابی اجتناب می کنند، نحوه انتخاب مسیرهای مورد نظر، استفاده از اطلاعات مربوط به هزینه های گام، زمان لازم برای دستیابی به همگرایی مسیریابی، مقیاس پذیری آنها و سایر عوامل است.

مسیریابی به صورت multi-hop در شبکه ‏های خودرویی کار پیچیده ای است ، زیرا گره‌های شبکه (اتومبیل ‏ها) بسیار متحرک بوده و به همین دلیل احتمال قطع شدن ارتباط بسیار زیاد است. یکی از روش‏ های غلبه بر این مشکل استفاده از ایده carry-and-forward است، به این صورت که اتومبیل حامل packet، آن را آنقدر حمل می‏ کند تا اتومبیل دیگری وارد محدوده رادیویی آن شده و سپس packet به اتومبیل دیگر منتقل می‏ شود. بطور کلی می توان انواع پروتکل‌های مسیریابی در شبکه های Vanet را برای ارتباطات خودرو به خودرو V2V بصورت زیر طبقه بندی کرد.

پروتکل‌های خودرو به خودرو به شش قسمت مبتنی بر توپولوژی (Topology Based)، مبتنی بر مکان (Position Based)، مبتنی بر پخش جغرافیایی (GEO Cast Routing)، مبتنی بر خوشه‌بندی (Clustering Based Routing)، مبتنی بر همه پخشی (Broad Cast Routing) و پروتکل های تحمل‌پذیر در برابر تأخیر (Delay Tolerant Routing) تقسیم‌بندی می‌شوند که در این پست یعنی مسیریابی در شبکه های Vanet به تشریح آن‌ها پرداخته خواهد شد.

پروتکل‌های مبتنی بر توپولوژی در شبکه های Vanet

مسیریابی مبتنی بر توپولوژی (Topology Based) از اطلاعات لینک‌هایی که در شبکه موجود هستند برای ارسال بسته‌ها به سمت مقصد استفاده می‌کند. در این پروتکل‌ها، بسته‌های کنترلی دائماً به‌صورت همه پخشی بین گره‌ها توزیع می‌شوند. این کار به‌منظور نگهداری مسیر انجام می‌شود ولی ممکن است مسیری در طول حیات شبکه اصلاً مورداستفاده قرار نگیرد.

ازآنجاکه شبکه‌های خودرویی بیش‌ترین تحرک و پویایی را در بین شبکه‌ها دارند ازاین‌رو استفاده از این پروتکل‌ها برای شبکه‌های بین‌خودرویی عملاً ممکن نخواهد بود پروتکل‌های مبتنی بر توپولوژی خود به سه بخش مبتنی بر جدول یا Proactive، مبتنی بر نیاز یا Reactive و پروتکل های ترکیبی Hybrid تقسیم بندی می شوند.

از پروتکل های معروف در مبتنی بر جدول یا Proactive می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پروتكل مبتنی بر جدول DSDV
• پروتکل مبتنی بر جدول GSRP
• پروتکل مبتنی بر جدول FSR
• پروتكل مبتنی بر جدول OLSR

از پروتکل های معروف در مبتنی بر نیاز یا Reactive می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پروتكل مبتنی بر نیاز TORA
• پروتكل مبتنی بر نیاز AODV
• پروتكل مبتنی بر نیاز PRAODV
• پروتكل مبتنی بر نیاز DSR
• پروتکل مبتنی بر نیاز WNPRP

از پروتکل های معروف در ترکیبی Hybrid نیز می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پروتکل ترکیبی ZRP
• پروتکل ترکیبی HARP

پروتکل‌های مبتنی بر مکان در شبکه های Vanet

اصول کار پروتکل‌های مبتنی بر مكان (Position Based) وابسته به موقعیت مقصد بسته‌ها و همسایگان مجاور گره‌ها است. موقعیت مقصد توسط مبدأ در هدر بسته‌ها ذخیره می‌شود. موقعیت گره‌های مجاور توسط ارسال دوره‌ای پیام‌ها به دست می‌آید. به‌منظور جلوگیری از برخورد، این پیام‌ها در دوره‌های زمانی متفاوت و تصادفی ارسال می‌شوند. گره‌ای که دربرد رادیویی گره جاری قرار دارد به‌عنوان همسایه شناخته می‌شود.

پروتکل‌های مبتنی بر مكان فرض می‌کنند، خودروها توسط دستگاه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) از موقعیت مکانی خود اطلاع دارند. همچنین گره‌های ارسال‌کننده، از موقعیت گره‌های دریافت‌کننده نیز باید اطلاع داشته باشد. ازاین‌رو پروتکل‌های مبتنی بر مكان، برای نگهداری مسیرهای برقرارشده از معاوضه اطلاعات مربوط به وضعیت لینک استفاده نمی‌کنند. درصورتی‌که پروتکل‌های مبتنی بر توپولوژی از چنین راهکاری برای نگهداری مسیر بهره می‌جستند.

بر اساس این ویژگی پروتکل‌های مبتنی بر مكان دارای پایداری بیشتری هستند و برای شبکه‌های پویا مانند شبکه‌های خودرویی دارای عملکرد بهتری می‌باشند. پروتکل‌های مبتنی بر مکان به سه دسته کلی پروتکل‌های تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر ، پروتکل‌های تحمل‌پذیر در برابر تأخیر و پروتکل‌‌های ترکیبی تقسیم‌بندی می‌شوند.

