一種車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中基于rsu的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動通信導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中基于RSU的 分布式實(shí)時導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城市道路上的車輛個數(shù)越來越多，交通擁塞已經(jīng)成為許多大城市面臨的問 題。它不僅浪費(fèi)了人們的時間和資源，同時也產(chǎn)生大量的污染氣體，影響人們的健康。根據(jù) 實(shí)時道路狀況信息進(jìn)行導(dǎo)航，能夠引導(dǎo)車輛避開擁塞區(qū)域，以最小的代價（如行駛時間或 耗油量等）到達(dá)目的地。
[0003] 隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，車輛自組織網(wǎng)絡(luò)VANET(Vehicular Ad Hoc Network) 成為一種實(shí)時收集道路狀況信息的有效手段。它由裝有車載單元OBU(Onboard Unit) 的車輛和固定部署在路邊的通信設(shè)施RSU(Roadside Unit)組成，能夠支持車輛之間的 V2V(Vehicle-to-Vehicle)通信和車輛與RSU之間的V2R(Vehicle-to-RSU)通信。裝有0BU 的車輛能感知自身的地理位置和移動速度等道路狀況信息，這些信息能通過V2V和V2R通 信傳給相鄰的車輛或者一個與各RSU相連的服務(wù)器，這些收集到的信息可以用來做實(shí)時的 路由決策，為車輛提供代價最小的路徑。
[0004] 現(xiàn)有的基于VANET的導(dǎo)航系統(tǒng)可以分為無網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施兩大類。無網(wǎng) 絡(luò)設(shè)施的系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)，只由車輛組成；每個車輛通過信息交互自主地完成局部區(qū)域 的道路狀況信息收集，然后根據(jù)這些信息計算通過每段路的代價并為自己選擇從當(dāng)前位置 到目的地的代價最小的路徑，如文獻(xiàn)"SoTIS-A self-organizing traffic information system，'（作者L. Wischoff,發(fā)表于 IEEE Vehicular Technology Conference, 2003Spring) 中所介紹。有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的導(dǎo)航系統(tǒng)通常是通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施（如RSU、固定傳感器或基站等）輔 助把全網(wǎng)道路狀況信息聚集到服務(wù)器，再由該服務(wù)器對信息進(jìn)行處理并為所有的車輛做路 由決策，如文獻(xiàn)"A vehicle route management solution enabled by wireless vehicular networks"（作者 K. Collins，發(fā)表于 IEEE INF0C0M，2008)中所介紹。
[0005] 無網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的導(dǎo)航系統(tǒng)的路由決策計算復(fù)雜度較低，但是由于各車輛獨(dú)立計算， 不同目的地的車輛可能會選擇經(jīng)過同一條路段，導(dǎo)致該路段擁塞，即造成新的擁塞。有網(wǎng)絡(luò) 設(shè)施的導(dǎo)航系統(tǒng)以全網(wǎng)所有車輛代價最小為目標(biāo)，能在一定程度上避免出現(xiàn)新?lián)砣?。例如?文獻(xiàn)"NAVOPT:NavigatorAssisted Vehicular route optimizer，'（作者W.Kim，發(fā)表于 IEEE Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing, 2011)中通過控制每個十字路口的單位時間內(nèi)到達(dá)的車輛個數(shù)，使全網(wǎng)所有車輛到達(dá)目的 地的平均行駛時延最小。但是，這種集中式的道路狀況信息收集和路由決策限制了系統(tǒng)的 擴(kuò)展性。完整收集一個城市幾百萬車輛的信息需要時間較長（根據(jù)ISO中的文獻(xiàn)"Traffic Message Channel using ALERT-C"介紹，已經(jīng)商業(yè)化的導(dǎo)航系統(tǒng)Traffic Message Channel 完成一次完整信息收集的時間為2~30分鐘），因此這種集中式信息收集方式并不適用于 高速動態(tài)變化的車輛網(wǎng)絡(luò)；而為所有車輛同時做路由決策的集中式導(dǎo)航算法的復(fù)雜度會隨 著車輛數(shù)量增多而顯著增大，也不適用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)場景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中基于 RSU的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，能夠顯著降低導(dǎo)航算法的計算復(fù)雜度，提升導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時 性。
