改善VANETs连接与一个完全特设活着的支柱

文摘

车辆的ad hoc网络(VANET)智能交通系统是一个新兴的概念,提高交通安全、可靠性、和管理。网络行为可以在拓扑方面是完全不同的,因为车辆节点的移动性。拓扑时可以完全连接车辆的流量很高,可能连通性较低或无效时,车辆的流量较低或不平衡的。在大城市,伦敦巴士,乘坐专用车道可以用来建立一个城市车辆数据网络(骨干),提高车辆之间的连接。因此,本文提出了实现移动支柱,生活完全特设(MOB-NET),这将提供基础设施和提高网络连接。为了显示MOB-NET的可行性,进行了统计分析与实际数据的表达公共汽车穿过专用车道,除了评估通过模拟和分析模型。统计、分析和仿真结果证明经过的公交车专用车道可以用来建立一个通信网络完全特设和提供连通性在99%以上的时间,除了提高交货率高达95%。

1。介绍

汽车是最常用的交通工具,数以百万计的世界各地的人们。由于广泛使用存在的必要性建立他们之间的沟通,提供安全的目标和娱乐居住者。一个解决方案能够提供这种沟通是建立一个车辆临时网络(VANET) [1]。

特设网络的特点是建在任何地方;然而,不需要固定基础设施的存在(通常通过接入点的存在或基站)(2]。VANETs可以描述为一个特定的特设网络,一般分化由于节点的移动性(车辆)较大,网络中节点的流通匮乏或不平衡和有限的高速公路或城市道路的方向1,3]。

在这些网络,有关通信的主要挑战是缺乏相关连接在车辆中间,可造成的稀缺或不平衡的交通4- - - - - -7]。如图1、稀缺的交通发生在车辆无法找到邻居沟通;与此同时,交通不平衡时道路的车辆不是均匀分布的。

VANETs,车辆之间的连接是至关重要的,显著影响数据包的转发和应用程序的性能。一些研究[8- - - - - -10)推荐的安装访问点(APs)边缘的道路上提供连接到附近的车辆。然而,基础设施的成本用于部署和维护这些网络是非常昂贵的7]。此外,静态基础设施是适应性和标量,需要日常维护和安全团队的人为了避免盗窃和破坏,主要集中在大城市。其他研究探索了宽容的临时连接网络延迟和断开连接,在交付的数据是没有保证的11,12]。

本文的目标是更加雄心勃勃。在大城市,伦敦巴士,乘坐专用车道可以用来建立一个城市车辆数据网络(骨干)。该通信网络具有随着集中居住建设移动支柱,完全特设,基于城市公共汽车(MOB-NET),为了提供基础设施和提高网络的连通性。MOB-NET的目的是提供连接在99%以上的时间,保证端到端消息传递最多样化的应用程序。

以便MOB-NET可以实现其目标和支持网络连接,第一次公交车的连接骨干必须得到验证。车辆的机动性和连通性研究通过统计分析应用于实际的数据移动寄存器库里蒂巴市城市交通的巴西,加上通过模拟和评价分析模型。结果证明使用交通网络由表达公共汽车可以提供连接和支持之间的消息交换在其附近的车辆。

剩下的纸是组织在以下方式:部分2介绍了移动生活支柱(MOB-NET)的特点,介绍了一些重要的概念。部分3提出了一种分析模型intervehicular距离。模拟MOB-NET通过车载移动发电机提出了部分4。部分5使用一个网络评估MOB-NET性能模拟器。结论和未来的发展方向提出了部分6。最后,附录一个给出了基于真实数据的实验研究移动寄存器的库里蒂巴市的城市交通。

2。生活完全移动骨干特设(MOB-NET)

MOB-NET是移动数据通信网络,生活完全特设,形成的表达城市库里蒂巴城市公共交通网络的公交车。MOB-NET功能是提供连接和支持广泛地区的车辆之间的消息交换。

2.1。城市公共交通网络

城市交通网络是一组连接的线路或车道,汽车运输乘客移动。在这些网络中,可能有几种公共汽车和道路。公交车是机密的运输能力和燃料。道路可分为最大速度限制,数量的车道,和方向的运动,通过独家新闻或共享13]。公共交通网络中的关键概念的概念公共汽车线路基本上,包括不同的公共汽车覆盖相同的轨迹(每一个有自己时间安排)。

