多協(xié)作機(jī)制下的車(chē)載通信網(wǎng)絡(luò)帶寬分配優(yōu)化的研究.pdf

1、在過(guò)去的十年里，隨著 IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)和IEEE1609標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，一些智能交通系統(tǒng)的傳輸結(jié)構(gòu)正在發(fā)生改變。一種新型的網(wǎng)絡(luò)--車(chē)輛自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）也應(yīng)運(yùn)而生。VANET是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）的一個(gè)重要特例。VANET的出現(xiàn)及其重要性已經(jīng)吸引了一些汽車(chē)制造商、學(xué)術(shù)研究者和各國(guó)政府的關(guān)注。這種網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的架構(gòu)、特性、應(yīng)用和挑戰(zhàn)與 MANET不同。在VANETs中，數(shù)據(jù)流被限制在公路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和確定的方向中。
　　

2、隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再適用。ITS提供的多種應(yīng)用可以減少交通事故，同時(shí)提高交通系統(tǒng)的可靠性和效率。特別地，專(zhuān)用短距離通信(DSRC)技術(shù)和車(chē)輛環(huán)境中的無(wú)線訪問(wèn)(WAVE)技術(shù)的應(yīng)用使得駕駛環(huán)境更加安全、舒適?，F(xiàn)今，幾大組織都在研究 ITS架構(gòu)，包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）、電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì)（IEEE）和車(chē)對(duì)車(chē)通信聯(lián)盟（C2CCC）。
　　一般情況下，VANET通信分為三類(lèi)，即車(chē)輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通

3、信、車(chē)輛間通信（IVC）和基礎(chǔ)設(shè)施到基礎(chǔ)設(shè)施（I2I）通信。這些不同的通信類(lèi)型使得與交通狀況有關(guān)的信息交換遲延最小化。此外，VANET支持四種不同類(lèi)型的信息交換，分別是安全信息、交通信息、娛樂(lè)信息和內(nèi)容信息。VANET主要的目標(biāo)是連續(xù)地廣播更新信息以確保安全的、自由的交通環(huán)境。
　　車(chē)載網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)的ITS服務(wù)的一項(xiàng)主要技術(shù)。它們通常運(yùn)行在 DSRC頻帶，對(duì)于新興的ITS市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，它是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。在VANETs中，WAVE結(jié)構(gòu)與

4、Wi-Fi和蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有明顯的區(qū)別。不同國(guó)家運(yùn)行的VANETs信道架構(gòu)是不同的。在美國(guó)，聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將5.9GHz頻帶中的75MHz分配給VANETs。而在歐洲和日本，分給 VANETs的無(wú)線頻譜被限定為5.8GHz頻帶。根據(jù)美國(guó)的法規(guī)，VANETs由7個(gè)信道組成，每個(gè)信道是10MHz，同時(shí)在初始的頻譜中保留5MHz的保護(hù)帶寬。這7個(gè)信道被分為1個(gè)控制信道和6個(gè)服務(wù)信道，負(fù)責(zé)安全警報(bào)的控制信道的優(yōu)先級(jí)是最高的。一旦控制

5、信道被激活，為了接收和轉(zhuǎn)發(fā)控制信道中的緊急消息，所有的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)必須停止它們的其它通信活動(dòng)。
　　IEEE1609 WAVE中介紹了一個(gè)協(xié)議族，該協(xié)議族包括6個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)來(lái)處理不同層的不同功能。其中，IEEE1609.1提供管理服務(wù)。IEEE1609.2主要負(fù)責(zé)通信安全方面。IEEE1609.3提出一種專(zhuān)用的單個(gè)協(xié)議，叫做 WSMP（短消息傳播協(xié)議），主要提供傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的安全相關(guān)的應(yīng)用。此外，IEEE1609.4定義了多個(gè)信道間的頻

6、譜協(xié)調(diào)。最后，IEEE1609.5負(fù)責(zé)層間管理，而IEEE1609.6在傳輸層和應(yīng)用層之間提供一個(gè)附加的中間層，用于處理應(yīng)用層上附加的設(shè)施。然而，VANET的物理層有三個(gè)主要問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是車(chē)輛間的傳輸?shù)姆€(wěn)定性和無(wú)線介質(zhì)共享的有效性。第二個(gè)問(wèn)題是，VANET中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的密度變化大以及VANET中車(chē)輛密度的不可預(yù)測(cè)性。最后一個(gè)問(wèn)題是，保證緊急應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和有效性依然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
　　盡管 VANET中的車(chē)輛是在預(yù)先確定的道路上

