基于城市小區(qū)域的車聯(lián)網(wǎng)模型

陳 浩，葉 青，吳國田

（河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，南京210098）

基于城市小區(qū)域的車聯(lián)網(wǎng)模型

陳 浩，葉 青，吳國田

（河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，南京210098）

隨著社會進(jìn)步及車輛增多，交通問題日益突出，使得城市環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)的研究受到越來越多的關(guān)注。基于真實(shí)數(shù)據(jù)的分析和驗(yàn)證，可以得到城市不同區(qū)域的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)度分布服從廣義的冪律分布，即網(wǎng)絡(luò)是無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)此性質(zhì)利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論建立車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過分析和仿真驗(yàn)證該模型的正確性和有效性。

車聯(lián)網(wǎng)；度分布；模型；仿真

1 引 言

車聯(lián)網(wǎng)是指利用裝載在車輛上的電子標(biāo)簽通過無線射頻等識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進(jìn)行提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)管和提供綜合服務(wù)。車聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)車與車之間、車與建筑物之間，以及車與基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息交換，它甚至可以幫助實(shí)現(xiàn)汽車和行人、汽車和非機(jī)動車之間“對話”。就像互聯(lián)網(wǎng)把每個(gè)單臺的電腦連接起來，車聯(lián)網(wǎng)能夠把獨(dú)立的汽車聯(lián)結(jié)在一起［1］。

由于其重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值以及在交通信息預(yù)警、行車安全、車輛之間通信及車輛Internet訪問等方面具有良好的應(yīng)用前景［2］，因此，車聯(lián)網(wǎng)正在成為學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。由于車聯(lián)網(wǎng)具有節(jié)點(diǎn)的高速移動性（速度大致在5-42m／s之間），無線信道質(zhì)量不穩(wěn)定性（受路邊建筑、道路情況、車輛類型和車輛相對速度等因素影響），節(jié)點(diǎn)移動具有一定的規(guī)律性，道路車輛移動是受限制的（車輛軌道一般可預(yù)測）等特點(diǎn)，這就導(dǎo)致了車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，變化頻繁以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布不均勻。

正是基于這些特征，將城市場景劃分為無數(shù)的小區(qū)域，小區(qū)域可以是城市的一條街道，一個(gè)城區(qū)或者是十幾個(gè)街道的組合，而為小區(qū)域的范圍設(shè)置的下限是一條街道，上限是兩個(gè)城區(qū)。基于此特定區(qū)域，可以得到城市小區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)度分布基本符合冪律分布的特點(diǎn)，因此其網(wǎng)絡(luò)為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)此特征利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論建立模型并驗(yàn)證模型的有效性。

2 車聯(lián)網(wǎng)的研究熱點(diǎn)和相關(guān)工作

當(dāng)今對車聯(lián)網(wǎng)模型的研究主要集中在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動模型上，可以細(xì)分為隨機(jī)運(yùn)動模型和真實(shí)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動模型。其中真實(shí)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動模型更能反映節(jié)點(diǎn)的移動行為，特別是在收集了大量節(jié)點(diǎn)的軌跡數(shù)據(jù)之后，會提高它的真實(shí)性。但是在收集和分析節(jié)點(diǎn)移動軌跡數(shù)據(jù)的階段成本較高，無法重現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的場景，加之對真實(shí)節(jié)點(diǎn)的移動建模比較困難，所以這個(gè)方面的研究進(jìn)展不大。相反，隨機(jī)運(yùn)動模型具有建模簡單易分析的特點(diǎn)，因此在過去十幾年中涌現(xiàn)出來了很多這類模型。例如隨機(jī)行走移動模型（random walk mobilitymodel）［3］是早期最簡單的移動模型之一。在這個(gè)模型中節(jié)點(diǎn)以一種完全不可預(yù)測的方式運(yùn)動，其中節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度和方向均無相關(guān)性。Random Waypoint［4］模型的規(guī)則非常簡單，它假設(shè)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動前都均勻地分布在一個(gè)有邊界的區(qū)域內(nèi)。而為了解除模型的邊界限制，HAAS提出了BSA（Boundless Simulation Area，無限制模擬區(qū)域）模型［5］。賴斯大學(xué)模型（Rice University Model，RUM）［6］是借助TIGER數(shù)據(jù)庫中的信息，將路段信息轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)，以節(jié)點(diǎn)代表路口，用x表示，節(jié)點(diǎn)間線段代表道路，用e表示，并根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算得出每段道路的距離，用l（e）表示。它們的共同特點(diǎn)是以運(yùn)動軌跡出發(fā)來研究微觀的行為模型，但這無法概括整體網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。所以研究的新思路是以整體網(wǎng)絡(luò)特性為出發(fā)點(diǎn)，利用現(xiàn)有運(yùn)動模型的優(yōu)勢和數(shù)據(jù)并根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布不均勻等特點(diǎn)，提出了小區(qū)域思想，并基于真實(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)證結(jié)果建立并驗(yàn)證車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型。

