بخشی از مقاله
چکیده
بدون شک ویژگیها و قابلیتهای شبکهای، یکی از پارامترهای مهم خودروهای آینده است . مسئله انتشار اطلاعات یکی از مهمترین چالشها در این زمینه است. هدف از انتشار اطلاعات، به حداکثر رساندن استفاده از منابع شبکه برای تامین نیازهای دادهای همه خودروها است. در زمینهی انتشار دادهها در شبکههای موردی وسایل نقلیه، الگوریتمهای زیادی مطرح شده است؛ اما از آنجاییکه این مسئله جزء مسائل خیلی مهم در شبکههای موردی وسایل نقلیه است، همچنان ابتکارهای جدیدی در این زمینه مطرح میشود.
در راستای رفع معایب روشهای موجود انتشار اطلاعات در محیط شبکههای موردی وسایل نقلیه، در این پژوهش جهت افزایش تعداد وسایل نقلیهای که پیام اخطار را در محدوده رویداد از منبع پیام دریافت میکنند و همچنین به منظور انتشار صحیح و سریع اطلاعات و کاهش نیاز به تجهیزات سختافزاری کنار جادهای برای انتقال پیامها بین وسایل نقلیه، یک روش جدید انتشار اطلاعات مبتنی بر رفتار دسته جمعی زنبورعسلها پیشنهاد میشود.
مقدمه
ارتباطات درون وسایل نقلیه، توجه چشمگیری را از سوی جامعهی تحقیقاتی و صنعت خودرو به خود جلب کرده است، به طوریکه در تولید سیستم حمل و نقل هوشمند،1 مانند سرویسهای همیار رانندهها و مسافرین کاربرد فراوانی دارد .[1] شبکههای موردی وسایل نقلیه، به عنوان یک گروه جدید از شبکه-های بیسیم ارائه میشود که بین وسایل نقلیهی متحرک مجهز به واسطهای بیسیم تشکیل میشوند که هر یک میتوانند فناوری-های واسط رادیویی متفاوت و مشابه هم داشته باشند و از سیستم-های ارتباطات محدودهی کوتاه تا متوسط بهرهمند شوند.
شبکههای موردی وسایل نقلیه حالتی از شبکه موردی سیار است که ارتباط میان وسایل نقلیه مجاور و همچنین ارتباط بین وسایل نقلیه و تجهیزات ثابت مجاور در کنار جاده را فراهم میس ازد. در واقع شبکههای موردی وس ایل نقلیه، مجازیسازی خدمتهای ارتباطی مختلف را برای رانندهها و مسافرین فراهم میکند. شبکههای موردی وسایل نقلیه میتواند توسط مدیر شبکه و فراهم کنندههای سرویس و یا از طریق یکپارچگی بین اپراتورها، تهیه کنندهها و مسئولین توسعه یابد .[2]
پیشرفتهای اخیر در زمینه فناوریهای بیسیم و روند اخیر روبه رشد در سناریوی شبکههای موردی، تعدادی از معماریهای توسعه را برای شبکههای وسایل نقلیه در محیطهای شهری، روستایی و بزرگراهها فراهم میسازد. چنین معماریهایی باید اجازهی ارتباط میان وسایل نقلیه مجاور و همچنین ارتباط بین وسایل نقلیه و تجهیزات کنار جاده ثابت مجاور را فراهم کنند. سه راهکار برای فراهم ساختن چنین ارتباطاتی پیشنهاد میشود .[3]
- 1 شبکه موردی وسیله نقلیه به وسیله نقلیه بیسیم خالص، که ارتباطات وسایل نقلیه مستقل را بدون پشتیبانی زیرساختها امکان-پذیر میسازد.
- 2 ستون فقرات سیمی با آخرین گامهای بیسیم، که میتواند بصورت شبکههای وسایل نقلیه شبیه شبکههای گسترده جهانی2 در نظر گرفته شود.
