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针对目前城市场景下车载自组织网络中的 RSU 部署问题,提出了一种基于连接时长的 RSU 部署方案。该方案在RSU数量受限的情况下,以保证通信连接时长为前提,以最大化服务车辆数目为目的,将部署问题建模成最大覆盖问题,设计了二进制粒子群算法进行求解,并结合真实的北京市路网地图和出租车 GPS数据进行仿真实验。仿真结果表明,该算法是收敛、稳定及可行的,相比贪心算法,该算法求得的部署方案能为更多的车辆提供持续性的网络服务。
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2017080-1
研究与开发
车载自组织网络中基于连接时长的 RSU 部署方案
丁正超
1
,魏振春
1,2
,冯琳
1
(1. 合肥工业大学计算机与信息学院,安徽 合肥 230009;
2. 安全关键工业测控技术教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)
摘 要:针对目前城市场景下车载自组织网络中的 RSU 部署问题,提出了一种基于连接时长的 RSU 部署方
案。该方案在 RSU 数量受限的情况下,以保证通信连接时长为前提,以最大化服务车辆数目为目的,将部署
问题建模成最大覆盖问题,设计了二进制粒子群算法进行求解,并结合真实的北京市路网地图和出租车 GPS
数据进行仿真实验。仿真结果表明,该算法是收敛、稳定及可行的,相比贪心算法,该算法求得的部署方案
能为更多的车辆提供持续性的网络服务。
关键词:车载自组织网络;路边基础设施部署;连接时长;二进制粒子群算法
中图分类号:TP393 文献标识码:A
doi: 10.11959/j.issn.1000−0801.2017080
Deployment scheme of RSU based on connection time in VANET
DING Zhengchao
1
, WEI Zhenchun
1,2
, FENG Lin
1
1. School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
2. Engineering Research Center of Safety Critical Industry Measure and Control Technology of
Ministry of Education, Hefei 230009, China
Abstract: For the roadside unit (RSU) placement problem in vehicular Ad Hoc network (VANET), the deployment
scheme of RSU based on connection time was proposed. The scheme find the optimal positions of RSU for max-
imizing the number of vehicles while ensuring a certain level of connection time under the limited number of RSU.
The problem was modeled as a maximum coverage problem, and a binary particle swarm algorithm was designed to
solve it. The simulation experiment was carried out with the real Beijing road network map and taxi GPS data. The
simulation results show that the algorithm is convergent, stable and feasible. Compared with the greedy algorithm, the
proposed scheme can provide continuous network service for more vehicles.
Key words: vehicular Ad Hoc network, roadside unit placement, connection time, BPSO algorithm
1 引言
车载自组织网络(vehicular Ad Hoc network,
VA N E T )是移动自主组织网络(mobile Ad Hoc
network,MANET)的特殊形式,是智能交通系
统(intelligent transportation system,ITS)的重要
收稿日期:2016−12−13;修回日期:2017−03−22
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.61502142);国家国际科技合作专项基金资助项目(No.2014DFB10060)
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (No.61502142), International S&T Cooperation Program of Chin
a
(No.2014DFB10060)
研究与开发 ·88·
组成部分。VANET 由搭载无线通信设备(on-board
unit,OBU)的车辆和路边基础设施(roadside unit,
RSU)构成,通过车间(vehicle to vehicle,V2V)
通信以及车辆与路边设施间(vehicle to infra-
structure,V2I)通信,高效地实现了事故预警、
辅助驾驶、道路交通信息查询以及 Internet 接入服
务等多种应用
[1]
。由于车辆的快速移动会使得由车
辆组成的网络拓扑频繁变化,造成较高的网络时延
和数据分组丢失率,因此车辆与 RSU 间的通信对
提升网络性能有更加重要的作用
[2]
。若某特定的道
路区域要达到全覆盖,则需要部署大量的 RSU,
然而部署、维护 RSU 需要高昂的成本,并且可以
部署的 RSU 的数量往往会受到一定的限制。在
RSU 数量受限的条件下,如何选择最优的位置来
部署 RSU、加强网络覆盖、提升网络服务质量,
成为一个重要的问题。
参考文献[3]提出了将 BEH(balloon expansion
heuristic)方法用于最优化部署数量受限的 RSU,
目标最小化事故消息的播报时间。参考文献[4]将
部署问题建模成整数线性规划问题,在 RSU 数量
受限的条件下,最大化网络吞吐量。上述文献的
研究主要考虑的是在高速公路上最优化部署
RSU,并不适用于拓扑结构复杂的城市道路。参
考文献[5]提出了基于真实车载移动数据的 RSU
部署算法,综合考虑部署位置的均匀性和中心性
以优化网络整体性能。参考文献[6]提出了基于车
流量的路边单元 RSU 部署方案,通过对路口的车
流量进行统计分析,在城市重要交通枢纽和交叉
路口部署 RSU,从而提高网络通信的效率。参考
文献[7]提出了基于路口权重的 RSU 部署方案,由
车辆密度、车辆速度、路口危险程度等因素计算
路口的权重值,并根据路口权重值最优化部署
RSU。参考文献[8]结合迪杰斯特拉算法和遗传算
法用于最优化部署 RSU 以降低网络时延。上述文
献的研究基本都以吞吐量或时延作为 RSU 部署方
案优劣的指标,并未考虑网络连接时长带来的影
响,VANET 多数应用要求通信连接具有一定的连
续性,连接时间长短会降低网络服务的质量,甚
至可能导致车辆与 RSU 无法建立通信连接。此外,
它们只考虑在路口部署 RSU,然而对于长路段、
危险区域、点区域并未考虑。基于上述研究的不
足,本文提出了基于连接时长的 RSU 部署方案,
该方案考虑在城市区域内的路口和路段上部署数
量受限的 RSU,在保证连接时长的前提下,期望
为更多的车辆提供网络服务。
2 RSU 部署模型
城市道路网络可以被表示为一张由顶点集 I
和边集 E 构成的无向图 G,G=(I,E)。每个顶点
I
i
(I
i
I)代表一个路口(这里的路口指的是一个连接
点,它可以是一个十字路口、一个道路枢纽,还
可以是一个环岛)。每条边 E
i
(E
i
E)代表一个物
理路段。假定 RSU 的通信半径为 r,对物理路段
E
i
以 2r 为长度进行划分,形成若干个逻辑路段 E
ij
,
其中 E
ij
E
i
,此时 E
i
={E
i1
,E
i2
,…,E
iu
},路段划分示
意如图 1 所示。其中 u 表示物理路段 E
i
能划分的
图 1 路段划分示意
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