[0007] -種車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中基于RSU的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，包括如下步驟：
[0008] (1)將整個車輛自組織網(wǎng)絡(luò)劃分成多個面積相近的區(qū)域，并在每個區(qū)域近中心位 置的十字路口布置一個RSU ;利用RSU周期性地收集每個區(qū)域內(nèi)的道路狀況信息；
[0009] (2)對于任一周期，RSU根據(jù)道路狀況信息將本區(qū)域內(nèi)的所有車輛按源地址和目 的地址相近的原則歸并為多條車流，并計算每條車流的到達(dá)速率；
[0010] (3)RSU根據(jù)本區(qū)域內(nèi)各條路段上的車流量計算出車流從不同方向穿越本區(qū)域到 達(dá)其他相鄰區(qū)域的區(qū)域穿越時延以及車流的目的地區(qū)域時延；進(jìn)而以車流所穿越區(qū)域的區(qū) 域穿越時延之和加上目的地區(qū)域時延作為最小化求解目標(biāo)，為車流規(guī)劃出一條區(qū)域行駛路 徑；
[0011] (4)根據(jù)車流的到達(dá)速率，由RSU為其管轄區(qū)域內(nèi)開啟導(dǎo)航服務(wù)的車輛設(shè)計區(qū)域 內(nèi)路由。
[0012] 所述的道路狀況信息包括開啟導(dǎo)航服務(wù)的車輛在本區(qū)域內(nèi)首次報告的源地址、目 的地址以及車輛實(shí)時報告的當(dāng)前地址。
[0013] 所述的步驟（2)中RSU根據(jù)以下公式計算本區(qū)域內(nèi)每條車流的到達(dá)速率：
[0014]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中基于RSU的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，包括如下步驟： (1) 將整個車輛自組織網(wǎng)絡(luò)劃分成多個面積相近的區(qū)域，并在每個區(qū)域近中心位置的 十字路口布置一個RSU ;利用RSU周期性地收集每個區(qū)域內(nèi)的道路狀況信息； (2) 對于任一周期，RSU根據(jù)道路狀況信息將本區(qū)域內(nèi)的所有車輛按源地址和目的地 址相近的原則歸并為多條車流，并計算每條車流的到達(dá)速率； (3) RSU根據(jù)本區(qū)域內(nèi)各條路段上的車流量計算出車流從不同方向穿越本區(qū)域到達(dá)其 他相鄰區(qū)域的區(qū)域穿越時延以及車流的目的地區(qū)域時延；進(jìn)而以車流所穿越區(qū)域的區(qū)域穿 越時延之和加上目的地區(qū)域時延作為最小化求解目標(biāo)，為車流規(guī)劃出一條區(qū)域行駛路徑； (4) 根據(jù)車流的到達(dá)速率，由RSU為其管轄區(qū)域內(nèi)開啟導(dǎo)航服務(wù)的車輛設(shè)計區(qū)域內(nèi)路 由。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，其特征在于：所述的道路狀況信息包 括開啟導(dǎo)航服務(wù)的車輛在本區(qū)域內(nèi)首次報告的源地址、目的地址以及車輛實(shí)時報告的當(dāng)前 地址。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，其特征在于：所述的步驟（2)中RSU根 據(jù)以下公式計算本區(qū)域內(nèi)每條車流的到達(dá)速率：
其中：λ (f)為本區(qū)域內(nèi)車流f的到達(dá)速率，m(f)為一個周期內(nèi)進(jìn)入本區(qū)域的車流f的車 輛數(shù)目，T為一個周期的時長，F(xiàn)為本區(qū)域內(nèi)的車流集合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，其特征在于：所述的步驟（3)中RSU根 據(jù)以下公式計算車流從不同方向穿越本區(qū)域的區(qū)域穿越時延：
其中：A (7%.)表示車流f從第j區(qū)域穿越本區(qū)域到達(dá)第k區(qū)域的區(qū)域穿越時延，第j 區(qū)域和第k區(qū)域均與本區(qū)域相鄰，j和k均為區(qū)域序號；(；為本區(qū)域內(nèi)路段r的容量，λ 本區(qū)域內(nèi)路段r的車流量，VlimiU為本區(qū)域內(nèi)路段r的限速，D 本區(qū)域內(nèi)路段r上平均每 輛車的行駛時延，I^J本區(qū)域內(nèi)路段r的長度；為從第j區(qū)域與本區(qū)域相鄰邊界的第h 入口穿越本區(qū)域到達(dá)第k區(qū)域行駛時延最小的路徑，&為第j區(qū)域與本區(qū)域相鄰邊界的入 口總數(shù)；/ef，F(xiàn)為本區(qū)域內(nèi)的車流集合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，其特征在于：所述的步驟（3)中RSU根 據(jù)以下公式計算車流的目的地區(qū)域時延：