目前的研究进行了从移动寄存器使用真实的数据库里提巴市的城市交通位于巴拉那河、巴西,并拥有超过二百万的居民。这85%的人口使用的运输网络,整合整个城市和14个大都会地区的直辖市。它的成功是鼓舞人心的世界各地的许多类似的公共交通系统介绍,例如,“畅通圣地亚哥”工程在圣地亚哥(智利)洛杉矶橙线(美国)等(13]。

库里提巴的公共交通网络拥有最多样化的公共汽车和道路,和表达专用道最突出。有185个表达公共汽车和81公里的专属双向道路,允许通过,本地化的中央走廊大途径和连接市区的主要社区(13]。

我们的起点是一个简单的intervehicular距离的统计分析模型,支持公共交通系统的一组真实的痕迹。这些痕迹包括完整的连续五个工作日安排,2014年2月,和相应的GPS跟踪所有车辆的位置在整个循环周期。公司提供的这些痕迹是城市化的城市库里提巴(市区,在葡萄牙语)。附录一个提供有用的附加信息。

网络连接是一个基本因素决定了数量和数量的车辆循环在某些环境中,循环的时间表,车道的车辆分布方式,和无线电频率范围的信号。评估属于MOB-NET总线的连接,进行实验,分析和模拟研究。实验和分析研究理解统计分析配备的车际距离,概率分布的特征,并分析模型。

最后,仿真研究与生殖相关的实验数据使用车辆的机动生成器软件和网络模拟器。

2.2。提出了数据通信网络

提出的数据通信网络在这个项目是由在不断运动的公交车快速通道的通过所有的扩展,通过这种方式被认为是活着的和独立的固定基础设施。这个网络,除了允许公交车之间的信息交换,是车辆之间的信息交换分离了许多公里。图2说明了网络拓扑。

数据通信网络可以建立考虑与否的运动方向的公交车。正如图所示3,当被认为是方向,沟通只发生在公共汽车,遵循相同的取向(只AB方向或BA方向);然而,方向是忽视时,通信发生独立运动的方向。

为了使数据通信网络可以用于连接遥远的汽车,公共汽车,组成必须保持尽可能多的时间有关。在VANETs,车辆通过无线电频率信号之间彼此交流。定义的规则这发生通信标准IEEE 802.11便士(14,15]。这样的标准确定的最大传输距离之间的节点,在没有障碍,是一千米。这种方式,所以MOB-NET的公交车保持联系,他们必须遵循这个标准并保持彼此间的距离缩短或等于1公里在所有循环时间和道路的延伸。

的intervehicular距离()被定义为距离,在某一公里,车辆(汽车)和最亲密的邻居。的连接度()的网络被定义为时间percentual intervehicular距离假定值小于或等于无线系统的传输半径(),它是正式定义的 在哪里表示一个事件的概率。

3所示。分析模型

基于GPS的痕迹,直方图得到intervehicular距离和测试几个概率分布从文学,例如,指数,γ,对数正态,威布尔等等。最大似然估计(标定)16)是用来选择分布参数。确定最合适的分布,拟合优度是通过皮尔逊卡方检验(17]。结果表明,威布尔分布不能拒绝,能够描述分析intervehicular距离。

威布尔分布给出的pdf 在哪里是连续的形状参数(和是连续的尺度参数()。给出了该分布的均值和方差 在哪里是伽玛函数。

作为一个例子,图4柱状图显示了一个代表和符合威布尔分布。这个柱状图考虑单个公共汽车线路,旅游在区域1(见附录一个),期间04 h 31分钟点至07 h 30分钟点。表1介绍了有关卡方检验的结果。

指数分布是最简单的,通常被认为是假设在文献[18]。这个假设未能预测行为intervehicular距离,因为它假定遵循泊松过程的距离,而在交通情况并非如此。

3.1。线叠加

在本节中,提出了一个分析模型intervehicular距离考虑公交线路的重叠或叠加。叠加时公交线路在同一车道同时运作。图5说明了这样的叠加。

要有一个随机过程,配备注册车际距离确定总线相关联,在那里。每个intervehicular距离是根据非负独立分布的概率分布。我们寻找intervehicular距离的分布的叠加的过程,也就是说,当公交线路在同一车道同时运作。

让是一个非负随机变量特征距离intervehicular叠加过程中(图5)。我们建议考虑¹ 然后,

考虑到参数的威布尔分布和,为每个单独的过程,可以发现

所有的分布是相同的,这是获得

这也是一个威布尔分布的尺度参数。此外,最后的过程的均值和方差和,分别。

基于这个结果,可以确定分析的行数必须获得一定的连接程度根据无线系统的传输半径:

