基于蚁群算法的自适应车路协作消息传输方法研究_刘明剑.pdf

2023年第3期【摘要】为解决车辆因高速运动在路侧单元（RSU）覆盖范围内通行时间较短导致下载数据量有限的问题，提出了一种基于蚁群算法的车路协作消息传输策略。依据RSU间能够进行车辆数据等信息共享的特性，设计了相应的启发式函数与对应路径信息素更新规则，形成多个车路协作通信组，在增加网络中数据传输量和种类的同时避免了陷入局部最优解。通过SUMO仿真平台进行验证，结果表明，相对于非协作、联盟博弈（CGS）方案与多级联盟划分（MHEMs）方案，所提出策略在信息传输量、路网收益和运行时间等方面结果均更优，证明了该策略的有效性。主题词：车载自组织网络路侧单元协作通信蚁群算法中继选择中图分类号：U495文献标识码：ADOI:10.19620/ki.1000-3703.20220440Research on Adaptive Vehicle Road Cooperation Message TransmissionMethod Based on Ant Colony AlgorithmLiu Mingjian1,2,Zhang Sijia1,2,Sun Hua1（1.Dalian Ocean University,Dalian 1160232;2.Key Laboratory of Environment Controlled Aquaculture,Ministry ofEducation,Dalian Ocean University,Dalian 116023）【Abstract】In order to effectively solve the problem of limited amount of downloaded data due to the short travel timeof vehicles in the coverage of Road Side Unit(RSU)during high-speed movement,this paper proposed a messagetransmission strategy of vehicle road cooperation mode based on ant colony algorithm.According to the characteristics thatinformation such as vehicle data can be shared between RSUs,the corresponding heuristic function and the correspondingpath pheromone update principle were designed to form multiple vehicle road cooperation communication groups,whichincreased the amount and types of data transmission in the network and avoid falling into the local optimal solution.SUMOsimulation platform was utilized for experimental verification.The results show that,compared with the non-cooperation,Coalition Formation Games(CGS)and Multilevel Hyper-graph Partitioning Based on Heavy Edge Matching Scheme(MHEMs),the proposed strategy is better than the above strategies in terms of information transmission volume,roadnetwork revenue and operating time,which proves the effectiveness of this strategy.Key words:VANET,Road Side Unit(RSU),Cooperative communication,Ant colonyalgorithm,Relay selection刘明剑1,2张思佳1,2孙华1（1.大连海洋大学，大连 116023；2.大连海洋大学，设施渔业教育部重点实验室，大连 116023）基于蚁群算法的自适应车路协作消息传输方法研究*汽车技术 Automobile Technology【引用格式】刘明剑,张思佳,孙华.基于蚁群算法的自适应车路协作消息传输方法研究J.汽车技术,2023(3):35-41.LIU M J,ZHANG S J,SUN H.Research on Adaptive Vehicle Road Cooperation Message Transmission Method Based onAnt Colony AlgorithmJ.Automobile Technology,2023(3):35-41.1前言车 载 自 组 织 网 络（Vehicular Ad-hoc Network，VANET）通过车辆与道路基础设施节点的相互通信，形成信息交互共享的自组织通信网络，但在车辆高速移动和网络拓扑结构快速变化等情况下，大文件传输以及高精内容精准分发效率过低1-2。目前，许多学者正在试图利用车载容迟网络（Vehicular Delay Tolerant Network，VDTN）解决这一问题。VDTN借助于智能交通基础设施路侧单元（Road Side Unit，RSU），在车辆相遇或车辆到达RSU覆盖区域时通过无线网络进行数据交换，使得RSU可以延伸车辆数据转发的覆盖范围，增加网络中数据传*基金项目：国家自然科学基金项目（61802046）；辽宁省教育厅科学研究经费项目（QL202015）；设施渔业教育部重点实验室开放课题项目（202209）。