Hindawi Publishing Corporation
International Journal of Distributed Sensor Networks
Volume 2015, Article ID 745303, 11 pages
http://dx.doi.org/10.1155/2015/745303
Review Article
Vehicular Ad Hoc Networks: Architectures, Research Issues, Methodologies, Challenges, and Trends
Wenshuang Liang, Zhuorong Li, Hongyang Zhang, Shenling Wang, and Rongfang Bie
College of Information Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Correspondence should be addressed to Rongfang Bie; rfbie@bnu.edu.cn
Received 1 September 2014; Accepted 6 November 2014
Academic Editor: Xiuzhen Cheng
Copyright copy; 2015 Wenshuang Liang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Vehicular ad hoc networks (VANETs) have been quite a hot research area in the last few years. Due to their unique characteristics such as high dynamic topology and predictable mobility, VANETs attract so much attention of both academia and industry. In this paper, we provide an overview of the main aspects of VANETs from a research perspective. This paper starts with the basic architecture of networks, then discusses three popular research issues and general research methods, and ends up with the analysis on challenges and future trends of VANETs.
1. Introduction
Recently, with the development of vehicle industry and wire-less communication technology, vehicular ad hoc networks are becoming one of the most promising research fields.
VANETs which use vehicles as mobile nodes are a subclass of mobile ad hoc networks (MANETs) to provide commu-nications among nearby vehicles and between vehicles and nearby roadside equipment [1] but apparently differ from other networks by their own characteristics. Specifically, the nodes (vehicles) in VANETs are limited to road topology while moving, so if the road information is available, we are able to predict the future position of a vehicle; what is more, vehicles can afford significant computing, communication, and sensing capabilities as well as providing continuous transmission power themselves to support these functions [2].
However, VANETs also come with several challenging characteristics, such as potentially large scale and high mobility. Nodes in the vehicular environment are much more dynamic because most cars usually are at a very high speed and change their position constantly. The high mobility also leads to a dynamic network topology, while the links between nodes connect and disconnect very often. Besides, VANETs have a potentially large scale which can include
many participants and extend over the entire road network [2].
It is precisely because of both of these unique attractive features and challenging characteristics that VANETs could draw the attention from both industry and academia.
Therefore, several articles have tried to summarize the issues about vehicular networks. For example, in [3, 4], the authors discuss the research challenges of routing in VANETs and then summarize and compare the performance of routing protocols; Hartenstein and Laberteaux present an overview on the communication and networking aspects of VANETs and summarize the current state of the art at that time [5]; Raya and Hubaux address the security of VANETs comprehensively and provide a set of security protocols as well [6]; in [7], the authors propose a taxonomy of a large range of mobility models available for vehicular ad hoc networks. These articles all reviewed specific research areas in VANETs. In addition, others papers like [8] provide comprehensive overview of applications, architectures, pro-tocols, and challenges in VANETs and especially introduce VANETs projects and standardization efforts in different regions (i.e., USA, Japan, and Europe); Al-Sultan et al. provide detailed information for readers to understand the main aspects and challenges related to VANETs, including network
2
architecture, wireless access technologies, characteristics, applications, and simulation tools [9].
Compared with these current articles, this paper adds the introduction of layered architecture for VANETs so that the summary of network architecture is more complete. Also, we organize the overview of the vehicular ad hoc networks in a novel way. That is, we introduce the VANETs from the research perspective in the paper, including some current hot research issues and general methods, which do good to the progress of VANETs. Moreover, we provide a more comprehensive analysis on VANETs research challenges and future trends, beneficial for further systematic research on VANETs. In summary, this paper covers basic architecture, some research issues, general research methods of VANETs, and some key challenges and trends as well as providing an overall reference on VANETs.
The rest of this paper is organized as follows. Section 2 first introduces the vehicular ad hoc networks architecture, including network components, communication types, and layered network architecture. Then in Section 3, we discuss three aspects of VANETs research issues: routing, security and privacy, and applications. Section 4 focuses on VANETs research methodologies and some VANETs models and simulator tools are also given. Section 5 provides an analysis on VANETs research challenges and future directions. Finally, the paper is concluded in Section 6.