7、移動(dòng)，但車(chē)輛節(jié)點(diǎn)間的鏈接具有脆弱性。VANET還面臨著各種挑戰(zhàn)。IEEE802.11p支持高速運(yùn)行的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)間的直接通信，通信范圍達(dá)到1km。然而，美國(guó)、歐洲和日本的無(wú)線頻譜是不同的。除此之外，大量的信息在 VANET廣播，使得消息傳播和廣播技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。所有提出的消息傳播協(xié)議的目標(biāo)都是為了緩和廣播風(fēng)暴和隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。需要考慮的另一個(gè)重要的挑戰(zhàn)是能量問(wèn)題，尤其是能量傳輸問(wèn)題，而不是能量消耗問(wèn)題。調(diào)整傳輸能量，使總的吞吐量最大，干擾最

8、小。
　　為了避免誤導(dǎo)的路線消息和惡意信息，安全性非常重要。這種錯(cuò)誤信息會(huì)造成交通擁堵，也可能會(huì)泄露駕駛員的私人信息。安全問(wèn)題可以通過(guò)動(dòng)態(tài) MAC地址分配以及 MAC地址副本發(fā)現(xiàn)機(jī)制來(lái)解決。此外，由于高代價(jià)、車(chē)輛移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和瞬時(shí)連通性，在實(shí)際中測(cè)試 VANETs性能是非常困難的。因此，為了能夠高效、簡(jiǎn)便的評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能，需要用到仿真工具。一些網(wǎng)絡(luò)仿真器，如NS-2和OPNET，與一些移動(dòng)生成器連用，可以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估的目的

9、。至今為止，還沒(méi)有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的穩(wěn)定的VANET仿真環(huán)境。
　　通過(guò) VANET分享和發(fā)布的信息可以為駕駛員和乘客提供愉快的旅行環(huán)境，可以挽救生命和財(cái)產(chǎn)損失，能夠減少交通意外。然而，要獲取信息必須接入到帶寬受限的無(wú)線信道中。此外，VANET的特殊性會(huì)使得文件內(nèi)容無(wú)法完整下載或上傳，原因包括車(chē)輛的高移動(dòng)性、動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無(wú)線頻譜的強(qiáng)衰減、過(guò)大的內(nèi)容以及分配給每輛車(chē)的有限帶寬。同時(shí)，VANET中的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)不同于其他節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，它高度獨(dú)

10、立和自主，因?yàn)檫@些車(chē)輛是由人類(lèi)行為來(lái)控制的。人類(lèi)的行為是自私的，不愿意與周?chē)钠渌?jié)點(diǎn)共享已有資源。
　　由于節(jié)點(diǎn)間的鏈接時(shí)間短和ITS應(yīng)用的多樣性，車(chē)輛節(jié)點(diǎn)可能會(huì)為了獲得資源例如更大的帶寬而競(jìng)爭(zhēng)，這將導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境的存在。這種自私的行為會(huì)嚴(yán)重的降低數(shù)據(jù)傳輸速率，并且影響網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，激勵(lì)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)找到合作伙伴，并自愿的與它附近范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)共享自己的資源。
　　博弈論是數(shù)學(xué)化研究智能決策主體之間的沖突與合作的一種策略原理

11、。它主要用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、政治科學(xué)和生物學(xué)等其他領(lǐng)域。特別地，在計(jì)算機(jī)科學(xué)和邏輯學(xué)中，研究人員利用博弈論模擬互動(dòng)競(jìng)賽，為解決沖突情況提供了理論依據(jù)。博弈的各種類(lèi)型都包含在博弈論中，例如合作和非合作博弈，對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)博弈，同時(shí)決策和先后決策博弈，組合博弈。合作博弈的定義是參與者協(xié)調(diào)他們的策略并且分享最終的收益。相反，非合作博弈則不允許共享策略。在本文中，我們基本上關(guān)注的是合作博弈，特別是聯(lián)盟構(gòu)型博弈論（coalition forma

