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基于Geo—Gnutella P2P的交通流量系统

  摘要:车联网的特殊结构,使高速移动下的数据交换会在一定程度上导致比较网络存在低的联通性和比较高的丢包率。文章设计一个基于地理信息系统的Gnutella P2P网络(Geo-Gnutella)的系统管理交通信息,力图解决上述缺陷。在地理信息系统的基础上,将道路划分为由道路段组成的区域。路侧单元( RSU)负责的区域信息交换,多个路侧单元组成分布式交通信息系统,服务于交通大数据的采集以及车辆查询实时交通信息。通过测试分析基于地理信息的改进的Geo-Gnutella P2P车联网,具有较高的连接成功率及较低的丢包率。 

  关键词:智能交通系统;自组织车联网:Gnutella;交通流量系统
近年来,智能交通技术得到了初步的应用和发展。例如在道路安全方面,实时车道变化警告、电子制动警告等。交通预警的基础上,辅助计算机自动控制的情况下可以减少司機的错误判断,从而减少交通事故发生。AHS的实验中,智能交通疏导可以分散车流,总体降低交通堵塞的概率。车载Ad hoc网络(VANET)是智能交通系统(Intelligent TrafficSystem。ITS)的重要组成部分。汽车可以通过VANET进行信息交换。通过实时交通系统辅助对行车路径进行修正,车辆可以选择最优路线。
在Rybicki等[1]的论文中提出了一种车辆基于路侧单元的P2P网络的交通信息系统。也就是说,对等网覆盖的车辆可以为系统提供健壮性,基于路侧单元的通信可以提供良好的连通性。但是这种P2P系统没有考虑在高速移动的情况下,车辆的移动造成与基础设施之间的通信随机丢失,数据切换等问题。
1 系统架构设计
本文提出了一种基于地理信息的G nut ella的P2P架构(Geo-Gnutella),将这种改进的P2P技术应用于VANET。利用路侧单元组织采集基于路段区域的车辆构成的网络的交通信息,而路侧单元组成实时交通信息系统,通过互联网提供智能交通相关大数据服务。
对于非结构化P2P- GnutellaP2P模式进行改进与优化,可以适应车联网应用。应用层的P2P覆盖网络位于车联网的顶端,它依赖车联网进行信息传递。为了减少网络负载,我们可以减少P2P覆盖网络的维数。本文提出基于地理信息系统,将道路划分为“区域”,而“区域”由“路段”组成。在每个路段都通过自组织车联网形成P2P网络覆盖,从而减少网络规模,保持区域内相对稳定。
在结构中每个区域都有一个路侧单元(Road SideUnit,RSU),用来管理每个路段的交通信息。多个RSU接入互联网构成分布式信息查询系统。我们假设每个车辆都配备了GPS和4G接入设备。基于地理信息的Gnutella P2P覆盖网络在每一个路段选举超级节点,超级节点和基础设施的通信通过4G网络进行[2]。
综上,本文所述Geo- Gnutella的车联网整体架构如图l所示。
2 合作的交通信息系统
在基于VANET的交通信息系统中,基本的关注点是信息传递。信息传递依赖于车辆间的路由,但由于车辆行驶速度不同,网络拓扑结构不断变化。因此,很多方案被提出来解决上述这些问题,例如,基于地理调度和改进的邻居查找方案、轨迹转发等。
为了建立实时的交通信息系统,有文献提出构建基于车辆间的协同合作的车联网络。利用车辆间通信进行传播和查询交通信息。然而,要持续地数据传递需要网络上有足够数量的车辆。当车辆密度不足时,会导致车联网中断。即使我们假设有足够的车辆相互通信,当车辆密度增加,车联网又将被广播包填满,维持网络的系统带宽占用率变得非常高,造成严重的网络拥塞[3]。所以我们应该考虑控制网络的规模。
2.1 P2P覆盖的车载自组织网络
P2P覆盖网络可能提供了一种高效的车联网架构,在广域网络中具有自组织性、易扩展性和健壮性。由于P2P的这些特点,很多基于P2P的交通信息系统的应用被提出。
P2P覆盖可以分为非结构化的,如Gnutella,结构化如Chord。P2P系统在参与者之间分配资源。从目前的研究来看,P2P VANET有两种常见的基本架构。一个是无基础设施的P2P覆盖网络,另一个是基于基础设施的P2P覆盖网络。P2P覆盖可以采用非结构化或结构化的。当我们直接搭建一个没有基础设施的VANET的车辆P2P覆盖网络系统时,就像上面的讨论一样,P2P VANET系统将会受到网络容量低而连接受限、查找成功率低等困扰。
因此,有文献提出基于基础设施的P2P覆盖网络架构,在这种架构下通信的车辆连通性和延迟会有较大改善。但是文献中指出,由于通信只依赖于基础设施,当网络规模变大时,会导致低效率和高延迟。所以,在Rybicki论文中提出了“GraphTIS”解决方案来提高查找性能和负载分配。2.2有关车联网的网络类型
关于VANET中的网络类型,一些文献提出了一些在V2V和V21网络中通过WiFi进行车辆通信的方法。但用于VANET时可能会有以下不足:(1)当车辆高速移动时,WiFi连接不稳定,导致频繁掉线。(2) WiFi覆盖面积小,当被某建筑物遮挡时,信号衰减严重。所以为了达到满意的覆盖水平,需要大量的基础设施部署,设备和维护成本都太高。也有文献中,通过移动互联网接入的车辆通信,以及在此基础上建立P2P覆盖。如今,随着4G网络将会更普遍和价格更低,这种方法将更适合VANET,因为它可以提供更高的效率、带宽和更广的覆盖范围。
专用短距离通信(Dedicated Short RangeCommunications,DSRC)是专门为车载通信设计的中短距离无线通信通道。802.llp也称为车载环境中的无线接入(WAVE),它可以用于V2V和V21通信的高速移动,在此基础上建立标准的基础设施。在文献中,Nausheen通过仿真提出合并WAVE和移动通信网可以提供比较好的效果。WAVE具有低传输延迟,我们可以使用WAVE进行车辆间近距离通信,而移动通信网具有较宽的覆盖范围,适合V21通信等较长距离的通信。二者相辅相成,可以提高服务可用性,并在大多数情况下可以平滑地切换。
 2.3路段与区域
在VANET中,如果要准确获得实时的流量信息,P2P网络覆盖必须稳定,查找成功率更高,延迟更低。所以P2P网络规模应该减少,所有的VANET数量都是可控的。本文假定所有涉及ITS的车辆都配备了GPS导航设备,移动蜂窝上网模块(4G-LTE)和DSRC无线设备。
为了提高查找性能,道路分为几个区域,该区域由一些路段组成。在每个路段中,车辆通过DSRC形成一个独立的P2P网络作为P2P节点。路段规模的大小应该保证车辆能够直接通信,并确保车辆能够与负责区域的RSU通信,并且RSU的容量不会超载。 根据公式:g=kv
 
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