Kümedeki araç ağı ve röle seçim yöntemi için bir kümeleme yöntemi
Özet: Araçların İnternetinin düşük gecikmeli ve yüksek güvenilirlikli iletişim gereksinimlerine yanıt olarak, iletişim süresini etkin bir şekilde artırmak ve iletişim güvenilirliğini geliştirmek için küme kararlılığına dayalı bir araç kümeleme yöntemi önerilmiştir. Bu temelde, güç sınırlandırması altındaki Araçların İnterneti kümesinde veri dağıtımı için röle seçimi sorunu incelenmiştir ve güç ön tahsisine dayalı bir röle seçim yöntemi önerilmiştir. Bu yöntem, kümedeki araç işbirliği için HDAF yönlendirme protokolünü kullanır Röle seçiminden önce, kaynak düğüm ve potansiyel röle düğümüne güç atanır ve en küçük sistem kesintisi olasılığına sahip güç tahsis faktörü hesaplanır ve ardından her düğümün güç optimizasyon faktörü karşılaştırılır. Eşdeğer kanal kazancı, optimum röle düğümleri setini seçin. Sayısal sonuçlar, küme kararlılığına dayalı araç kümeleme yönteminin, coğrafi konum tabanlı kümeleme yöntemine göre daha yüksek kararlılığa sahip olduğunu göstermektedir. Aynı zamanda, önerilen röle seçim yöntemi, geleneksel tek röle seçim şemasına ve aynı koşullar altında tam röle seçim şemasına göre daha düşük bir kesinti olasılığına sahiptir.
TN929.5
Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.172131
Çince alıntı biçimi: Ma Desen, Shen Zhengyuan, Jin Xiaoqing ve diğerleri.Araba ağı için bir kümeleme yöntemi ve bir küme içinde bir röle seçim yöntemi. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (3): 94-98.
İngilizce alıntı biçimi: Ma Desen, Shen Zhengyuan, Jin Xiaoqing, ve diğerleri.VANET'te bir kümeleme yöntemi ve röle seçim yöntemi. Application of Electronic Technique, 2018, 44 (3): 94-98.
0 Önsöz
Araç Ad Hoc Ağları (VANET), kendi kendini organize eden kablosuz iletişim yoluyla WAVE (Araç Ortamlarında Kablosuz Erişim, WAVE) içinde iletişim ekipmanı, araçlar ve yol kenarı altyapısından oluşan dinamik bir ağdır. Akıllı Ulaşım Sisteminin (ITS) önemli bir parçası olan VANET, trafik güvenliği erken uyarısı, şehir içi trafik izleme ve araç içi eğlencede önemli bir rol oynar.
Araçtan araca (Araçtan Araca, V2V) iletişim mesafesi sınırlıdır ve araç hızı nispeten hızlıdır, bu da ağ topolojisinin hızla değişmesine neden olur, ancak araç yalnızca mevcut yolda gidebilir ve hareket durumu belirli kısıtlamalara sahiptir. Bu özellikler göz önüne alındığında, araçlar için bir kümeleme stratejisi benimsemek, araç iletişim süresini artırmak ve iletişim başarı oranını artırmak için önemli bir yöntemdir. Literatür, küme başı olarak otobüslerle bir araç ağı yönlendirme yöntemi önermektedir Bu yöntem, otobüslerin özelliğinden tam olarak yararlanır ve iyi bir teslimat performansına sahiptir.Dezavantaj, otobüslerin olmadığı yol bölümlerinde bir küme yapısı oluşturmanın zor olmasıdır. Literatür, hareket tutarlılığına dayalı bir araç kümeleme yöntemi önermektedir Bu yöntem, aracın göreceli hızını ve mevcut yoldaki tahmini seyahat mesafesini hesaba katmaktadır.Karmaşıklık düşüktür ve aracın iletişim süresi etkin bir şekilde uzatılmıştır.