例如上面的方程的适用性,如果,,它是发现,为公里。图6显示的行数必须获得一个连接度等于70%,90%,96%,和99%,与无线传输半径0.1公里1公里不等。

它可以在图6的行数增加,可以减少传输半径。与连接度70%,有必要对三行无线传输半径等于0.3公里。获得更大的连接程度是必要的一个更大的行数,大约10行达到99%相同的半径为0.3公里。提高半径1公里,有必要约一行到达连接度70%,三线99%。

4所示。模拟研究

模拟研究的目标在于创造模拟汽车运动的肖像现实中观察到的实验研究intervehicular MOB-NET距离和连通性。使用,车辆流动性生成器软件参数化信息获得真实数据。利用软件VanetMobiSim [191.1版本。

4.1。模拟环境

公共汽车的运动,经过和表达专用道遵循一定的模式,通过车道拓扑定义,循环时间表和行数。模拟了这项工作,环境,旨在反映的真实行为表达公共汽车了。出于这个原因,四个不同的时间间隔被认为是。在每个时间间隔相同数量的公共汽车每公里(密度)的定义,在真实的场景中有三行(参见附录一个),对每个公交车这是由于独家巷,他们可以移动。此外,最大和平均速度,红绿灯的数量和他们的停车时间从真实数据被抓获。表2总结了利用参数对模拟和数字7举例说明了一个公交车移动形成MOB-NET专属车道。

餐桌上2它可以观察到,作为一个例子,在第一级模拟了车道长度2公里,宽0.1公里,与3巴士/公里。在这个时期,公共汽车最高时速可以达到51公里/小时,受5红绿灯的停机时间20秒。重要的是要强调交通信号灯的停机时间较低,毕竟,行拥有一个系统同步的开启和关闭来减少公共汽车停车时间。

4.2。仿真结果

进行模拟评价作为基础intervehicular距离。所以,可以验证所有的评估的归一化直方图有相似的特征的实验研究(见附录一个)。

除此之外,intervehicular集中在一公里的距离。在最坏的情况下(图8)不到5%的intervehicular距离大于1公里。因此,很明显的可能性创造仿真环境,繁殖实验研究观察到的特征,使连接度保证MOB-NET的功能。

表3配备了均值和方差的车际距离和连接度,考虑的直方图。此外,皮尔逊卡方测试表明,威布尔分布不能拒绝所有的案例分析(时间表)。

5。评价MOB-NET使用网络模拟器

MOB-NET均通过模拟使用模拟器NS-2(网络模拟器)2.35版(20.]。为了演示它的效率,性能比较是不使用MOB-NET的场景。

5.1。模拟环境

网络仿真重点研究MOB-NET 3场景。在场景1,试图分析在MOB-NET只有公共汽车的性能。使用网络的模拟考虑矩形区域2公里××1公里1公里,4公里,具有相同数量的公共汽车每公里(密度)观察到在现实场景中有三行。场景1的模拟,每个总线传输射频信号在一个半径1公里,归结为每个这些公共汽车独家巷可以移动,代表MOB-NET的拓扑。

在场景2中,使用网络的模拟考虑矩形区域2公里×1公里,4公里×0.5公里10、20、30、40、50、60车辆分布在整个模拟的地方。在这个场景中,每一个车辆传输射频信号在500米半径。

在场景3中,使用网络的模拟也矩形区域2公里×1公里,4公里×0.5公里,但只有10车辆分布在整个模拟的地方。在这个新的场景,每辆车传输射频信号在300米,500米,750米,半径1公里。在场景2和3,模拟是用没有MOB-NET,密度相同的观察到在现实场景中有三行。

除此之外,在所有情况下,车辆打乱VanetMobSim运动模型建立后,速度,直到54公里/小时。

的双线地面传播损耗模型被认为是(21),而MAC层遵循IEEE 802.11便士标准(14,22]。交通模式由连接(UDP)以一个恒定比特率(CBR)在5双节点随机选择。模拟是由平均600秒和呈现结果考虑35模拟相同的交通模型,但由于不同的移动模式。对于这些模拟建立了置信区间为95%。仿真参数总结在表4。

5.2。指标

MOB-NET是评估使用作为基础以下指标:(我)数据包交付率:这是数据包送到目的地的比例与发送的数据包的数量。(2)吞吐量:它表示两个节点之间传输的数据量在时间间隔上保持联系。