12、tion game theory）。
　　最近在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，在基于共同目標(biāo)來(lái)聚集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用中，聯(lián)盟構(gòu)型起到了重要作用。眾所周知，聯(lián)盟構(gòu)型博弈是用來(lái)解決沖突情況和競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境的。在網(wǎng)絡(luò)部件包括節(jié)點(diǎn)，終端和服務(wù)提供方之間建立一個(gè)有效的協(xié)作，可以實(shí)現(xiàn)公平性，并提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。通過(guò)該原則，網(wǎng)絡(luò)部件都可以加入到一個(gè)合適的合作集（聯(lián)盟）中，以有效地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。在博弈論中，一個(gè)聯(lián)盟是個(gè)人或群體之間的協(xié)定或條約，在這期間，他們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)目標(biāo)并

13、提高性能而相互合作并且采取聯(lián)合行動(dòng)。在聯(lián)盟構(gòu)型理論中，一組成員同意通過(guò)交互來(lái)解決共同的問(wèn)題，這既能提高個(gè)人目標(biāo)，也能更有效地解決一組問(wèn)題。尤其是聯(lián)盟通過(guò)合作策略能夠使得參與者達(dá)成一致，并以一些特定的方式重新分配利潤(rùn)總額。
　　在我們的例子中，相互競(jìng)爭(zhēng)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)代表參與者，它們形成聯(lián)盟來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的個(gè)人利益，或者是提高整體網(wǎng)絡(luò)的增益，或者兩者同時(shí)實(shí)現(xiàn)。聯(lián)盟構(gòu)型是一種戰(zhàn)術(shù)級(jí)數(shù)學(xué)工具，它是完成任務(wù)和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的一種必不可少的有效的途徑。一般

14、來(lái)說(shuō)，這種數(shù)學(xué)工具已經(jīng)適用于解決許多相互沖突問(wèn)題，包括資源分配、合作問(wèn)題求解和商業(yè)交易等現(xiàn)實(shí)世界中的其他領(lǐng)域。聯(lián)盟構(gòu)型博弈最適合于尚不清楚交易該如何完善的情況。因?yàn)?，他們主要關(guān)注參與者之間總收益的分配，而不關(guān)注實(shí)現(xiàn)這些收益的過(guò)程。總之，聯(lián)盟構(gòu)型有助于對(duì)重大問(wèn)題進(jìn)行重新定義。因此，參與者能夠使用策略來(lái)改善個(gè)體收益和整體聯(lián)盟目標(biāo)。
　　基于這一背景，本文重點(diǎn)關(guān)注在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中的高效帶寬利用率這一主題。由于為了下載或上傳內(nèi)容文件而頻繁的要

15、求訪問(wèn)可用的有限帶寬，這就導(dǎo)致了在VANET中出現(xiàn)激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。這種環(huán)境和車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的理性行為都會(huì)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響，同時(shí)也會(huì)降低車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的性能。我們介紹了在集中和分散的通信環(huán)境下相互合作的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)間應(yīng)用聯(lián)盟構(gòu)型博弈。我們的目的是解決 VANET的帶寬利用率和帶寬分配問(wèn)題。
　　簡(jiǎn)而言之，我們提出了一個(gè)關(guān)于通信環(huán)境的帶寬問(wèn)題。首先，我們旨在通過(guò)查閱關(guān)于VANET中博弈論的最新文獻(xiàn)來(lái)考慮關(guān)于資源共享改進(jìn)的幾個(gè)矛盾問(wèn)題。當(dāng)前的挑戰(zhàn)

16、和未來(lái)的工作是為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的、魯棒性好的合作網(wǎng)絡(luò)。其次，本文提出了一個(gè)新的基于聯(lián)盟構(gòu)型博弈的帶寬分配分布式車(chē)間通信模型。這種不含基礎(chǔ)設(shè)施的方案減少了帶寬預(yù)訂的代價(jià)，同時(shí)增加了車(chē)輛可獲得的帶寬。本論文的第三個(gè)貢獻(xiàn)是提出了一個(gè)基于聯(lián)盟構(gòu)型的集中式車(chē)輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施模型，用來(lái)減少路邊基礎(chǔ)設(shè)施的帶寬預(yù)訂代價(jià)。它是對(duì)提出的第二個(gè)工作的擴(kuò)展，使之包含兩種類(lèi)型的通信。本文的第四個(gè)貢獻(xiàn)是在第二個(gè)貢獻(xiàn)中提出了一個(gè)分布式算法優(yōu)化模型，該模型的目的是基于進(jìn)化