Araçların yolda kümelenmesi, araç iletişiminin başarı oranını bir ölçüde arttırır, ancak araçların hızlı hareket etmesi kanal istikrarsızlığına ve sık ağ bağlantı kesintilerine neden olmakta, bu da araçlar arasındaki iletişim kalitesinin gereksinimleri karşılamasını zorlaştırmaktadır. KHLASS A ve arkadaşları, araç ile yol kenarı ünitesi (Rode Side Unit, RSU) arasındaki kanal bozulduğunda, rölenin iletişim kalitesini iyileştirmek için kullanılabileceğini ancak kesinti performansını özel olarak analiz etmediğini belirtti. Literatür, işbirlikli röle sisteminde kullanılan Yükseltme ve İleri (AF) ve Kod Çözme ve İletme (DF) şemalarının performansını inceler.AF şeması, yüksek sinyal-gürültü oranı durumunda DF şeması kadar iyi değildir. Sonuncusu, rölede iletilen sinyalin temiz bir versiyonunu ürettiğinden, ancak düşük bir sinyal-gürültü oranı ortamında, rölede kod çözme hatası hata yayılmasına neden olursa, hedef düğüm yanlış bilgiyi alacaktır. Son yıllarda hem AF hem de DF'nin avantajlarını dikkate alan hibrit kod çözme yöntemi yönlendirme protokolü (Hybrid Decode Amplify Forward, HDAF) bir araştırma noktası haline geldi. Literatür, kesinti olasılığını en aza indirirken toplam enerji tüketimini azaltmak için çok kaynaklı ve çok röleli akıllı ulaşım sisteminde HDAF protokolünü kullanan bir araç güç dağıtım yöntemi önermektedir. Literatür, AF ağında düşük karmaşıklıkta bir PPRS (Ön Güç tahsisi ve Röle Seçimi) röle seçim yöntemi önermektedir, ancak bu yalnızca geleneksel iletişim ağının AF protokolünü benimsediği durumla sınırlıdır ve HDAF yöntemini ve uygulamasını dikkate almaz. VANET'teki durum.
Literatür ve literatüre dayalı olarak, bu makale küme kararlılığına dayalı bir kümeleme yöntemi önermektedir. Bu yöntem, tercihen otobüsleri küme başı olarak seçer ve otobüsten arınmış alanda küme başı olarak en küçük küme kafa faktörüne sahip aracı seçer, bu sadece şehir ortamında otobüslerin özel avantajlarından tam olarak yararlanmakla kalmaz, aynı zamanda küme yapısının istikrarını da sağlar. Bu temelde, kümedeki araçların işbirliği için, literatüre dayalı olarak, işbirlikçi araba ağları için bir güç ön tahsis röle aracı seçim yöntemi önerilmektedir. Bu yöntem, HDAF yönlendirme protokolünü benimser ve daha düşük bir kesinti olasılığına ve daha düşük bir karmaşıklığa sahip olan röle seçiminden önce kaynak aracın ve potansiyel röle aracının güç tahsis faktörünü hesaplar.
1 Küme kararlılığına dayalı kümeleme yöntemi
1.1 Sistem modeli
Araç kümelemesi ve küme içi işbirlikçi iletişimin şematik diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir. Her aracın bir uydu konumlandırma cihazı ile donatıldığını varsayarsak, gerçek zamanlı olarak konum, hız ve yön bilgilerini belirleyebilir. Sürücüler navigasyon haritalarını kullanır ve araçlar sürüş rotalarını ve varış noktalarını öğrenebilir. Araç, çevresindeki araçlarla bilgi alışverişinde bulunarak komşu araçlara olan mesafeyi hesaplayabilir. Mevcut yol segmentinde ui, i = 1, ... N ile gösterilen toplam N araç var. N araç, Sk, k = 1, ..., M ile gösterilen MN kümelerine bölünebilir. Kümedeki araçlar uk ile temsil edilir, j, j = 1, ..., wk, wk kümedeki araçların sayısıdır.
Aracın mevcut hızı v, aracın mevcut konumu, geçerli yoldaki tahmini seyahat mesafesi S ve yakındaki küme başlarından d mesafesi dahil olmak üzere araç bilgilerini Vinf tanımlayın. Araç kümeleme faktörünü tanımlayın k, i:
1.2 Kümeleme yöntemi
Araç kümeleme yöntemi, küme oluşturma süreci ve küme bakım süreci olmak üzere iki sürece ayrılmıştır. Bunların arasında, küme bakım süreci, halihazırda kümede bulunan araçların işlenmesini ve kümenin dışında kümeye giren araçların işlenmesini içerir.
