بخشی از مقاله
ارائه یک دسته بندی جدید برای مسیریابی شبکه های بین خودرویی (WANET)
چکیده
شبکههای بین خودرویی (VANET) یک نوع خاصی از شبکههای موبایلی (MANET) هستند که با هدف ایجاد ایمنی بین خودروها و کاربردهای رفاهی برای مسافران و رانندگان ایجاد شده اند. با توجه به رشد روز افزون تعداد خودروها در جاده ها و محیطهای شهری، استفاده از شبکههای VANET در سال های اخیر بسیار مورد توجه بوده است. یکی از مسائل مهم چالش برانگیز در شبکه های VANET، مسیریابی در این شبکهها میباشد. طبیعت پویای شبکه های VANET که ناشی از سرعت بالای خودروهاست و همچنین محدودیت های حرکتی که به علت شرایط ترافیکی خاص در جادهها حاکم است، باعث شده که پروتکل های مسیریابی MANET برای VANET قابل استفاده و کاربردی نباشد. در این مقاله یک دسته بندی برای پروتکل های مسیریابی در شبکه های VANET معرفی کرده ایم. در این دسته بندی پروتکل های مسیریابی را به هشت گروه کلی تقسیم کرده ایم: موردی تک مسیره، موردی چند مسیره، مبتنی بر مکان، مبتنی بر کلاستر، چند پخشی، همه پخشی، مبتنی بر تحمل پذیری تاخیر و مبتنی بر کیفیت خدمات. هر کدام از گروه ها را به طور مختصر توضیح داده و ویژگی ها، نقاط ضعف و قوت ھر یک را ذکر می کنیم۔
واژه های کلیدی
شبکه های بین خودرویی، دسته بندی جدید مسیریابی، مبتنی بر مکان، مبتنی بر کلاستر.
۱- مقدمه
ANET ۷ یک نمونه شبکه سیار موردی است که برای برقراری ارتباط بین خودروها و همچنین خودروها و وسایل کنترل جاده ای ایجاد شده است [۱]. برای شرکت کردن در یک VANET، خودروها باید به گیرنده مجهز باشند که به آنها امکان دهد تا به صورت گره های شبکه عمل کنند. در واقع VANETها کلاس خاصی از شبکه های متحرک و اختصاصی (MANET) هستند که ویژگی های منحصر بفرد خود را دارند. اکثر گره ها در VANET متحرک هستند، اما از آنجا که اتومبیل ها معمولاً در جاده محدود هستند الگوی تحرک کنترل شده ای دارند که تحت تأثیر تنظیمات و قواعد ترافیک خودرویی هستند. خودروها معمولاً با نرخ سرعت بیشتری نسبت به گره ها در MANET حرکت می کنند.
طبیعت پویای شبکههای VANET که ناشی از سرعت بالای خودروهاست و همچنین محدودیتهای حرکتی که به علت شرایط ترافیکی خاص در جادهها حاکم است، باعث شده که پروتکلهای مسیریابی MANET برای VANET قابل استفاده نباشد [۲]. تفاوت های اصلی شبکه های VANET در مقایسه با شبکه های MANET و سایر شبکه های بی سیم عبارتند از: - تغییرات سریع در توپولوژی شبکه های VANET باعث می شود که اداره کردن آن ها با مشکل مواجه شود (به علت سرعت نسبتاً بالا بین خودروها توپولوژی شبکه خیلی سریع عوض می شود).
- تغییرات سریع در اتصال لینک ها باعث می شود که خیلی از مسیرها قبل از اینکه مورد استفاده قرار بگیرند، از بین بروند و در واقع ممکن است اتصال خودروها با هم قطع شود. – توپولوژی شبکه، به رفتار راننده و عکس العمل های مختلف او به پیامهای گوناگون بستگی دارد. تلاش های زیادی در زمینه دسته بندی شبکه های بی سیم و MANET صورت گرفته است. به عنوان نمونه در مرجع آ۵] به دسته بندی پروتکل های Ad-hOC بی سیم پرداخته و آن ها را در دو گروه مبتنی بر توپولوژی و مبتنی بر موقعیت قرار داده است. در مرجع ۳و ۴] به دسته بندی پروتکل های مسریابی در شبکه های MANET پرداخته و آن ها را در دو گروه تک مسیره و چند مسیره تقسیم بندی کرده است. اما با توجه به ویژگی های خاصی شبکه های VANET (تحرک زیاد گره ها) تاکنون دسته بندی جامعی برای این شبکه ها صورت نگرفته است. در این مقاله سعی داریم دسته بندی جامعی را برای مسیریابی شبکههای VANET معرفی می کنیم که با ویژگی های خاص این شبکه ها سازگار باشد.