2. Architecture
This part describes the system architecture of vehicular ad hoc networks. We first introduce the main components of VANETs architecture from a domain view. Then, we explain their interaction and introduce the communication arch
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Hindawi出版公司
国际分布式传感器网络杂志。
2015卷，第745303,11页。
http://dx.doi.org/10.1155/2015/745303
评论文章
车辆专用网络:架构、研究问题、方法、挑战和趋势。
梁文双、李卓人、张洪阳、王志玲、荣芳。
北京师范大学信息科学技术学院，北京100875。
应将函件寄给荣芳Bie;rfbie@bnu.edu.cn
收到2014年9月1日;接受2014年11月6日
学术编辑:Xiuzhen程
版权copy;2015 Wenshuang梁等。这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。
在过去的几年里，车载自组网(VANETs)一直是一个热门的研究领域。由于其独特的特性，如高动态拓扑结构和可预测的移动性，其吸引了学术界和业界的广泛关注。在本文中，我们将从研究的角度对VANETs的主要方面进行概述。本文从网络的基本架构入手，讨论了三种流行的研究问题和一般的研究方法，最后分析了其面临的挑战和未来的发展趋势。
1。介绍
近年来，随着汽车工业的发展和无线通信技术的发展，车载自组网正成为最具发展前景的研究领域之一。
使用车辆作为移动节点的VANETs是移动自组网(MANETs)的一个分支，在附近的车辆和车辆和附近的路边设备之间提供交通便利[1]，但明显不同于其他网络的特点。具体来说，在车辆行驶时，车辆的节点(车辆)限于道路拓扑，因此，如果道路信息可用，我们能够预测车辆的未来位置;更重要的是，车辆可以承担重要的计算、通信和感知能力，并提供持续的传输能力来支持这些功能[2]。
然而，VANETs也有一些具有挑战性的特点，如潜在的大规模和高流动性。车辆环境中的节点更加动态，因为大多数汽车通常处于非常高的速度，并且不断地改变它们的位置。高机动性也导致了动态网络拓扑，而节点之间的连接非常频繁。此外，VANETs有一个潜在的大规模，包括许多参与者并延伸到整个道路网[2]。
正是由于这些独特的吸引人的特点和具有挑战性的特点，VANETs才能引起业界和学术界的注意。
因此，有几篇文章试图总结汽车网络的问题。例如，在[3,4]中，作者讨论了在VANETs中路由的研究挑战，然后总结并比较了路由协议的性能;Hartenstein和Laberteaux概述了VANETs的交流和网络方面，并总结了当时的行业
现状[5];Raya和Hubaux全面解决了VANETs的安全问题，并提供了一套安全协议[6];在[7]中，作者提出了一种可用于车辆自组网的大范围移动模型的分类。这些文章都回顾了VANETs的具体研究领域。此外，其他论文如[8]提供了对应用程序、架构、支持tocols的全面概述，以及在VANETs中所面临的挑战，特别是在不同地区的VANETs项目和标准化工作（如美国、日本和欧洲）;Al-Sultan等为读者提供了详细的信息，以了解与VANETs相关的主要方面和挑战，包括网络、建筑、无线接入技术、特性、应用和仿真工具[9]。
与当前的文章相比，本文为VANETs引入了分层架构，使网络架构的总结更加完整。此外，我们还以一种新颖的方式组织了汽车专用网络的概述。也就是说，本文从研究的角度介绍了VANETs，包括当前的一些热点研究问题和一般方法，对VANETs的发展有一定的帮助。此外，我们还对VANETs的研究挑战和未来趋势进行了更全面的分析，有助于进一步系统地研究VANETs。综上所述，本文涵盖了基本架构、一些研究课题、一般研究方法以及一些关键的挑战和趋势，并提供了整体的研究方向。
本文的其余部分组织如下。第2节首先介绍了车辆专用网络体系结构，包括网络组件、通信类型和分层网络体系结构。然后在第3节中，我们讨论了VANETs研究问题的三个方面:路由、安全与隐私以及应用程序。第4节重点介绍了VANETs的研究方法，以及一些VANETs的模型和仿真工具。第5节对VANETs的研究挑战和未来方向进行了分析。最后，论文在第6节中总结。
2。体系结构
本部分描述了车载自组网的系统结构。我们首先从域视图中介绍了VANETs体系结构的主要组件。然后，我们解释了它们的相互作用，并介绍了通信架构。此外，我们还提供了一个关于VANETs的分层结构的介绍。
2.1。主要组件。根据IEEE 1471-2000[10, 11]和ISO/IEC 42010[12]体系结构标准指南，我们能够通过划分为三个实体领域实现的车载网络系统:移动域、基础结构域和通用域[13]实现。
如图1所示，移动域包括两个部分:车辆域和移动设备域。车辆领域包括汽车和公共汽车等各种车辆。移动设备领域包括各种便携设备，如个人导航设备和智能手机。
在基础设施领域，有两个领域:路边的基础设施领域和中心基础设施领域。路边的基础设施领域包括路边的单位实体，如红绿灯。中央基础设施领域包括交通管理中心(TMCs)和车辆管理中心等基础设施管理中心[13]。