İlk aşamada, yoldaki araçların tümü izole düğümlerdir.Bu izole edilmiş araçlar, konum, hız ve yön gibi bilgiler dahil olmak üzere navigasyon uyduları vb. Aracılığıyla kendi araç bilgilerini alır. Belirli bir aralıktaki N arabayı rastgele M kümelerine, yani Sk, k1, ..., M'ye bölün. Kümedeki araç sayısı hafta olur ve ardından küme başı seçimi gerçekleştirilir. Spesifik işlem şudur: kümede veri yolu yoksa, küme başı olarak en küçük küme kafa faktörüne sahip araç seçilir; kümede yalnızca bir veri yolu varsa, veri yolu küme başı olarak seçilir ; Kümede birden fazla veri yolu varsa, en küçük küme kafa faktörüne sahip veri yolu, küme kafası olarak seçilir.
Araç kümesi oluşturulduğunda, her kümenin ortalama küme hızı hesaplanır ve küme üyesi araç hızı vkj ile karşılaştırılır Küme içerisindeki aracın hızı, kümenin ortalama hızından çok fazla farklıysa araç kümeden çıkarılır. Küme dışındaki araçlar için, küme başı aracı periyodik olarak küme başı bilgisini yayınlar ve herhangi bir kümeye katılmayan çevredeki araçlar kendi araç bilgilerini Vinf rapor eder, kümeleme faktörlerini hesaplar ve sonuç bu kümenin th kümeleme eşiğini karşılarsa, araçların buna katılmasına izin verilir. Küme, aksi takdirde kendi kendine bir küme olur.
Küme stabilitesine dayalı yukarıda bahsedilen araç kümeleme yöntemi, VANET'teki araç iletişiminin güvenilirliğini artırmak için kullanılır. Bu yöntem tercihli olarak otobüsleri küme başlıkları olarak kullanır.Belirli bir aralıkta, otobüs yoksa, küme başı olarak en küçük küme kafa faktörüne sahip araç seçilir; aracın sürüş sürecindeki anahtar faktörler d, v ve s iyi değerlendirilir. Kümenin yapısını nispeten kararlı hale getirin ve aynı zamanda daha az karmaşıklığa sahip olun.
2 Bir küme içinde işbirliğine dayalı veri dağıtımı
2.1 İşbirliği süreci
Şekil 1'de gösterilen sistemde, bir kaynak araç Si, bir hedef araç D ve n röle aracı Ri (i = 1, ..., n) vardır. Bunlar arasında, kaynak aracın ve aktarma aracının iletim gücü sırasıyla Ps ve Pi'dir ve işbirlikli iletime katılan röle araçları kümesi G = {1,2, ..., g} 'dir. Araçlar arasındaki kanallar istatistiksel olarak bağımsızdır ve frekansın azalmasına uyar Araç iletişimi yarı çift yönlü olarak çalışır. İşbirliği süreci iki adıma bölünmüştür: İlk adım, kaynak aracın mesajı yayınlaması ve aktarıcı aracın ve hedef aracın aynı anda mesajı alması; ikinci adım, aktarma aracının bilgiyi iletmesi ve hedef aracın bilgiyi almasıdır.
2.2 Kesinti olasılığı analizi
Olası aktarma araçlarının tümü, işbirliğine dayalı yönlendirme için HDAF çözümünü kullanıyorsa. N aktarma aracı olduğu varsayıldığında, kaynak araçtan hedef araca bağlantı kapasitesi karşılıklı bilgi miktarı olarak ifade edilebilir:
2.3 Güç optimizasyonu
Toplam güç sabittir, sistemin toplam kesinti olasılığını en aza indirmek için kaynak aracın ve röle aracının en iyi güç tahsis faktörünü bulmaya çalışın. Kısıt modeli aşağıdaki gibidir:
İletişim ortamı belirlendikten sonra, yukarıdaki formülün birkaç sonucu, optimizasyon sonuçları üzerinde hiçbir etkisi olmayan ve göz ardı edilebilecek sabitlerdir. Bu nedenle, Lagrangian maliyet fonksiyonu şu şekilde tanımlanabilir:
2.4 Röle seçim algoritması
3 Sayısal simülasyon ve analiz
Bu bölüm, kümedeki veri dağıtımı sırasında daha önce bahsedilen araç kümeleme yöntemini ve röle seçim yöntemini simüle eder.Aşağıdaki sonuçlar, 1.000 rastgele çalıştırmadan sonraki ortalama sonuçlardır. Simülasyonda ele alınan senaryolar şu şekildedir: Karayolu taşıt sayısı 100, araç hızı 0-30 m / sn, araç iletişim aralığı 150 m ve simülasyon süresi 50 sn.