17、算法來(lái)優(yōu)化聯(lián)盟構(gòu)型過(guò)程。最后本文根據(jù)第三個(gè)貢獻(xiàn)提出了一種研究，該研究是針對(duì)在合作 VANET中，各種路邊設(shè)施對(duì)提高數(shù)據(jù)吞吐量的影響，第三個(gè)貢獻(xiàn)的擴(kuò)展工作是調(diào)查路邊設(shè)施對(duì)數(shù)據(jù)吞吐率的影響。
　　在第一個(gè)貢獻(xiàn)中，我們給出了一個(gè)關(guān)于VANETs系統(tǒng)及其應(yīng)用的歷史問(wèn)題的概述。我們討論了VANET的演變過(guò)程，并且我們說(shuō)明了這種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)是如何出現(xiàn)的。此外，我們對(duì)VANET的結(jié)構(gòu)、ITS應(yīng)用和無(wú)線頻譜進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。我們概述了關(guān)于VANET的

18、持續(xù)性挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)傳播和車(chē)輛用戶的行為。隨后介紹了聯(lián)盟構(gòu)型的基本結(jié)構(gòu)，其中包括了對(duì)聯(lián)盟構(gòu)型的一般描述。我們還描述了如何分配收益來(lái)保證參與者之間的穩(wěn)定性和公平性。同時(shí)我們對(duì)利用聯(lián)盟構(gòu)型來(lái)解決沖突問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單比較。
　　此外，我們查閱了關(guān)于在 VANET中通過(guò)聯(lián)盟構(gòu)型來(lái)管理有限資源的文獻(xiàn)綜述。我們考慮了如帶寬和信道利用率、數(shù)據(jù)包傳送、內(nèi)容訪問(wèn)和下載、存儲(chǔ)空間和安全性。最后，我們考慮到在 VANET的公開(kāi)挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨

19、勢(shì)上采用聯(lián)盟構(gòu)型。
　　IVCs系統(tǒng)是 VANET中的主要通信類(lèi)型，它不依賴(lài)于任何基礎(chǔ)設(shè)施。他們的潛在目標(biāo)是提高日常道路行駛的安全性、效率和舒適性。這種類(lèi)型的通信允許在同一信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多輛車(chē)之間可以直接相互通信，并且相互交換相關(guān)的娛樂(lè)信息。他們提供了廣闊的應(yīng)用范圍，例如碰撞避免、傳遞協(xié)助和車(chē)隊(duì)運(yùn)作管理。IVC的最主要的優(yōu)點(diǎn)是不需要昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施。事實(shí)上，我們一般選擇 IVC來(lái)參與單跳網(wǎng)絡(luò)。此外，它定義了一個(gè)不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)

20、助的純車(chē)載通信。
　　保持移動(dòng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信對(duì)不同的ITS應(yīng)用如車(chē)輛安全、車(chē)輛用戶的移動(dòng)服務(wù)和分布式協(xié)調(diào)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。乘客和司機(jī)都能尋求的另一個(gè)重要服務(wù)是訪問(wèn)內(nèi)容文件。在 IVC通信中的內(nèi)容共享通常能給車(chē)輛用戶提供其最喜歡的多媒體文件，使得他們?cè)隈{駛旅途中更舒適。這項(xiàng)服務(wù)所面臨的挑戰(zhàn)性問(wèn)題是高帶寬和高存儲(chǔ)要求。此外，會(huì)存在自私的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)，它們貪婪地訪問(wèn)有限帶寬而不分享自己的資源，這些節(jié)點(diǎn)是一個(gè)危險(xiǎn)因素，它們會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的性能