其中：遼(?)表示車流f從第j區(qū)域至本區(qū)域目的地的目的地區(qū)域時延，第j區(qū)域與 本區(qū)域相鄰且本區(qū)域?yàn)檐嚵髂康牡厮趨^(qū)域，j為區(qū)域序號；c;為本區(qū)域內(nèi)路段r的容量， λ 本區(qū)域內(nèi)路段r的車流量，V limip為本區(qū)域內(nèi)路段r的限速，D 本區(qū)域內(nèi)路段r上 平均每輛車的行駛時延，I^J本區(qū)域內(nèi)路段r的長度；gf為從第j區(qū)域與本區(qū)域相鄰邊界 的第h入口至本區(qū)域目的地行駛時延最小的路徑，&為第j區(qū)域與本區(qū)域相鄰邊界的入口 總數(shù)；/ef，，為本區(qū)域內(nèi)的車流集合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，其特征在于：所述的步驟（3)中RSU以 車流所穿越區(qū)域的區(qū)域穿越時延之和加上目的地區(qū)域時延作為最小化求解目標(biāo)，通過以下 優(yōu)化模型為車流規(guī)劃出一條區(qū)域行駛路徑，以特定區(qū)域A k為例；
式中，Af= {Af (1)，Af (2)，. . .，Af (mf)}表示車流f的區(qū)域路徑;mf為車流f離開Ak區(qū)域 后所經(jīng)過的區(qū)域數(shù)目；Af(mf)為目的地所在區(qū)域；車流源地址所在區(qū)域Ak等同為A f(O) 為Ak區(qū)域內(nèi)的車流集合；&(/丨^l)表示車流f沿著區(qū)域路徑"第（j-l)個區(qū)域一第j個區(qū) 域一第（j+Ι)個區(qū)域"穿越第j個區(qū)域的平均時延；A (2m, i)表示車流f從區(qū)域Af(IIlf-I) 與區(qū)域Af (mf)相鄰的邊界到達(dá)目的地的目的地區(qū)域時延。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，其特征在于：所述的步驟（4)中RSU為 其管轄區(qū)域內(nèi)開啟導(dǎo)航服務(wù)的車輛設(shè)計區(qū)域內(nèi)路由的具體方法如下： RSU通過以下優(yōu)化數(shù)學(xué)模型求解出本區(qū)域內(nèi)每個路段的車流量：
其中：D為本區(qū)域內(nèi)所有車流總的行駛時延，N為本區(qū)域內(nèi)所有車流到達(dá)速率之和，I 為本區(qū)域內(nèi)所有路段集合，λ 本區(qū)域內(nèi)路段r的車流量，D 本區(qū)域內(nèi)路段r上平均每 輛車的行駛時延，(；為本區(qū)域內(nèi)路段r的容量，U為本區(qū)域內(nèi)路段r的長度，V limip為本區(qū) 域內(nèi)路段r的限速；-個周期內(nèi)車流f中途經(jīng)qi流入十字路口 i g的車輛個數(shù)/T， Λ?? = 一個周期內(nèi)車流f中流出十字路口 ig途經(jīng)q2的車輛個數(shù)/τ，τ為一個周期的時長， qJPq2均表示本區(qū)域內(nèi)任一與十字路口 ig連接的十字路口，/g為本區(qū)域內(nèi)所有與十字路 口 ig連接的十字路口集合，sf為車流f的源地址，df為車流f的目的地址，，為本區(qū)域內(nèi)的 車流集合，Λ(/)= 一個周期內(nèi)車流f在路段r上的車輛個數(shù)/Τ，λ (f)為本區(qū)域內(nèi)車流f的 到達(dá)速率； 由于4 r ，通過FD分流方法確定出彡(/)進(jìn)而對于本區(qū)域內(nèi)的任 一^h字路口，由RSU根據(jù);1;(/)的車輛比例關(guān)系為車流f中的車輛選擇路段實(shí)施導(dǎo)航。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中基于RSU的分布式實(shí)時導(dǎo)航方法，包括：路由請求信息和車輛位置報告的收集和處理；RSU間的區(qū)域穿越時延信息的交互和目的地區(qū)域時延的請求及應(yīng)答；區(qū)域路徑選擇和域內(nèi)路由設(shè)計；導(dǎo)航實(shí)施。本發(fā)明將整個網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的區(qū)域，每個區(qū)域除了收集本區(qū)域的路由請求信息和車輛位置報告，僅和其他區(qū)域的RSU交互區(qū)域穿越時延信息和目的地區(qū)域時延信息，即可獨(dú)立地為本區(qū)域內(nèi)的車流進(jìn)行路由決策，這種分布式信息采集和路由決策方式顯著降低了導(dǎo)航算法的計算復(fù)雜度，提升了導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時性；本發(fā)明以域內(nèi)平均時延最小為目標(biāo)設(shè)計域內(nèi)路由，通過分流的方式避免道路堵塞狀況發(fā)生，保證了本方法具有很強(qiáng)的抗堵塞能力。
【IPC分類】G01C21-26, G08G1-0968
【公開號】CN104637328
【申請?zhí)枴緾N201510007743
【發(fā)明人】單杭冠, 何婷婷, 黃愛蘋
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月7日