5.3。仿真结果

图9显示了结果的交付率总线构成的MOB-NET场景1。在这个场景中,MOB-NET公交车只有互相沟通。没有沟通与其他类型的车辆。它可以观察到,在这两种情况下,数据包交付率大于89%。

数据10和11目前的结果包交付率和吞吐量和网络场景中车辆的数量2。这样的结果比较交付率和吞吐量的网络使用MOB-NET和网络不使用它。在这个场景中,可以观察到不同的维度,网络,其目的是获取路线有不同的大小。在更长的网络,因为它是4公里×0.5公里的情况下,可以找到路线有啤酒花出发地和目的地之间的关系2公里×1公里。

可以注意到,在图10交付率上升,增加车辆的网络没有MOB-NET MOB-NET和。然而,随着MOB-NET可以获得更好的结果独立于网络中车辆的数量,和更大的相关性的情况下有直到30辆,事实证明它的重要性在较低的网络连通性。

它是观察图11吞吐量也增加汽车的数量的增加和没有MOB-NET。然而,正如所料,在这种情况下,MOB-NET被认为是,更好的结果,除了网络中车辆的数量。

数据12和13目前的结果交付率和吞吐量和传输半径场景3的无线系统。认为,交付加息与传输半径的增加在这两种情况下(有或没有MOB-NET)。然而,环境,使用MOB-NET给出更好的结果。在图124公里长度网络与10辆300米半径可以观察到,配置的环境相当缺乏连通性。MOB-NET仍然能够提供基础设施和提高交货率超过95%。

图13描绘了吞吐量,也增加与传输半径的增加或没有MOB-NET。但是,在这种情况下,MOB-NET被认为是更好的结果,独立于传输半径的无线系统。

6。结论

本文提出MOB-NET,移动数据通信网络生活,完全特设,由表达公共汽车库里提巴的城市公共交通系统,它的功能是提供连接和支持在广泛地区车辆之间的消息交换。为了显示MOB-NET的可行性与连接度,与真实的数据统计分析,除了通过模拟和分析评估模型。

统计分析是考虑与否的位移方向的公交车。当考虑的方向,三个或三个以上线穿越车道,连接度高于95%。方向被忽视时,连接程度更大,达到值大于99%。

此外,曲线拟合完成,其目的是找到的概率密度函数更好的代表intervehicular距离。结果表明,威布尔分布不能拒绝,能够描述分析intervehicular距离。

intervehicular距离建立一个分析模型考虑了公交线路叠加也是一个研究主题。采用这种模型,可以分析确定必要的行数来获得特定的连接程度根据无线系统的传输半径。提到模型暗示,例如,三行是必要时获得99%的连接度传播半径约1公里。

仿真结果表明可能创建仿真环境,繁殖特征观察在实验和分析研究中,需要保持连接度对系统的正常运行。与此同时,网络模拟表明,MOB-NET可以提供基础设施,提高交货率高达95%。

最后,本文证实了通过与实际数据的统计分析,通过模拟和分析评估模型,可以创建一个移动支柱,生活完全特设,为了提供基础设施和网络的连通性。因此,巴士驾驶通过专用车道,库里提巴市的,可用于互连车辆分离数十公里。此外,呈现的结果通过分布拟合和分析模型可以应用在其他场景涉及到公共汽车和快速通道。

未来的工作包括路由协议的发展目标的最大化的连通性与MOB-NET共同行动。

附录

答:实际数据跟踪分析

库里提巴市的城市化的公司(市区)提供了所有公共汽车的地理坐标信息,独立并定期更新一段两分钟。据库里提巴的城市交通模型,线路的公共汽车被分组,总是在一个预先制定的车道。获取真实数据的特征为了使intervehicular距离,两个代表区域从一个快车道两公里的扩展(Marechal Floriano Peixoto大道)。第一个区域(区域1)对应一个中部地区,和第二区域(区域2)对应于一个外围区域(地区)。

观察了2014年2月连续5个工作日。这些信息是整个循环期间,从05年h 30分钟直到11小时59分钟点。数据收集计划分为四类:从05年h 30分钟我直到08年h 30分钟,从08年h 31分钟直到下午04 h 30分钟,从04 h 31分钟直到下午7 h 30分钟,下午从07年h 31分钟点直到11小时59分钟点;毕竟,根据类,都有一个特定数量的公共汽车,在选定的车道线旅游。是注意到的表征intervehicular距离可以评估根据位移的方向,行数和循环时间表。