21、。
　　在車(chē)輛間通信中,為了最小化預(yù)訂成本和最大化吞吐量，可用帶寬需要在若干車(chē)輛之間進(jìn)行有效地分配。通常情況下,低帶寬利用率會(huì)降低車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)的QoS需求。因此,車(chē)輛節(jié)點(diǎn)之間相互合作以及形成聯(lián)盟組來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)會(huì)更好?；诘诙€(gè)貢獻(xiàn),我們提出一個(gè)新穎的無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施或較少的基礎(chǔ)設(shè)施車(chē)載通信環(huán)境的聯(lián)合模型。它旨在規(guī)劃車(chē)輛之間的相互合作，以使它不依賴(lài)任何基礎(chǔ)設(shè)施的限制，比如路邊單元或者雷達(dá)。這項(xiàng)工作的新穎之處在于它僅考慮在競(jìng)爭(zhēng)車(chē)輛間以

22、分布式方式分配帶寬，不同于以往的車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)文獻(xiàn)。我們對(duì)這個(gè)模型從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　在該算法中,在請(qǐng)求車(chē)輛附近的車(chē)輛可以被分類(lèi)為直接鄰居和間接鄰居。因此,本文提出的分布式算法可以通過(guò)在請(qǐng)求車(chē)輛集中搜索最有效的帶寬分配方案。一方面，如果請(qǐng)求車(chē)輛成功從直接鄰居那獲得它所需的帶寬，該車(chē)輛將剛好產(chǎn)生一個(gè)所需帶寬代價(jià)。相反,如果該車(chē)輛通過(guò)其他間接鄰居獲得所需的帶寬，該車(chē)輛將產(chǎn)生一個(gè)所需帶寬代價(jià)和一個(gè)附加權(quán)重。最后,當(dāng)請(qǐng)求

23、車(chē)輛獲得所需帶寬或當(dāng)這輛車(chē)訪問(wèn)所有在其附近的車(chē)輛,都未能達(dá)到所需帶寬時(shí)，算法停止。這個(gè)解決方案在分布式IVCs中對(duì)最大化預(yù)留信道的總體帶寬和最大化車(chē)輛效用上很實(shí)用。
　　該模型的實(shí)驗(yàn)包括五個(gè)測(cè)試領(lǐng)域，包含了不同的車(chē)輛密度和大量的直接鄰居車(chē)輛。我們也介紹了三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),以衡量該算法的效率和有效性。每個(gè)實(shí)驗(yàn)被執(zhí)行100次,并計(jì)算平均結(jié)果。從目標(biāo)中獲得的結(jié)果表明,在車(chē)輛從20到100輛的密度下，使用聯(lián)盟博弈方式分配有限的可用帶寬可使平均

24、成功率達(dá)到61.9％到73.3%。該模型適用于安裝基礎(chǔ)設(shè)施有困難的地方。此外,它降低了安裝不同基礎(chǔ)設(shè)施的成本，例如：路邊單元。它還激勵(lì)車(chē)輛自發(fā)形成聯(lián)盟方式以最大化自己的帶寬分配和最小化所需的帶寬預(yù)訂成本。因此,車(chē)輛可以與他們的直接和間接鄰居形成靈活的聯(lián)盟方式，以增加個(gè)人收益以及總效用,從而提高網(wǎng)絡(luò)性能。
　　車(chē)輛和基礎(chǔ)設(shè)施間的通信方式使得車(chē)載網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍更廣。這種通信類(lèi)型利用了現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施,如交通信號(hào)燈和公交車(chē)站。已安裝的基

25、礎(chǔ)設(shè)施在監(jiān)視和控制周?chē)?chē)輛的同時(shí)，也提供大量的應(yīng)用和信息。然而,這種類(lèi)型的通信會(huì)增加額外的安裝成本，可能無(wú)法滿足功能需求更強(qiáng)的車(chē)輛應(yīng)用。
　　在車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)里,路邊站可以被定義為一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施,它可以放置在交通燈,公交車(chē)站或接頭處?？傊?基礎(chǔ)設(shè)施站的存在是必要的，它可以支持車(chē)輛節(jié)點(diǎn)間的一些服務(wù)，例如互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn),交通信息,智能交通系統(tǒng)應(yīng)用。路邊站通常配備一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,便于車(chē)輛節(jié)點(diǎn)之間的通信。路邊站的主要優(yōu)點(diǎn)之一是減少由于車(chē)載自組織網(wǎng)