۲- مسیریابی شبکه های WANET
در این مقاله پروتکل های مسیریابی شبکه های VANET به هشت گروه تقسیم شده اند:
۱-۲- پروتکل های تک مسیریابی
همانگونه که از نامشان پیداست، آن دسته از پروتکل هایی هستند که بعد از انجام عملیات کشف مسیر، تنها یک مسیر فعال بین مبدا و مقصد برای انجام عملیات جلورانی بسته اطلاعات کشف می شود [۶]. ایده پروتکل های مسیریابی دو گروه اول (تک مسیره و چند مسیره) از شبکه های موبایلی گرفته شده که با کمی تغییر در ساختار پروتکل ها، قابل اجرا در شبکه های بین خودرویی نیز می باشند. چند نمونه از پروتکل های تک مسیریابی عبارتند از: DSDV ،AODVاو DSR
۱-۱-۲ پروتکل مسیریابی AODV
پروتکل AODV پروتکلی است که خاصیت رفتار مبتنی بر نیاز پروتکل DSRا را با خاصیت مسیریابی گام به گام و مبتنی بر مقصد پروتکل DSDV ترکیب می کند [۷]. یکی از جنبههای AODV استفاده از شماره ی رشته (توالی) در جدول هر گره است. این شماره رشته توسط گره مقصد تولید می شود، شماره ی رشته هم در بسته درخواست مسیر و هم در بسته های پاسخ به مسیر گنجانده می شود و به گره های درخواست کننده فرستاده می شود. شماره رشته از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. زیرا باعث اجتناب از حلقه شده و به سادگی قابل برنامه ریزی است. در دیگر گرهها نیز این شماره رشته به منظور به روز رسانی اطلاعات مسیر یابی استفاده میشود. اگر یک گره بین دو مسیر حق انتخاب داشته باشد مسیری را انتخاب می کند که شماره رشته آن باشد. AODV با جداول مسیریابی سازگار است. بسته های درخواست مسیر، جواب به مسیر و خطا در AODV نیز همانند DSR تعریف می شود. ازجمله مزایای این پروتکل گذردهی مناسب آن است و از معایب آن این است که قادر نیست مسیرهای طولانی را پیدا، نگهداری و به روز رسانی کند.
۲- ۲- پروتکل های چند مسیریابی
آن دسته از پروتکل هایی هستند که بعد از عملیات کشف مسیر یک یا چند مسیر فعال برای انجام عملیات جلورانی بسته کشف می شود. پروتکل های تک مسیریابی انعطاف پذیری کمی دارند و تعداد مسیرهای انتخابی ان ها محدود به یک مسیر است در حالی که پروتکل های چند مسیریابی قادرند با توجه به شرایط محیطی همچون ازدحام، محدودیت توان ارسال، حملات فعال و غیره خود را با شرایط وفق دهند و مسیر جانشین بهتری را با توجه به شرایط جایگزین کنند. یکی از انگیزه های انتخاب پروتکل های چند مسیریابی امنیت بیشتر آن ها نسبت به پروتکل های تک مسیریابی است. در ضمن پروتکل های چند مسیریابی در سناریوهایی که در آن ها احتمال خرابی لینک های بی سیم نسبتاً بالاست از کارایی بهتری برخوردارند زیرا بدون انجام عمل کشف مسیر مجدد می توانند مسیر جایگزین را برای جلورانی بسته های اطلاعاتی فعال کنند. از جمله پروتکل های چند مسیریابی می توان به AOMDV اشاره کرد.