Şekil 2, zaman içinde kümede kalan araçların yüzdesini göstermektedir. Bu makalede önerilen kümeleme yönteminin coğrafi konuma dayalı kümeleme yöntemine göre daha yavaş azaldığı ve 15 sn sonra her zaman ikincisinden daha yüksek olduğu ve daha kararlı bir küme ile yaklaşık% 50'de kaldığı şekilden görülebilmektedir. yapı.
Şekil 3, bu yazıda kullanılan yöntemi kullanarak farklı aktarma araçlarının kesinti olasılığını karşılaştırmaktadır. Formül (12), yüksek sinyal-gürültü oranı koşulu altında türetildiği için, düşük sinyal-gürültü oranı koşulu altında kesinti olasılığı 1'den büyük olacaktır. Şekilden anlaşılacağı gibi, sinyal-gürültü oranı 16 dB'den düşük olduğunda, sistem kesintisi olasılığını en aza indirmek için iki röle aracı işbirliğine katılabilir; sinyal-gürültü oranı 16 dB'den büyük ve 23,2 dB'den az olduğunda, üç röle aracı işbirliği yapmak için işbirliği yapabilir. Sistem kesintisi olasılığı en küçüktür; sinyal-gürültü oranı 23,2 dB'den büyük olduğunda, 4 röle aracının işbirliğine katılması sistem kesintisi olasılığını en aza indirebilir.
Şekil 4 ve Şekil 5, araç ağı kümeleme sistemindeki kümedeki araç verilerinin dağıtımı sırasında HDAF protokolü güç ön tahsis röle araç seçim yönteminin ve diğer röle yöntemlerinin kesinti olasılığını analiz eder. Burada röle sayısı 3'e ayarlanmıştır ve bilgi hızı R 0,5 bit / s'dir.Şekil 4, AF protokolü ve HDAF kullanılarak güç ön tahsis rölesi seçiminin kesinti olasılığı performansını karşılaştırır; Şekil 5, SAF röle seçim yöntemini analiz eder, AAF röle seçim yöntemi ile bu yöntemin kesinti olasılığı arasındaki performans karşılaştırması.
Şekil 4'ten, HDAF protokolünü kullanan güç ön tahsis yönteminin, sinyal-gürültü oranı 13 dB'ye eşit olduğunda AF protokolünü kullanan güç ön tahsis yöntemi ile aynı kesinti oranına sahip olduğu görülebilir Sinyal-gürültü oranı arttıkça HDAF protokolü kullanılır. Yöntemin kesinti olasılığı her zaman ikinciden daha küçüktür. Şekil 5'ten görülebileceği gibi, bu yazıda HDAF protokolü kullanılarak önerilen güç ön tahsis rölesi seçim yönteminin geleneksel SAF röle seçim yönteminden her zaman daha küçük bir kesinti olasılığına sahip olduğu ve sinyal-gürültü oranının 13 dB'den daha yüksek olduğu görülmektedir. Ayrıca AAF şemasından daha küçüktür ve yüksek sinyal-gürültü oranı koşulu altında en iyi kesinti performansı ile yukarıda türetilen şemaya uygundur.
4. Sonuç
Araçların İnterneti sistemindeki ağ topolojisindeki hızlı değişikliklerin neden olduğu araç iletişiminin kararsızlığı sorununu hedefleyen bu makale, kentsel toplu taşımanın avantajlarından tam olarak yararlanan ve küme yapısının kararlılığını etkin bir şekilde artıran, küme kararlılığına dayalı bir araç kümeleme algoritması önermektedir. Kümedeki araçların işbirliğine dayalı veri dağıtımını amaçlayarak, HDAF protokolü güç ön tahsisini kullanan bir röle aracı seçim yöntemi önerilmiştir. Simülasyon sonuçları, küme stabilitesine dayalı araç kümeleme yönteminin coğrafi konum tabanlı kümeleme yöntemine göre daha kararlı bir küme yapısına sahip olduğunu göstermektedir; yüksek sinyal-gürültü oranı koşulu altında önerilen röle seçim yönteminin kesinti olasılığı her zaman AF protokolünün güç tahmininden daha düşüktür. Tahsis yöntemi ve SAF, AAF algoritması.