- 3 معماری ترکیبی وسیله نقلیه به جاده که برپایهی زیرساخت ثابت است و زمانی که قابل دستیابی باشد میتوان از آن برای دسترسی خدمت و کارایی بهبود یافته بهرهبرداری کرد. در این مورد اخیر، وسایل نقلیه میتوانند در یک گام و یا در حالت چندگامی با توجه به موقعیتهای وسایل نقلیه و با در نظر گرفتن نقطه اتصال با زیرساخت، ارتباط برقرار کنند. در ادامه به بررسی مسائل و چالشهای مختلفی در شبکههای موردی وسایل نقلیه وجود دارد که محققین همواره در تلاش بودهاند راهحلهایی را در جهت رفع و بهبود این مسائل ارائه دهند.
از جمله مسائل و چالشهایی که در محیط شبکههای موردی وسایل نقلیه وجود دارد میتوان به مسئله امنیت، مسئله اقتصادی بودن، طبقهبندی مداوم شبکه، افزونگی، قابلیت پیشبینی موقعیت، تامین قدرت به نسبت کافی، چگونگی بهرهگیری موثر از پهنایباند، چگونگی حفظ و نگهداری همبندی، چگونگی دستیابی به حداقل تاخیر در انتقال همزمان اطلاعات در موقعیتهای گوناگون، دستیابی واحد و یکسان، انتشار داده، و غیره اشاره کرد. موضوعی که در این پژوهش بر روی آن کار شده است، مسئله انتشار اطلاعات در محیط شبکههای موردی وسایل نقلیه است که در بخش بعد مفهوم انتشار اطلاعات در شبکههای موردی وسایل نقلیه توضیح داده میشود.
ساختار مقاله به این صورت است که در بخش بعدی ،کارهای انجام شده در زمینه انتشار اطلاعات در شبکههای موردی وسایل نقلیه، بررسی شده و مزایا و معایب هریک از این روشها مطالعه میشود. در ادامه روش جدید انتشار اطلاعات مبتنی بر الگوریتم کلونی زنبور عسل در شبکههای موردی وسایل نقلیه ارائه شده و نتایج شبیهسازی بررسی میشود و در نهایت یک مقایسه کلی بین روشهای بررسی شده انجام شده و چندین کار آتی پیشنهاد میشود. و سپس منابع و مراجع آورده میشود.
کارهای انجام شده از انتشار داده در شبکههای موردی وسایل نقلیه میتوان برای آگاهی دادن به رانندهها و خودروها از ترافیک متراکم و تکثیر هشدارهای ضروری بین خودروها برای جلوگیری کردن از تصادفات استفاده کرد. با مطلع شدن راننده از شرایط ترافیکی، در هزینه و زمان صرفهجویی میشود. شماری از نوآوریهای انجام شده در بخش ایمنی، آسایش و راحتی موجب ساخت خودروهای نو شده است که تفاوت های زیادی با خودروهای گذشته دارند. در این بخش الگوریتمهای انتشار اطلاعات در شبکههای موردی وسایل نقلیه مطالعه و بررسی میشوند
الگوریتم غیر متمرکز انتشار اطلاعات در شبکههای موردی وسایل نقلیه
در الگوریتم پیشنهادی مدتو [4] ، هر وسیله نقلیه بعنوان یک مورچه در نظر گرفته میشود. زمانی که رویداد محیطی غیرعادی در جاده شناسایی میشود، پیام امنیتی ایجاد میشود و برای مطلعسازی سایر وسایل نقلیه و واحدهای کنار جاده در طول مسیرش منتشر میشود که مشابه رفتار مورچهها است. زمانیکه مورچه منبع غذایی را مشاهده میکند، برای هدایت غیرمستقیم سایر مورچهها در مورد اطلاعات مسیر منبع غذا، ردهایی از فرومون برجای میگذارد. این روش از انتشار نشان میدهد که ردهای فرومون مورچه بازخوردهای مثبت و منفی برای سازماندهی جستجوی غذا در سطح کلونی فراهم میسازند.