然而，VANETs建筑的发展却因地区而异。在CAR-2-CAR通信联盟所追求的CAR-2- x通信系统中，参考体系结构略有不同。
CAR-2-CAR 通信联盟(C2C-CC)是欧洲车辆通信的主要驱动力，并在2007年发表了它的“宣言”。这个系统的归档包括三个领域:车载、专用网络和基础设施领域。
如图2所示，车载域由一个车载单元(OBU)和一个或多个应用程序单元(AUs)组成。他们之间的联系通常是有线的，有时是无线的。然而，特设领域是由装有车载单元(OBU)和路边单位(rsu)的车辆组成。车载单元(OBU)可以
被看作是一个特定网络的移动节点，而路边单位(rsu)也是一个静态节点。RSU可以通过网关连接到Internet;rsu可以
直接或通过多跳进行通信。有两种类型的基础设施域访问，rsu和热点(HSs)。OBUs可以通过rsu或HSs与Internet进行通信。在没有rsu和HSs的情况下，OBUs还可以通过使用蜂窝无线网络(GSM、GPRS、UMTS、WiMAX和4G)[2]进行通信。
2.2。通信架构。在VANETs中，通信类型可以分为四种类型。该类别与上面所述的VANETs组件密切相关。图3描述了每种通信类型的关键函数[15]。
表1:OSI参考架构。
应用程序层
传输层
网络层
LLC子层
链路层
MAC子层
PLCP子层
物理层
PMD子层
车载通信技术在VANETs的研究中越来越重要，它涉及到车载领域。车载通信系统可以检测车辆的性能，尤其是驾驶员的疲劳和嗜睡，这对驾驶员和公共安全至关重要。
车辆对车辆(V2V)通信可以提供一个数据交换平台，供司机共享信息和警告信息，以扩大驾驶员的协助。
车辆-道路基础设施(V2I)通信是在VANETs中另一个有用的研究领域。V2I通信可以为司机提供实时的交通/天气信息更新，并提供环境感知和监控。
车辆-宽带云(V2B)通信意味着车辆可以通过无线宽带机制(如3G/4G)进行通信。由于宽带云可能包括更多的交通信息和监测数据以及信息娱乐，这种类型的通信将有助于积极的驾驶员协助和车辆跟踪。
2.3。VANETs分层架构。大多数读者都知道开放系统互连(OSI)模型，它将类似的通信功能分组到七个逻辑层中的一个[16]。这里省略了会话层和表示层，在这个体系结构中，一个给定的层可以被进一步划分为一些子层[17]。
一般来说，VANETs的体系结构可能与区域到区域不同，因此协议和接口也不同。例如，表2显示了在美国专用的短程通信(DSRC)的协议栈。DSRC是专门为自动使用和一组相应的协议和标准设计的[17]。美国联邦通信委员会已经分配了75 MHz的频谱。
DSRC通信，从5.850 GHz到5.925 GHz[17]。不同的协议被设计用于不同的层;其中一些还在积极发展中。IEEE 802.11p是一项对IEEE 802.11标准的修订，用于在车辆环境中增加无线接入(WAVE)，主要关注的是该堆栈的物理层和MAC子层。IEEE 1609是基于IEEE 802.11p的更高层次标准。IEEE 1609代表了一个标准家族，它在协议栈的中间层中可以灵活地支持VANETs中的安全应用程序，而非安全应用程序则通过另一组协议来支持。特别是，网络层服务和传输。
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安全 |
不安全 |
|
应用程序 |
应用程序 |
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运输和 |
传输层 |
|
网络层 |
|
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TCP / UDP |
|
|
IEEE 1609.3 |
|
|
安全 |
网络层 |
|
IEEE 1609.2 |
IPv6 |
|
LLC子层 |
|
|
IEEE 802.2 |
|
|
MAC子层的扩展 |
|
|
IEEE 1609.4 |
|
|
MAC子层 |
IEEE 802.11p |
|
物理层 |
|
非安全应用程序的层服务由三个相当稳定的协议提供:IPv6、TCP和UDP[11, 17,18]。
表2:DSRC的分层架构。
|
|
||||
|
移动领域 |
通用域 |
基础设施领域 |
||
|
互联网 |
路边 |
|||
|
汽车领域 |
基础设施 |
基础设施 |
||
|
域 |
域 |
|||
|
私人 |
中央 |
|
|
移动设备 |
基础设施 |
基础设施 |
|
域 |
域 |
域 |
基础设施
域
管理
中心
互联网
节点 服务器
通用域
图1:VANETs系统域。
3所示。研究问题
这部分是关于VANETs研究问题的三个方面的简要介绍:路由、安全、隐私以及应用程序。首先，讨论了路由协议的分类和一些算法。然后讨论了最新的安全和隐私研究。最后，我们介绍了两种类型的应用程序，即安全应用程序和非安全应用程序。
3.1。路由。在VANETs中，无线通信一直是支持许多应用和服务实现的关键技术。然而，由于具有高动态拓扑结构和间断连通性等特性，现有的路由算法在大多数
应用场景中都无法实现。因此，研究人员不遗余力地改进现有的算法和设计新的算法，从而保证通信的可靠性。根据所涉及的发送者和接收器的数量，路由方法可以分为三种类型:geocast/广播、组播和单播
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