۲- ۱-۲ پروتکل چند مسیره AOM DV
بسط یافته پروتکل تک مسیره AODV است. ایده اصلی مورد استفاده در پروتکل AOMDV بدست آوردن چندین مسیر گوناگون طی انجام مرحله کشف مسیر است ا۸]. پروتکل AOMDV اصولا برای شبکههای اقتضایی پویا که در آنها خطای لینک و گسستگی مسیر مرتباً رخ میدهد، طراحی شده است. پروتکل AOM DV در صورت از بین رفتن مسیر فعال قادر است، از مسیر جایگزین استفاده کند و ارتباط با مقصد تنها هنگامی که تمام مسیرهای کشف شده غیرفعال شوند، قطع می شود. پروتکل AOMDV اطلاعات سر آیند بسته های مسیر یابی پروتکل AODV را مقداری افزایش میدهد و در عوض مسیرهای بیشتری را پیدا می کند.
۳-۲- همه پخشی
یک بسته را برای تمام گره ها در این شبکه ارسال می کند و به طور عمده از روند شناور بودن استفاده می نماید || ۹ || این وضعیت سبب کسب اطمینان از تحویل بسته می شود اما عرض باند به هدر می رود و گره ها با مشکل مواجه می شوند. در VANET، این کار برای تعداد کمی از گره ها بهتر انجام می شود. همه پخشی یک پروتکل مسیریابی است که در VANET ها برای به اشتراک گذاری شرایط جاده، اخطارها، آب و هوا و ترافیک و همچنین ارسال اطلاعات و آگهی ها استفاده می شوند. همه پخشی همچنین در پروتکل های مسیریابی تک پخشی نیز در فاز کشف مسیر برای پیدا کردن مسیر مناسب تا مقصد، استفاده می شود. زمانی که لازم است پیامی به خودروهایی که دورتر از رنج انتقال قرار دارند ارسال شود، از مسیریابی چندگانه استفاده می شود. از جمله پروتکل های همه پخشی می توان به CBF و V-TRADE اشاره کرد.
۱-۳-۲ پروتکل همه پخشی CBF
در پروتکل CBF، یک گره یک بسته را به صورت همه پخشی به همه همسایه ها انتقال می دهد [۹]. همسایه ها برای ارسال این بسته با یکدیگر رقابت می کنند و گره ای که در این رقابت پیروز شود خود را گره بعدی فرستنده بسته معرفی می کند. این رقابت براساس فاصله گره ها تا مقصد است. اشکال این پروتکل این است که در محیطهایی با چگالی بالا که چندین همسایه ممکن است فاصله یکسانی تا مقصد داشته باشند، آنها خود را به عنوان گره بعدی معرفی کرده و بسته را ارسال می کنند، بنابراین بسته از مسیرهای گوناگون به مقصد می رسد. این مسئله باعث می شود گره ها توان زیادی را تلف کنند و یک راه حل این مشکل این است که گره های مشابه، کیفیتشان را برای ارسال داده به گره ارسال کننده جاری گزارش کنند و منتظر می مانند تا برنده برای گره بعدی انتخاب شود.