در روش انتشار اطلاعات الهام گرفته از الگوریتم کلونی مورچه پیشنهادی، ارتباط پیامهای امنیت بسته به شدت و نوع رویدادهایی تعریف میشود که در جاده روی میدهند. بعلاوه، با تبخیر فرومونها با گذر زمان، مسیرهای مورچه کمتر استفاده شده با گذشت زمان محو میشوند. در واقع، زمانیکه غذا تمام میشود، جستجو کنندههای غذا از تقویت آن در بازگشتشان خودداری میکنند، بنابراین بازخورد منفی فراهم میسازند. با در نظر گرفتن این مفهوم که فرومونها از سیستم مورچه محو میشوند، ارتباط پیامهای امنیتی، مشابه مقادیر فرومون، در طول زمان و با فاصله تبخیر و در نهایت از سیستم حذف میشوند. رانندهها نیز همانند مورچهها، اقدامات مناسب پیشگیرانه، با توجه به مقدار پیامهای اضطراری دریافت شده از ماژول انتشار اطلاعات آگاه از متن3 انجام میدهند.
این روش همانند جایگذاری فرومون توسط مورچه در طول مسیرش است. وسیله نقلیه یک پیام جدید به واحدهای کنار جاده ارسال میکند که سایر وسایل نقلیه میتوانند این اطلاعات را بگیرند. بطور مشابه، وسایل نقلیه میتوانند اطلاعات را از واحدهای کنار جاده بگیرند که توسط سایر وسایل نقلیه یا واحدهای کنار جادهها فراهم شدهاند. در روش دوم، زمانیکه دو وسیله نقلیه پیام جدیدی برای مبادله دارند، پایگاه دانش یکدیگر را با مبادله پیامهای جدید بروز میکنند. که دقیقا شبیه ارتباطات مستقیم بین مورچهها است.
دادهها مانند مقدار مرتبط اولیه، زمان تولید، مکان رویداد و سطح جغرافیایی مربوطه که برای محاسبه ارتباط پیامهای دریافت شده استفاده میشوند، در هدر هر پیام به همراه توصیف رویداد ذخیره میشوند. بعد از محاسبه مقدار مرتبط جدید، گرههای گیرنده، باید بسته به مقدار مرتبط، اقدامات مناسب را انجام دهند. بعنوان مثال، با توجه به اطلاعات موجود، ماژول انتشار اطلاعات آگاه از متن، میتواند انتخاب جادهی جایگزین، کاهش سرعت و یا توقف فوری وسیلهی نقلیه را به رانندهها پیشنهاد کند.
اگر تعداد زیادی وسیله نقلیه در ناحیه جغرافیایی مربوطه وجود داشته باشد، پیامهای افزونه متعددی میتوانند صادر شوند. بنابراین، به منظور کاهش افزونگی، برای پیامهای تولید شده توسط مبدا یکسان، که دارای ورودی برای رویداد یکسان است، زمان تولید آنها مقایسه خواهد شد، آخرین پیام تولید شده پردازش میشود، بدین ترتیب پیامهای اولیهی تولید شده حذف میشوند. این فرایند یک امر ضروری در انتشار اطلاعات است، زیرا پیامهای اضطراری بطور دورهای تولید میشوند و اگر بازه تولید خیلی کوچک باشد، برخی گرهها میتوانند پیامهای اضافی تولید شده در اوایل سفر را در سطح ارتباطات، میان گرههای همسایه دریافت کنند در حالیکه پیامهای جدیدتر قبلا دریافت شدهاند. با اینحال، بازه کوتاه در تولید پیام دورهای نیز در مفهوم کاربردهای امنیتی به دلیل برخی از ویژگیهای خاص شبکههای موردی وسایل نقلیه حائز اهمیت است.
برای پیامهای تولید شده توسط منبعهای مختلف برای رویدادهای یکسان و یا متفاوت، مقادیر ارتباطشان محاسبه میشود و بزرگترین مقدار در ابتدا منتشر میشود، پیامهایی با مقدار ارتباط کمتر، در صورتیکه مقدار ارتباط شان کمتر از حد آستانه مشخص باشد در صف انتظار میمانند و یا حذف میشوند. اهمیت اطلاعات مرتبط با امنیت دریافت شده توسط وسیله نقلیه عمدتا به فاصلهی بین مکان فعلی و مکان وسیلهی نقلیه بستگی دارد.