26、絡(luò)的高流動(dòng)性導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)的不連通問(wèn)題。然而,在汽車(chē)-基礎(chǔ)設(shè)施通信中，智能交通系統(tǒng)的多樣性應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。車(chē)輛的高機(jī)動(dòng)性、有限的帶寬資源和在基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋范圍內(nèi)車(chē)輛的不規(guī)則分布是汽車(chē)-基礎(chǔ)設(shè)施通信問(wèn)題的主要根源。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致端到端連接困難,基礎(chǔ)設(shè)施資源的負(fù)載不均和網(wǎng)絡(luò)性能下降。因此，最優(yōu)資源管理尤其是在車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)中的帶寬分配問(wèn)題仍然是一個(gè)長(zhǎng)久的挑戰(zhàn)。
　　車(chē)輛節(jié)點(diǎn)對(duì)上傳或下載數(shù)據(jù)需求的增加和可用資源的受限會(huì)導(dǎo)致沖突情況。避

27、免這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)請(qǐng)求車(chē)輛和其覆蓋區(qū)域內(nèi)最近的基礎(chǔ)設(shè)施之間相互合作來(lái)完成。此論文的第三個(gè)目標(biāo),提出一種新穎的混合合作模型,旨在增加帶寬利用率和降低資源的使用成本。該模型分析了節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)有限帶寬時(shí)產(chǎn)生的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)沖突情況。我們假設(shè)車(chē)輛提供了一定的計(jì)算能力和通訊設(shè)備,以確保車(chē)間和汽車(chē)-基礎(chǔ)設(shè)施間的通信。這些掛載設(shè)備允許車(chē)輛節(jié)點(diǎn)訪問(wèn) IEEE802.11p無(wú)線信道。此外,在我們的模型中車(chē)輛還包含一個(gè) GPS設(shè)備,用來(lái)確定其他車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的位置。主要目

28、標(biāo)是應(yīng)用聯(lián)盟博弈理論依據(jù)競(jìng)爭(zhēng)者的需求有效地分配帶寬。為了下載或上傳文件的內(nèi)容，我們還在車(chē)輛和基礎(chǔ)設(shè)施可能連接的短時(shí)間之內(nèi)有效地使用了無(wú)線頻譜。
　　這種算法的貢獻(xiàn)，首先定義一組請(qǐng)求車(chē)輛。這些車(chē)輛對(duì)最近的基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)始一個(gè)搜索任務(wù),以得到成本最低的需求帶寬。如果在車(chē)輛請(qǐng)求的傳輸范圍內(nèi)沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施,它可以與其他車(chē)輛形成合作聯(lián)盟方式。雖然請(qǐng)求車(chē)輛可以與周?chē)?chē)輛和基礎(chǔ)設(shè)施形成可行的聯(lián)盟,但是優(yōu)先級(jí)最高的保留帶寬總是給最近的基礎(chǔ)設(shè)施。這背后的

29、原因是基于這樣一個(gè)前提：與其它車(chē)輛相比，基礎(chǔ)設(shè)施提供了最低單位成本和最高的帶寬可獲得概率。如果請(qǐng)求車(chē)輛無(wú)法獲得所需的帶寬，它就會(huì)請(qǐng)求其他成本價(jià)格較高的車(chē)輛合作。最后,只要得到緩存數(shù)據(jù)所需要的帶寬或者搜索圖完成，車(chē)輛請(qǐng)求才會(huì)停止。
　　為了檢查模型的準(zhǔn)確性和高效性，本文采用了四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。此外,還進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究該模型的性能。在我們的仿真中,每個(gè)實(shí)驗(yàn)有一組車(chē)輛和基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)應(yīng)于一組請(qǐng)求車(chē)輛和鄰居列表。為了能夠分析這個(gè)模型，為每

30、個(gè)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)初始化一個(gè)帶寬。此外,每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了100次并計(jì)算平均結(jié)果。與前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,依賴(lài)路邊設(shè)備的聯(lián)盟博弈方式可以獲得更高的成功率，高達(dá)75.1%。此外,當(dāng)使用基于基礎(chǔ)設(shè)施的模式時(shí)，數(shù)據(jù)吞吐量是令人難以置信的增長(zhǎng)達(dá)到0.911 Mbps,而在相同情況下，分布式車(chē)間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量只有0.2 Mbps。與提出的基于分布式車(chē)間網(wǎng)絡(luò)算法相比，基于基礎(chǔ)設(shè)施的算法平均效用也減少了。這是因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施安裝數(shù)量有限使得形成的聯(lián)盟數(shù)