• پروتکل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر GRANT
• پروتکل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر A-STAR
• پروتکل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر GPCR
• پروتکل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر GPSRJ+
• پروتکل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر CAR
• پروتکل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر GSR
• پروتکل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر STBR
• پروتکل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر GyTAR
• پروتكل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر TO-GO
• پروتکل تحمل‌ناپذیر در برابر تأخیر CBF
• پروتکل تحمل‌پذیر در برابر تأخیر VADD
• پروتکل تحمل‌پذیر در برابر تأخیر GeOppS
• پروتكل ترکیبی (GeoDTN + Nav )

پروتکل‌های مبتنی بر پخش جغرافیایی (GEOCast Routing)

پروتکل‌های مبتنی بر پخش جغرافیایی (GEOCast Routing) از اصل مسیریابی بسته‌های داده از یک خودروی منفرد به همه وسایل نقلیه متعلق به منطقه مقصد به نام منطقه مرتبط ZOR پیروی می‌کنند. در این پروتکل ها، برای نادیده گرفتن پیام‌های سیل آسا، پیام geocast از منبع به ZOR، یک منطقه ارسال به نام zone of forwarding ZOF برای محدود کردن ارسال پیام تا رسیدن به ZOR استفاده می‌شود.

Geocast یک پروتکل مسیریابی است که ارتباطات بی سیم چند گامه را روی یک محیط بی سیم مستقل ارائه می دهد یعنی استفاده از زیرساخت اجباری نیست. این نوع از پروتکل ها در ابتدا برای شبکه های سیار موردی MANET  پیشنهاد شده بودند، اما به سرعت برای شبکه‌های دیگر مانند شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN) و VANET نیز استفاده شدند. طبق شکل زیر پروتکل های مبتنی بر GEOCast را می توان به دو گروه اصلی تقسیم بندی کرد:

از مهم ترین پروتکل های معروف در این دسته همانطور که در شکل بالا نیز مشاهد می شود می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پروتکل مبتنی بر پخش جغرافیای IVG
• پروتکل مبتنی بر پخش جغرافیای DRG
• پروتکل مبتنی بر پخش جغرافیای Cached Geocast
• پروتکل مبتنی بر پخش جغرافیای Abiding Geocast
• پروتکل مبتنی بر پخش جغرافیای ROVER
• پروتکل مبتنی بر پخش جغرافیای DG-CastoR
• پروتکل مبتنی بر پخش جغرافیای Mobicast
• پروتکل مبتنی بر پخش جغرافیای DTSG
• پروتکل مبتنی بر پخش جغرافیای Constrained Geocast

پروتکل‌های مبتنی بر خوشه‌بندی (Clustering Based Routing)

در پروتکل‌های مبتنی بر خوشه‌بندی (Clustering Based Routing)، وسایل نقلیه‌ای که ویژگی‌های مشابهی دارند، مانند عملکرد در یک جهت با سرعت کم و بیش یکسان، می‌توانند یک خوشه را تشکیل دهند و یک سر خوشه را انتخاب کنند که خوشه را مدیریت می‌کند و مسئول ارتباطات بین خوشه‌ای است. توجه داریم که ارتباطات درون خوشه‌ای بدون سر خوشه هستند و با استفاده از پیوندهای مستقیم انجام می‌شوند.

پروتکل‌های مبتنی بر همه پخشی (Broad Cast Routing)

اصول کار پروتکل‌های پروتکل‌های مبتنی بر همه پخشی (Broad Cast Routing) تقویت و ارسال بسته ها در کل مسیر به خودروها است. این نوع از پروتکل‌ها، مناسب شبکه بزرگراه است که در آن کل بزرگراه به سلول‌های مجازی که مانند گره‌های سیار حرکت می‌کنند، تقسیم‌شده است. در این پروتکل ها در عملیات مسیریابی به دانش موقعیتی نیازی نیست و تنها از اطلاعات تراکم محلی از همسایگان x-hop استفاده می‌شود. از معروف ترین پروتکل های مسیریابی در شبکه های Vanet در این حوزه می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پروتکل مبتنی بر همه پخشی BROADCOMM
• پروتکل مبتنی بر همه پخشی UMB
• پروتکل مبتنی بر همه پخشی DV-CAST
• پروتکل مبتنی بر همه پخشی EAEP
• پروتکل مبتنی بر همه پخشی HyDi

پروتکل مبتنی بر همه پخشی DECAکیفیت سرویس در شبکه های خودرویی (Qos in Vanet)کیفیت سرویس در شبکه های خودرویی یک سمینار عالی در مقطع کارشناسی ارشد و به عنوان پروژه در مقطع کارشناسی رشته های کامپیوتر، فناوری اطلاعات و شبکه می باشد. این سمینار در قالب word به تعداد 77 صفحه به بیان روش ها و پروتکل ها مبتنی بر کیفیت سرویس Qos می پردازد.
سخن پایانی در مورد مسیریابی در شبکه های Vanetدر این پست در مورد مسیریابی در شبکه های Vanet بحث شد و انواع پروتکل های مسیریابی در شبکه های خودرویی در 6 دسته معرفی شدند. هنوز هم پس از مطالعات فراوان چه بصورت آکادمیک و چه بصورت عملی، مباحث و چالش‌های فراوانی در شبکه های خودرویی و بخصوص در مورد مسیریابی در این نوع شبکه ها وجود دارد چرا که مهم ترین اصل یعنی جان انسان ها در این میان قرار دارد.