زمانیکه وسایل نقلیه در جهت رویداد حرکت میکنند، فاصله کاهش پیدا کرده و زمانیکه وسیله نقلیه از ناحیه رویداد دور میشود، فاصله افزایش مییابد. دریافت چنین پیامی زمان نزدیک شدن به محل مورد نظر، میتواند در تصمیمگیری و اقدامات بعدی مانند کاهش یا افزایش سرعت، یافتن مسیر جایگزین وغیره به راننده ها کمک کند، که کاملا مشابه رفتار فرومونها است، همانطور که طول عمر فرومونها با افزایش فاصله بین لانه و منابع غذا کاهش مییابد.
شبیهسازیها نشان میدهد، مزیت اصلی استفاده از الگوریتم انتشار پیشنهادی، عدم نیاز به تعریف سطح جغرافیایی از قبل است. با تشخیص خطر، پیام اضطراری به منظور مطلعسازی وسایل نقلیه اطراف تولید و منتشر میشود. وسایل نقلیه انتشار پیام را زمانی متوقف میسازند که مقدار ارتباطش کمتر از صفر یا مقدار آستانه مشخص باشد. این مقدار برای کمک به راننده در تصمیم گیری صحیح استفاده میشود .[4]
الگوریتم انتشار داده موثر شبکههای موردی وسایل نقلیه در محیطهای شهری و بزرگراه
شبکههای موردی وسایل نقلیه فناوری جدیدی است که امکان خودسازماندهی4، بدون نیاز به زیرساخت دائمی را به وسایل نقلیه میدهد. اخیرا شبکههای موردی وسایل نقلیه توجه پژوهشگران را با ارائهی کاربردهای جادهای به خود جلب نموده و پتانسیل آنها را با فراهمسازی سیستمهای حمل و نقل هوشمند افزایش دادهاند. کاربردهای در نظر گرفته شده همانند برخی از ویژگیهای ذاتی شبکههای موردی وسایل نقلیه، انتشار دادهها را یک سرویس ضروری و وظیفه مهم در این شبکهها بیان میکند.
پروتکلهای انتشار داده زیادی در مقالات پیشنهاد شدهاند [6]، [7] و .[8] با این حال، اکثر این پروتکلها برای عملکرد انحصاری در سناریوهای شهری یا بزرگراه و تحت شبکههای متراکم و یا شبکههای پراکنده طراحی شدهاند. علاوه بر این، راهحلهای موجود برای انتشار دادهها بطور موثر مسائل طوفان انتشار و بخشبندی شبکه را به طور همزمان مطرح نمیکند. برای رسیدگی به این مسائل، گروه تحقیقاتی ویلاس [9]، یک پروتکل انتشار داده جدید در شبکههای وسیله نقلیه پیشنهاد داده است که برای تحویل پیامها تحت شبکههای متراکم و پراکنده بطور انحصاری به اطلاعات همسایه یک گامی محلی وابسته است. در سناریوهای متراکم، الگوریتم پیشنهادی وسایل نقلیهی درون نقطه مرکزی را برای انتشار مجدد پیامها به وسایل نقلیه دورتر انتخاب میکند.
بعلاوه، پروتکل از تاییدهای ضمنی برای تضمین قدرت در تحویل پیام، تحت سناریوهای پراکنده استفاده میکند. روش پیشنهادی مسئله طوفان انتشار را از بین میبرد و قابلیتهای انتشار داده را در میان پارتیشنهای شبکه با تاخیرهای کوتاه و سربار کم بیشینه میسازد. نتایج شبیه سازی نشان میدهند که الگوریتم پیشنهادی، انتشار را با کارایی بهتر از سایر الگوریتمها انجام میدهد. هدف اصلی پروتکل پیشنهادی، بیان مسئله طوفان انتشار و بیشینه کردن قدرت انتشار داده میان پارتیشنهای شبکه با سربار کم، تاخیرهای کوتاه و پوشش بالا با انجام انتشار داده در ناحیه مورد نظر5 است.