31、量減少，同時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施提供了更便宜的代價(jià)。
　　在車(chē)輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通信中，車(chē)輛節(jié)點(diǎn)能通過(guò) VANETs實(shí)現(xiàn)快速可靠的傳輸。然而所需的RSU數(shù)量高于車(chē)輛數(shù)量的平均數(shù)，這就需要更高的配置和維護(hù)成本。因此，以低成本的方式確?？煽扛采w是非?？扇〉摹＿@種混合的車(chē)載通信系統(tǒng)提供了IVC與 V2I通信類(lèi)型之間的一種權(quán)衡，用車(chē)輛作為移動(dòng)路由器為V2I方式擴(kuò)展了范圍。通常，VANET由數(shù)量不斷變化的車(chē)輛和固定數(shù)量的RSU組成來(lái)支持信息交換。所

32、以，為了提高網(wǎng)絡(luò)連接的性能標(biāo)準(zhǔn)，在什么地方放置RSU是很難做決定的。
　　最后，一個(gè)基于非支配排序遺傳算法的多目標(biāo)改進(jìn)算法被提出。在這種方法中，我們主要研究車(chē)輛節(jié)點(diǎn)在 IVCs環(huán)境下的帶寬分配問(wèn)題。到目前為止，為了達(dá)到一個(gè)高效的帶寬利用率并實(shí)現(xiàn)在相互競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)之間的公平分配，我們計(jì)劃優(yōu)化聯(lián)盟過(guò)程。這個(gè)方法是基于無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的，就是在測(cè)試區(qū)域沒(méi)有RSU存在。
　　進(jìn)化算法（EA）由眾所周知的步驟組成，開(kāi)始時(shí)初始化過(guò)程用來(lái)初始化

33、定義EA個(gè)體并從現(xiàn)實(shí)問(wèn)題映射到進(jìn)化算法問(wèn)題。然后，用適應(yīng)度函數(shù)來(lái)形成選擇基準(zhǔn)以達(dá)到進(jìn)化目的?；谶m應(yīng)度函數(shù)，親代選擇在以下情況下被實(shí)施，基于質(zhì)量允許獲勝者個(gè)體成為下一代的父母。接下來(lái)，為了利用幸存者選擇機(jī)制，采用交叉和變異機(jī)制來(lái)生成下一代，將其重組到父母中。幸存者選擇機(jī)制旨在根據(jù)個(gè)體質(zhì)量對(duì)它們進(jìn)行區(qū)分。
　　根據(jù)先前的步驟，本文提出的該方法有兩個(gè)主要的優(yōu)化目標(biāo)，那就是保留帶寬的代價(jià)和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。這個(gè)方法由一組分為供應(yīng)者與請(qǐng)求者的車(chē)

34、輛組成。請(qǐng)求車(chē)輛力圖從鄰居供應(yīng)車(chē)輛那里找到多余的未使用的帶寬。根據(jù)聯(lián)盟定義，這個(gè)請(qǐng)求車(chē)輛尋求加入聯(lián)盟來(lái)得到需求的帶寬的成本的最小化。這個(gè)模型的主要目的是找到最優(yōu)的聯(lián)盟配置可以實(shí)現(xiàn)最低成本公平有效的帶寬分配。
　　在該方法中,我們介紹兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)衡量這種方法的準(zhǔn)確性。第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)是最小化請(qǐng)求車(chē)輛的帶寬保留成本。相反，第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)的目的是最大化信道的數(shù)據(jù)吞吐量。這種方法可以使用NSGA-II（非支配排序遺傳算法）優(yōu)化。雖然，這個(gè)