Referanslar
LEE K C, LEE U, GERLA M. Araç Ad Hoc ağlarında yönlendirme protokollerinin incelenmesi Araç Ad-Hoc Ağlarında Gelişmeler: Gelişmeler ve Zorluklar, 2010: 149-170.
Gong Heng, Lin Tao, Hou Changjun, ve diğerleri.VANET'te çok sekmeli yayın programlarının araştırma ilerlemesi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (12): 10-15.
Peng Jun, Ma Dong, Liu Kaiyang ve diğerleri LTE D2D teknolojisine dayalı araç ağının iletişim mimarisi ve veri dağıtım stratejisi üzerine araştırma. Journal of Communications, 2016, 37 (7): 62-70.
UCAR S, ERGEN SC, OZKASAPO O. VANET güvenlik mesajı yayımı için çoklu-küme tabanlı IEEE 802.11p ve LTE Hibrit mimarisi.IEEE İşlemleri Araç Teknolojisi, 2016, 65 (4): 1.
Song Jun, Yang Luxia, Sun Jianle ve diğerleri.Şehir içi yol ortamında araca monte geçici ağın küme yönlendirme mekanizması.Congqing Jiaotong Üniversitesi Dergisi: Natural Science Edition, 2013, 32 (1): 108-111.
KHLASS A, GHAMRI-DOUDANE Y, GACANIN H.Araç ağlarında ağ bağlanabilirliğini ve kapasiteyi iyileştirmek için işbirliğine dayalı aktarma ve analog ağ kodlamasının birleştirilmesi Küresel Telekomünikasyon Konferansı, IEEE, 2013: 1-5.
KIM T, NG T, POOR H V. Kaynak vericide gürültülü CSI ile AF ve DF aktarımının çeşitlilik kazanımı üzerine IEEE İşlemleri Bilgi Teorisi, 2009, 55 (11): 5064-5073.
XIAO H L, HU Y, YAN K, ve diğerleri.Çok kaynaklı çok kademeli işbirlikçi araç ağları için güç tahsisi ve röle seçimi.
Sun Liyue, Zhao Xiaohui, Guo Ming Kesinti olasılığına dayalı kooperatif iletişim rölesi seçimi ve güç tahsis algoritması Journal of Communications, 2013 (10): 84-91.
Mohammed Mosen, Xu Kaikai, Xia Weiwei ve diğerleri Çöl Sahnelerinde Uygulanan Araçların İnterneti ve Kümeleme Yönlendirme Algoritmaları. Journal of Communications, 2012 (10): 166-174.
Xiao Hailin, Wang Liyuan, Yan Kun, vb. Optimum röle seçimine dayalı HDAF algoritması Sistem Mühendisliği ve Elektronik Teknolojisi, 2015, 37 (2): 400-405.
ZLATANOV N, HADZI-VELKOV Z, KARAGIANNIDIS G K, et al.Mobil düğümlerle işbirliği çeşitliliği: Kapasite kesinti oranı ve süresi Bilgi Teorisi IEEE İşlemleri, 2011, 57 (10): 6555-6568.
LANEMAN J N, WORNELL G W. Kablosuz ağlarda işbirlikçi çeşitliliğin kullanılması için dağıtılmış uzay-zaman kodlu protokoller IEEE İşlemleri Bilgi Teorisi, 2003, 49 (10): 2415-2425.
POURSAJADI S, MADANI M H.STBC AF işbirliği ağları için artımlı röle seçiminin kesinti performans analizi. Wireless Personal Communications, 2015, 83 (3): 2317-2331.
yazar bilgileri:
Ma Desen, Shen Zhengyuan, Jin Xiaoqing, Zhang Yubing, Ren Chanchan
(Bilgi ve İletişim Okulu, Guilin Elektronik Teknolojisi Üniversitesi, Guilin 541004, Guangxi)