3 車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性分析

研究的重點(diǎn)是城市環(huán)境下小區(qū)域的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)度分布變化情況。

圖形分析：圖1（a）和圖1（b）選擇區(qū)域（左側(cè)（121.4907806，31.24673611），右側(cè)（121.5105972，31.23211111））（分別為經(jīng)度和緯度）進(jìn)行研究。從圖1（a）中可以看出，區(qū)域固定的情況下不同時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)度都具有相似的變化規(guī)律。從圖1（b）中可以看出，可以找到一條直線擬合該區(qū)域在通信半徑為R＝350時(shí)16：00點(diǎn)的度分布的對數(shù)分布。分別針對不同數(shù)據(jù)的不同通信半徑，不同時(shí)間，不同小區(qū)域進(jìn)行了仿真分析并得到了類似結(jié)果，證明了城市環(huán)境下小區(qū)域內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)的度分布服從冪律分布，進(jìn)而該網(wǎng)絡(luò)為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。圖1（c）選擇區(qū)域（左側(cè)（121.4207806，31.25673611），右側(cè)（121.5105972，31.23211111））（分別為經(jīng)度和緯度）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了通信半徑對度分布的影響。

圖1 不同區(qū)域不同時(shí)間不同通信半徑下度分布的實(shí)證研究

總體來看，在區(qū)域固定的情況下，不同時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)度都具有同樣的變化規(guī)律，通過最小二乘法也可以找到直線對其進(jìn)行擬合。即城市小區(qū)域車聯(lián)網(wǎng)的度分布符合冪律分布，在這個(gè)區(qū)域中的車聯(lián)網(wǎng)是無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。而通過固定時(shí)間取不同的通信半徑下度分布的對數(shù)分布，可以看到變化趨勢基本上和之前的圖形相同，但是隨著通信半徑的增大抖動增強(qiáng)，當(dāng)通信半徑增加到R＝650時(shí)已經(jīng)無法找到擬合度分布變化規(guī)律的直線了。而且通過仿真發(fā)現(xiàn)雖然整體上城市小區(qū)域的車聯(lián)網(wǎng)符合冪律分布特征，但是它的變化規(guī)律有指數(shù)分布的傾向。所以嚴(yán)格分析可以得到城市環(huán)境下小區(qū)域內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)總體符合冪律分布的變化規(guī)律，并且也存在指數(shù)分布的變化趨勢。所以在模型的構(gòu)造上不僅僅需要關(guān)注優(yōu)先連接，也需要考慮隨機(jī)連接的影響。

4 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)造和驗(yàn)證

4.1 構(gòu)造方法

（1）初始網(wǎng)絡(luò)：假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中包含m0個(gè)相互獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)。

（2）加點(diǎn)：從一個(gè)具有m0個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)開始，在每一個(gè)時(shí)間步，引入一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，且連接到m個(gè)已經(jīng)存在的節(jié)點(diǎn)上（這里m是大于0的常數(shù)且m＜m0）。每一條邊都是通過優(yōu)先連接或者隨機(jī)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的。

（3）優(yōu)先連接：在已有的網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)和新節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。且選擇節(jié)點(diǎn)i概率與節(jié)點(diǎn)度ki成正比，即di＝ki／∑jkj。選擇這種操作的概率為1-p。

（4）隨機(jī)連接：在已有網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)與新節(jié)點(diǎn)相連接。選擇這種操作的概率為p。

4.2 模型的驗(yàn)證過程

模型建立和驗(yàn)證分析：①模型的主要服務(wù)對象是城市環(huán)境下的小區(qū)域，這個(gè)小區(qū)域可能是一條街道也可能是城市的某個(gè)城區(qū)，只要在第一章定義的范圍之內(nèi)就可以。所以研究的對象是城市環(huán)境下車輛組成的小區(qū)域，因此車輛密度是比較大的。②研究的目標(biāo)是對BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型的改進(jìn)，因?yàn)橥ㄟ^之前的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在對城市小區(qū)域車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特性的研究中，雖然可以找到直線擬合度分布的變化規(guī)律，但是從其彎曲程度來看，有一定的指數(shù)分布趨勢，所以加入了一個(gè)可以調(diào)節(jié)的因子p來控制網(wǎng)絡(luò)生成過程中隨機(jī)連接和優(yōu)先連接的比例問題，通過調(diào)整參數(shù)得到城市環(huán)境下小區(qū)域內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)的最佳效果模型。