۴-۲- چندپخشی
به عنوان یک خدمات چند رسانه ای در یک منطقه جغرافیایی خاص به کار می رود. به طور طبیعی این الگوریتم به عنوان یک منطقه در حال پیشروی تعریف می شود، جائیکه شناور بودن بسته ها هدایت و کنترل می شود این کار به منظور کاهش بار اضافی پیام صورت می گیرد آ۹] تراکم شبکه در هر جایی ممکن است از طریق شناور ماندن بسته ها صورت بگیرد. در منطقه مقصد از مسیریابی تک ارسالی برای ارسال با پیشروی بسته استفاده می شود. یکی از معایب این الگوریتم آن است که شبکه را بخش بندی می کند و برای مناطقی که در برگیرنده ارسال مناسب پیام ها هستند، مناسب نمی باشد. از جمله پروتکل های چند is, L.) PGB , РОСА БЕСА ЕАЕР А су, а за
۱-۴-۲ پروتکل چند پخشی POCA
این پروتکل از ایستگاه رادیویی مناسب برای رسیدن به موقعیت بخش های مجاور استفاده می کنند || ۹ || زمانی که گره ها بخواهند پیام ها را ارسال کنند لازم است بخش های مجاور را در فاصله مناسب برای ارسال مجدد پیام انتخاب می کنند. فاصله مطمئن براساس فاصله میان گره های انتخاب کننده عمل می کرده و گره انتخاب شده آن پیام را بلافاصله ارسال می کند. در شرایطی که گره های انتخابی پیام را دوباره ارسال نکنند، گره های دیگر زمان اتمام را تنظیم می کنند. اتمام زمان انتظار با توجه به فاصله میان گره و گره پیشگام محاسبه می شود. بنابراین گره ای که به گره انتخاب شده نزدیک است دوباره همین پیام را ارسال مجدد می کند، POCA هم تشخیص دهنده پیام را برای ایستگا رادیویی ارسال می کند تا ارتباط قطع شده را بررسی کند و گره ها در می یابند که آیا مناطق یا بخش های مجاور پیام ها را از دست داده اند یا نه و اگر از دست داده اند آنها را برای تنظیم اتمام زمان انتظار مجددا ارسال کنند. بنابراین یک گره در همان بخش جاده این پیام ها را به بخش های مجاور دوباره ارسال می کند.
۵-۲- مبتنی بر مکان
حرکت گره ها در VANET معمولاً محدود به حرکت های دو جهتی در طول جاده ها و خیابان هاست. بنابراین پروتکلهای مسیریابی که از اطلاعات مکان یابی جغرافیایی بدست آمده از نقشه های خیابان، مدلهای ترافیکی و حتی سیستم های ناوبری مرسوم استفاده می کنند، می توانند مسیریابی بین خودروها را به آسانی انجام دهند ا۱۰]، بنابراین مسیریابی جغرافیایی (مسیریابی مبتنی بر مکان) به عنوان یک نمونه مسیریابی امیدبخش برای VANET ها شناخته می شود. حتی اگر گره ها در این شبکه از اطلاعات مکان برای تصمیمات مسیریابی استفاده کنند اما هنوز هم این پروتکل ها چالش هایی دارند که باید بر آنها غلبه نمود. برای مثال مسیریابی حریصانه همیشه بسته ها را به گره ای ارسال می کند که از نظر جغرافیایی به مقصد نزدیکتر است. از پروتکل های مبتنی بر مکان می توان GPCR ،GPSR ،GSR و A-STAR را نام برد.
۱-۵-۲ پروتکل مبتنی بر مکان GPSR
پروتکل GPSR یکی از مشهورترین پروتکل های مبتنی بر مکان است [۱۰] در این پروتکل برای ارسال یک بسته داده، گره مبدا اطلاعات مکان یابی گره مقصد را همراه با بسته داده می فرستد این اطلاعات گره ارسال کننده را قادر می سازد تا یک همسایه را که از نظر جغرافیایی نزدیکترین گره به گره مقصد را به عنوان گره بعدی انتخاب کند. در این پروتکل دو روش برای ارسال بسته ها وجود دارد: ارسال حریصانه: این روش که در جاده ها و خیابان ها استفاده می شود، گره ای به عنوان همسایه انتخاب می شود که از نظر جغرافیایی نزدیکترین گره به مقصد است. در روش حریصانه ابتدا گرافی برای ساختن توپولوژی مدار ساخته می شود، سپس پروتکل مسیریابی روی آن اجرا می شود. این مسئله کارایی مسیریابی را کاهش می دهد، بنابراین بسته ها مجبورند مسیرهای طولانی تر با تأخیر بیشتری را تحمل کنند. بعلاوه بسته ها می توانند به مسیرهای اشتباه ارسال شوند و منجر به ایجاد خطای زیاد یا حتی تکه تکه شدن شبکه می شوند. این روش در مواردی که موانعی مثل ساختمان ها و درخت ها ارتباط مستقیم بین گره ها