-35汽车技术刘明剑，等：基于蚁群算法的自适应车路协作消息传输方法研究播种类和传输量3，对于传输时延要求相对较低的VANET非行车安全类应用是一种高效的数据传输模式。基于VDTN模式实现车路协同，提升网络传输性能已经取得了一些研究成果：Gred4等人以节点之间欧几里得距离为输入，设计了基于贪婪算法的信息分发策略；Spray5等人提出了基于地理位置的多副本路由机制，选择位置最优车辆作为载体进行消息转发；Jalooli6等人设计了一种城市路网中路侧单元优化部署方法，能够提高信息传输效率，缩短信息传输延时；文献7、文献8采用基于货币交易的激励机制，鼓励节点间进行合作通信。在此基础上，文献9文献11基于博弈论，选择进行协作的路侧单元进行信息交互，最终达到纳什均衡状态，提高信息传输的效率；Li12等人设计基于车辆数据缓存机制的信息传输方法，路侧单元在覆盖范围内，将信息传输至特定车辆，其他车辆可以从指定车辆获取相关内容，降低路侧单元通信压力；杨月辉13基于图划分理论，提出了基于重边粗化的多级联盟划分（Multilevel Hyper-Graph Partitioning Based on HeavyEdge Matching Scheme，MHEMs）车路协作策略。上述方案均能提高车路协作条件下的信息传输效率，但存在如下问题：需要在车辆自组织网络中获得路网的全局拓扑结构；基于博弈理论，多RSU形成协作组考虑了协作组内利益而忽略某些个体RSU的利益；基于图划分理论的合作系统考虑网络整体利益，而忽略了协作组内部各RSU和车辆之间的协作关系。本文针对上述问题，提出基于蚁群算法的自适应车路协作消息传输方法，能够在快速变换的车辆拓扑结构中，拓宽车辆信息的传输范围，为VANET数据的高效传输提供支持。2车路协作消息传输问题建模2.1车路协同消息传输模式分析基于车路协作的消息传输的目的是通过车车和车路协作发掘VANET的潜在通信能力，提高整个网络中信息的传输效率。假设某个路网区域包含2个RSU节点，并且RSU之间可以进行协作，向其覆盖范围内的车辆发送不同类型的数据，如图1所示。RSU1向其覆盖范围内驶向RSU2的车辆发送数据c1，同时RSU2向其覆盖范围内驶向RSU1的车辆发送数据c2，当相向行驶车辆相互靠近至某一范围时，依靠V2V方式交换已经获得的不同的数据c1和c2。通过上述传输模式，车辆无需经过多个RSU便可以获取所需的多种类型数据，从而提高路网中单位时间内信息的传输数量和类型，有效解决车辆因高速运动在RSU覆盖范围内通行时间较短导致下载数据量有限的问题。虽然在图1所示的车路协作模式下可以有效提高信息传输效率，但是这种模式需要在多个RSU之间进行同步，并协调需要发送的数据类型，这一过程会增加因维持多个RSU进行协作所带来的成本（如维持一个特定信道来交换信息）。当网络中需要传输的信息量有限或者路网规模较小时，RSU间协作进行消息传输所花费的成本高于带来的收益，因此需要设计一种高效的车路协作通信方法，依据RSU间相向车流量形成多个车路通信协作组，在组内采用协作通信模式，组与组之间采用非协作模式，不仅能够有效发掘出潜在的车路协作通信能力，同时可控制多个RSU同步所带来的成本。2.2协作式车-路通信系统模型分析车路协作的信息传输模式可知，车路协作消息传输需要解决如下问题：如何在路网中合理选择RSU建立协作组内稳态的链接完成信息传输，从而提升VANET中合作信息分发的效率；如何将不同的数据类型和内容分发给能够相遇的车辆，从而拓展车辆的信息获取范围，最大化提升车路协作的效用。针对上述需求，建立协作式车-路通信系统模型。在城市道路网络中，设车辆节点集合为V：V=vi|1in,nN N（1）式中，vi为车辆节点集合V中第i个车辆的节点。路侧单元节点集合为R：R=ri|1im,mN N（2）式中，ri为路侧单元集合R中的第i个RSU节点。从集合V和R中选取参与者进行协作通信，在集合R中ri和rj（ij）进行协作的依据是RSU之间能够进行车-车通信共享信息的车对数，设RcopR为某一个进行协作的RSU节点集合，在Rcop中如果ri和rj之间存在直达道路，有效通信路程设为d，那么能够发生这种相对车-车通信共享信息的车对数为mij：mij=dmin(|vij|,|vji|)（3）式中，0,1为ri和rj之间每距离1 km其间相向行驶车辆能够进行V2V通信的比例；vij为某一时段所有从ri驶图1RSU间协作式通信RSU1：广播数据c1RSU2：广播数据c2交换数据c1和c2数据c1数据c2-362023年第3期向rj的车辆的节点集合，|vij|表示vij中车辆节点的数量。在协作组Rcop中，车辆节点vkvij在从ri驶向rj过程中，能够下载获得的平均数据量为pk,i，pk,i主要由2个部分组成：车辆节点vk在ri通信范围内下载获得的平均数据量pkV2I；车辆节点vk从ri驶向rj过程中，通过V2V通信进行信息交互获得的平均数据量pkV2V。pk,i的表达式为：pk,i=pkV2I,R()riR()rjpkV2V+pkV2I,其他情况（4）式中，pkV2I=dkIpunit(V2I)/vkI；dkI为车辆节点vk在ri覆盖范围内能够进行数据下载的有效距离；punit(V2I)为单位时间内车辆能够下载的平均数据量；vkI为车辆节点vk依据移动模型和车流量密度在ri覆盖范围内行驶的平均速度；pkV2V=mijdkijpunit(V2V)/vkij；dkij为车辆节点vk在ri与rj覆盖范围内能够进行数据下载的有效距离；punit(V2V)为单位时间内车辆在相遇过程中能够交换进行传输的平均数据量；vkij为车辆节点vk依据移动模型和车流量密度从ri驶向rj覆盖范围内行驶的平均速度；R(ri)为ri的通信范围。需要进行传输的数据