為了接近真實(shí)值，取節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4000。對p取不同的值來仿真驗(yàn)證模型的度分布。

圖形分析：從圖2可以看出，p的值對網(wǎng)絡(luò)無標(biāo)度特性的判斷影響巨大。具體來說，當(dāng)p＝0.7的時(shí)候可以找到直線擬合目前的變化趨勢，也就是說節(jié)點(diǎn)的度分布服從冪律分布。但是當(dāng)p＝0.9的時(shí)候，即隨機(jī)連接的概率非常大時(shí)，雖然在這種情況下通過最小二乘可以找到一條擬合直線，但是直線的效果明顯不太好，這時(shí)度分布的對數(shù)分布的變化曲線會有比較嚴(yán)重的抖動，雖然趨勢還是下降，但抖動的增多還是說明了隨機(jī)連接的影響。而當(dāng)p＝0.3時(shí)，已經(jīng)很難找到可以擬合度分布變化規(guī)律的直線了，這時(shí)度分布的變化趨勢是下降的，但是相等度值的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加造成了大量節(jié)點(diǎn)堆積在一起，出現(xiàn)了明顯的厚尾現(xiàn)象。通過以上對于圖形的分析不難看出。在p＝0.7時(shí)圖形最符合網(wǎng)絡(luò)的無標(biāo)度特性。

模型創(chuàng)新：①通過真實(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)證分析得到結(jié)果，基于該結(jié)果建立并驗(yàn)證車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，保證了結(jié)果的真實(shí)性。②模型在設(shè)計(jì)上利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本知識，通過試驗(yàn)和對比得到城市環(huán)境下小區(qū)域內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)的最佳網(wǎng)絡(luò)模型。③對城市環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)的分析從小區(qū)域出發(fā)，而小區(qū)域的分析并不拘泥于特定的區(qū)域和道路，保證了對特定范圍內(nèi)的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特征的分析更加全面。④對多組不同數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析和對比，得到了比較有代表性的仿真圖形，說明了驗(yàn)證結(jié)果的普遍正確性。

圖2 模型的度分布

5 結(jié)束語

基于真實(shí)的上海市出租車測得的GPS數(shù)據(jù)，分析了城市環(huán)境下小區(qū)域車載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)度分布，得到其大體上符合冪律分布，是廣義的無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。基于此建立了針對城市小區(qū)域車聯(lián)網(wǎng)的無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型，改進(jìn)了BA無標(biāo)度模型，并且通過驗(yàn)證得到了該改進(jìn)模型的正確性和有效性。

小區(qū)域思想的提出非常靈活，使得城市的分區(qū)更加清晰，但是如何通過某種疊加或者連接關(guān)系形成城市的整體網(wǎng)絡(luò)，并研究整個(gè)城市的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦裕窍乱徊椒治龊脱芯康囊c(diǎn)。

［1］王建強(qiáng)，吳辰文，李曉軍.車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2011，27（4）：156-158.

［2］Willke T L，Tientrakool P，Maxemchuk N F.A Survey of Inter-Vehicle Communication Protocols and Their Applications［J］.IEEE Communications Surveys＆Tutorials，2009，11（2）：3-20.

［3］PNain，D Towsley，Liu Benyuan，et al.Properties of Random Direction Models［C］.Proceedings of the 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.IEEE，2005：1897-1970.

［4］W Navid，T Camp.Stationary Distributions for the Random Waypoint Model［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2004，3（1）：99-108.

［5］Z Haas.A new routing protocol for the reconfigurable wireless networks［C］.Proceedings of the IEEE International Conference on Universal Personal Communications（ICUPC），1997：562-566.

［6］Amit Kumar Saha.Modeling mobility for vehicular adhoc networks［C］.Proceedings of the 1st ACM international workshop on Vehicular ad hoc networks.ACM Press，2004：91-92.

Internet of Vehicles Model Based on Small Area of the City

CHEN Hao，YE Qing，WU Guo-tian
（College of Computer and Information Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

As development of the society and the increase traffics，the internet of vehicles is caught more and more attention.Based on the practical data，this article shows that internet of vehicles network degree distribution in different regions of the city follows a power law distribution，so the network is scale-free networks.According to the feature of complex network，the internet of vehicles network modelcan be built and the correctness and validity of themodel can be analyzed and simulated aswell.

Internet of vehicles；Degree distribution；Model；Simulation

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.01.007

TP393

：A

：1002-2279（2014）01-0022-03

陳浩（1988-），男，天津人，碩士研究生，主研方向：車輛自組網(wǎng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

2013-08-08