بعلاوه، برخلاف اکثر روشها، وسایل نقلیهای که از الگوریتم پیشنهادی استفاده میکنند، نیاز به جدول همسایه ندارند. مسئله طوفان انتشار و بیشینه سازی پوشش استفاده میکند. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که روش پیشنهادی پیامها را به تمام گیرندههای مورد نظر در حداقل زمان تحویل میدهد و در عین حال سربار موجود بر روی شبکه را کاهش میدهد .[9] در بخش بعدی به منظور رفع ایراد روشهای قبلی یک راهکار انتشار اطلاعات مبتنی بر الگوریتم کلونی زنبور عسل معرفی وارائه خواهد شد.
روش پیشنهادی
با توجه به اینکه مسئله انتشار اطلاعات در محیط شبکههای موردی وسایل نقلیه، جزء مسائل غیر قطعی است، پس در مسئله انتشار اطلاعات با دادههایی مواجه میشویم که قطعی نیستند و دقت کافی را ندارند؛ از سوی دیگر در اکثر الگوریتمهای قبلی، از تجهیزات سختافرازی کنارجادهای برای انتقال اطلاعات، بین وسایل نقلیه استفاده میشود؛ استفاده از تجهیزات سختافزاری کنارجادهای برای انتقال پیامهای هشدار بین وسایل نقلیهای که با سرعت زیاد در حال حرکت هستند، هم از لحاظ اقتصادی و هزینه ساخت و نگهداری تجهیزات کنارجادهای، مقرون به صرفه نخواهد بود و هم باعث ایجاد تاخیر در انتقال پیامهای هشدار و در برخی موارد، موجب عدم انتقال صحیح پیامها بین وسایل نقلیه میشود.
همچنین تعداد وسایل نقلیهای که پیامهای هشدار را دریافت میکنند،کاهش مییابد، بنابراین در روش پیشنهادی از الگوریتم کلونی زنبورعسل استفاده میشود که با افزایش مقیاسپذیری و انطباقپذیری، نیاز به تجهیزات سختافزاری کنار جادهای را، برای انتقال صحیح و سریع پیامهای اخطار کاهش میدهد و از سوی دیگر با کاهش هزینه ساخت و نگهداری تجهیزات مورد نیاز کنار جادهای، تعداد خودروهایی که پیامهای هشدار را دریافت میکنند، افزایش میدهد. در این بخش ابتدا یک راهکار پیشنهادی ارائه میشود، سپس روش جدید شبیهسازی شده و نتایج بررسی میگردند.
در روش جدید از الگوریتم کلونی زنبور عسل استفاده میشود که در آن زنبورها شامل سه گروه زنبورهای کارگر Vall ، دیده بان vej و جستجوگر Vsej هستند. زنبور عسلی که در منطقه رقص در کندو، برای ایجاد تصمیم به انتخاب یک گلزار باقی میماند زنبور عسل ناظر vej نامیده میشود. زنبور عسلی که به طرف منابع غذایی از پیش مشخص شده میرود زنبور عسل کارگر Vall نام دارد. زنبور عسلی که جستجوی تصادفی انجام میدهد زنبور عسل جستجوگر Vsej نام دارد.
حال میخواهیم با این تعاریف الگوریتم زنبور عسل را برای انتشار اطلاعات در شبکههای موردی وسایل نقلیه شبیهسازی نماییم. هر وسیله نقلیه بعنوان یک زنبور عسل جستوجوگر در نظر گرفته میشود. هنگامیکه رویداد محیطی غیرعادی ej در زمان t0 در جاده شناسایی میشود، یک پیام امنیتی mej ایجاد میشود و این پیام برای مطلع کردن سایر وسایل نقلیه Vall و واحدهای کنار جادهای rsi در طول مسیرش منتشر میشود که مشابه رفتار زنبور عسل دیدهبان در منطقه رقص rangei یا همان منطقهای است که در آن یک رخداد غیر طبیعی ej به وجود آمده است.