35、問(wèn)題被認(rèn)為是一個(gè)聯(lián)機(jī)問(wèn)題，這是違背基本的NSGA-II。在數(shù)量規(guī)模很小時(shí)，NSGA-II執(zhí)行速度非?？?。選擇 NSGA-II的另一個(gè)重要原因是當(dāng)問(wèn)題有兩個(gè)目標(biāo)時(shí)，該算法表現(xiàn)良好。
　　本文通過(guò)基于車(chē)輛數(shù)量變化的各種實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估該方法的性能。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是找到適當(dāng)?shù)能?chē)輛節(jié)點(diǎn)數(shù)，加入到適當(dāng)?shù)穆?lián)盟以便實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。此外，它的目標(biāo)是用自愿的方式同時(shí)優(yōu)化兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)。這個(gè)方法的終止條件是達(dá)到最大迭代數(shù)。執(zhí)行每個(gè)實(shí)驗(yàn)的平均時(shí)間是5.5秒，這適合

36、我們的聯(lián)機(jī)問(wèn)題。這意味著每個(gè)實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)的就是在短時(shí)間內(nèi)，用優(yōu)化車(chē)輛分配并考慮成本計(jì)算和吞吐量來(lái)建立聯(lián)盟。最后，仿真結(jié)果表明，NSGA-II通過(guò)一代代測(cè)試成功的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)吞吐量最大化的同時(shí)最小化成本。
　　最后，這種方法旨在優(yōu)化聯(lián)盟的數(shù)量和形式，在競(jìng)爭(zhēng)車(chē)輛之間達(dá)到更好的帶寬分配，在DSRC頻譜范圍內(nèi)提高數(shù)據(jù)傳輸速率。
　　本文根據(jù)提出的算法和仿真研究了不斷變化的路邊設(shè)施數(shù)量對(duì)增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐量的影響。在本次研究中，我們根據(jù)給定的車(chē)

37、輛密度來(lái)確定合適的路邊設(shè)施數(shù)量。我們研究的一個(gè)重要問(wèn)題是，在給定區(qū)域內(nèi)路邊設(shè)施數(shù)量能否對(duì)相互競(jìng)爭(zhēng)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)吞吐量造成影響。我們提出了一個(gè)基于聯(lián)盟構(gòu)型博弈論統(tǒng)計(jì)模型，以最大化數(shù)據(jù)吞吐量來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的資源管理。通過(guò)這個(gè)基于聯(lián)盟構(gòu)型博弈論統(tǒng)計(jì)模型，我們研究如何提高數(shù)據(jù)傳輸速率并在節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)資源的公平分配。主要地，本文旨在通過(guò)使用合作機(jī)制的VANETs減少路邊設(shè)施的安裝成本。此外，我們提出的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)包括數(shù)據(jù)吞吐量和最大化路邊進(jìn)入比例

38、。
　　因?yàn)楦叱杀镜穆愤叢渴鸷拓毞Φ能?chē)輛間資源管理，提出了這個(gè)模型。這個(gè)模型的算法被分成三個(gè)階段，分別包括初始化、搜索過(guò)程、效用計(jì)算?？偣卜治隽?0個(gè)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)都是基于4個(gè)不同車(chē)輛密度，這些密度被分配給鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目事先預(yù)定好的兩個(gè)區(qū)域。我們通過(guò)改變路邊已安裝設(shè)施數(shù)量來(lái)研究設(shè)施數(shù)量改變對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。每個(gè)實(shí)驗(yàn)執(zhí)行30分鐘，我們計(jì)算最大值、最小值和平均值。很不幸的是，因?yàn)闄C(jī)器規(guī)格受限，我們實(shí)驗(yàn)被限制在40個(gè)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的位置。
　

39、　根據(jù)仿真結(jié)果，我們觀察到使用20個(gè)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)，當(dāng)路邊設(shè)施為1時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率平均最高能達(dá)到0.9Mbps。同樣地，當(dāng)設(shè)定路邊設(shè)施數(shù)為1時(shí)，平均參與率能達(dá)到67.8%。這意味著車(chē)輛節(jié)點(diǎn)能夠依賴(lài)已經(jīng)建立的路邊設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)超過(guò)50%的需求服務(wù)。然而，當(dāng)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)數(shù)為30時(shí)，平均數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到大約0.88Mbps。這時(shí)路邊設(shè)施參與率減少到57.3%。最后，基于已經(jīng)完成的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)數(shù)為10時(shí)，記錄的平均吞吐量最高，為1.06Mbps。并且，在使用