. 1。实验研究

达到intervehicular距离的特征的时空分析的实际运动的公交车。时序分析是在给定的时间,的空间位移,计算总线可以发生。空间位移与职位相关的公共汽车、基于地理坐标系统(纬度、经度和海拔),即时。

地理坐标的公交车中观察到的时间间隔,它们之间的距离可以计算几个预先制定瞬间的时间。所以,获得两个公交车的地理坐标和在纬度和经度,在世界各地半径,在时间间隔),就可以计算出距离他们之间的瞬间的时间通过以下公式(23]:

地理坐标信息,观测时间间隔更新,以一个独立的方式对每个总线;因此,误判的距离可能发生。因此,如果一个总线的地理坐标即时发送的时间和邻居瞬间的时间,一个位移期间可能发生的时间间隔,必须在intervehicular距离预测计算。在接下来的一组结果将和分析。

由信用证。分析有关的运动方向的公交车

数据14,15,16,17现在距离intervehicular作为区域2的归一化直方图。考虑给出的数据是一,三,五,七巷的旅游公交线路在同一方向,04 h之间31分钟点到07 h 30分钟点。

它可以注意到,在归一化直方图,随着旅游的行数,intervehicular距离降低。与一个单一的线(图14),很大一部分公交车的距离超过一公里(约28%)可以看到。直方图与三、五、七线(数字15,16,17),下降超过一公里的距离可以逐渐注意到,与7行大约5%。在所有情况下,最好的理论概率密度曲线特征的行为intervehicular距离。

intervehicular距离的均值和方差和连通程度展示在表5。可以验证从三行旅行巷,平均距离不超过500米,连接度超过91%。旅行在车道的行数的增长,平均距离缩短,和公共汽车之间的连接程度MOB-NET上升,如预期。

出具。分析无视公共汽车的运动的方向

数据18,19,20.,21现在距离intervehicular作为区域2的归一化直方图。提供的数据是,一,三,五,七线在两个方向的车道,旅行的时间间隔04 h 31分钟点至07 h 30分钟点。

值得注意的是,在归一化直方图,随着旅游的行数,intervehicular距离减少。与一个单一的线(图18),它可以注意到大约17%的距离大于1公里。直方图与三、五、七线(数字19,20.,21);可分级的减少在超过一公里的距离可以注意到,与7行大约1%。

intervehicular距离的均值和方差和连通程度展示在表6。在这种情况下,指标更好的是,有三个或更多的线,公交车之间的平均距离不超过300米,连接度超过98%,达到99.33%,7线。

最重要的是,它还注意到,意味着intervehicular距离减少忽视的方向运动时,如预期。

各。分布拟合

为了找到最好的概率密度函数特征intervehicular距离,一个分布拟合,与真正的获取的数据。最大似然估计(标定)16)是用于选出最正确的参数。

拥有配备收集数据的车际距离,假设评估是通过皮尔逊卡方检验(17]。出于这个原因,intervehicular的归一化直方图距离测试数概率分布从文学,例如,指数,γ,对数正态,威布尔等等。结果表明,威布尔分布不能拒绝了(在1%的显著性水平)的情况下,分析能够描述分析intervehicular距离。表7和8显示的值,和值的归一化直方图考虑到威布尔分布。

本。自相关

图22礼物intervehicular的自相关距离测量从一个单一的线(第550行公司库里提巴市的城市化)在04 h的安排31分钟点至07 h 30分钟点。被称为图的分析,可以验证没有时间依赖性,因为自相关不存在有意义的值相对于颞位移。

要求寄出。QQ-Plot分析

在本节中,是由目标QQ-Plot图表分析来验证拟议的intervehicular距离分布的分析模型(部分3所示。1)。QQ-Plot(图)是一个图表的样本分位数与预期的分位数给定概率分布的假设下(24]。

我们模拟的叠加公交线路考虑到每个流程遵循威布尔分布和(数据23日(一)和23日(b)),公交线路与和(数据23日(c)和23日(d))。方程(7)对应于预期的分布。我们注意到我们的方法提出了很好的协议。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

尾注

1. 根据考克斯(25)的密度的叠加独立同分布在平衡更新过程 在哪里是每个组件的幸存者功能的过程。不幸的是,当每个流程遵循一个威布尔分布,结果在一个不完整的γ函数的积分,这使得很难获得驯良的代数表达式。然而,我们显示在附录中,通过计算机仿真,我们的方法提出了很好的协议。

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