خلاصه

VANETها در حقیقت کلاس خاصی از شبکههای اقتضایی متحرک (MANETs) میباشند که ویژگیهای منحصر به فردی مانند سرعت بالا و تغییرات مکرر توپولوژی، این نوع شبکه را متمایز کرده است. تحقیقات صورت گرفته در مورد روشهای انتشار پیامهای ایمنی در VANET نشان میدهد که یک روش سریع با سربار کاهش یافته از بسیاری حوادث و تلفات جلوگیری میکند. ما در این مقاله یک طرح جدید انتشار پیامهای ایمنی ارائه کردهایم که از مزایای خوشهبندی پویا استفاده کرده و با تشکیل زنجیرهی متحرکی از خودروها در طول بزرگراه، عمل انتشار پیام را به صورت کارآمد انجام میدهد. در این طرح ابتدا با در نظر گرفتن معیارهای حرکتی اعضای خوشه تعیین شده و پس از آن جهت انتخاب سرخوشه معیار ترکیبی جدیدی استفاده میشود که موجب افزایش ثبات خوشه میگردد. همچنین برای تشکیل زنجیره خودرویی، انتخاب گره دروازه به روشی تعاملی با در نظر گرفتن شروط مختلفی صورت میپذیرد. روش انتشار پیامهای ایمنی پیشنهادی دارای سربار و تاخیرکمتر بوده و برای هردو محیط پرتراکم و کم تراکم مناسب است. ما کارایی طرح پیشنهادی را نیز در مقایسه با دو روش انتشار موجود ارزیابی کرده و بر اساس نتایج نشان میدهیم که طرح ما در زمینه نرخ تحویل داده و تاخیر تحویل، بهتر عمل میکند.

کلمات کلیدی: شبکههای خودرویی اقتضایی، VANET، انتشار، خوشهبندی

۱

.۱ مقدمه

با گذر زمان و ظهور فناوریهای جدید، یکی از مسائل جدید ارتباطات بین خودروها میباشد. افزایش تعداد وسایل نقلیه در جهان، با افزایش میزان خسارتهای مالی و جانی همراه است. علاوه بر این، مساله مهم دیگر اتلاف زمان و انرژی در جادهها است. شبکه خودرویی اقتضایی(۱(VANET یکی از مهمترین قسمتهای کلیدی برای سیستمهای حملونقل هوشمند(۲(ITS میباشد. کمیسیون ارتباطات فدرال ایالات متحده با تصویب استانداردها و پهنایباند لازم برای ارتباطات خودروها با یکدیگر و همچنین استفاده از تجهیزات ثابت کنار جادهای، فاز جدیدی از شبکههای بین خودرویی را تعربف کرده است. ارتباطات خودرویی از نظر رسانه انتقال اطلاعات و زیرساخت شبکه دارای انواع مختلفی است، نوع جدید و کارآمد این نوع ارتباطات، شبکه خودرویی اقتضایی است. ارتباطات این نوع شبکه بر اساس استاندارد [۱] ۳DSRC بوده و شامل دو نوع خودرو با خودرو (V2V) و خودرو با زیرساخت (V2I) است. این فناوری میتواند با بوجود آوردن بستری برای ارتباط خودروها و انتقال اطلاعات در زمان مناسب، و همچنین انتشار پیامهایی مانند هشدارهای ایمنی، مدیریت ترافیک و عکس العملهای فوری از بسیاری از خسارتها جلوگیری کند و باعث کاهش تلفات شود. تفاوت اصلی VANET با دیگر شبکههای خودرویی این است که هیچ گره مرکزی و یا ایستگاهی مدیریت و کنترل شبکه را بر عهده ندارد. این شبکه از گرههایی با تحرک بالا تشکیل شده که توپولوژی آنها دائما در حال تغییر است. بر اساس این ارتباطات خودروها به طور دائم اطلاعاتی را با یکدیگر مبادله می-کنند؛ بنابراین انتشار بهینه یکی از مهمترین چالشهای این نوع شبکه است.

در VANET دو نوع داده وجود دارد، اطلاعاتی که به تاخیر حساس هستند مانند پیامهای ایمنی و اطلاعاتی که به تاخیر حساس نبوده و اجباری برای تحویل فوری آنها وجود ندارد، مانند اطلاعات ترافیکی یا اطلاعات آب و هوا. در بحث انتشار اطلاعات ایمنی به دلیل ارتباط مستقیم با جان انسانها حساسیتهای بسیاری وجود دارد، لذا انتشار درست و به موقع اطلاعات نقش مهمی را در شبکههای خودرویی ایفا میکند. اطلاعات ایمنی شامل پیامهای مختلفی مانند هشدار پس از سانحه، هشدار وضعیت مخاطرات جادهی، توصیه کنندهی کاهش سرعت/ توقف، هشدار ازدحام جاده، تغییر خطوط و نزدیک شدن خودروی اورژانس میشود .[۲] انتشار اطلاعات شامل پروتکلهای مختلفی برای انتقال اطلاعات میباشد که بسته به نوع کاربرد

æ محتوای پیام از آنها استفاده میشود. انتشار سیلآسا و پخشجغرافیایی۴، درخواست/پاسخ، اشتراک، پخشگردشی۵ و خوشهبندی انواع پروتکلهای انتقال اطلاعات میباشند که در طرح پیشنهادی برای انتشار اطلاعات از خوشهبندی پویا استفاده شده است .[۵]

خوشهبندی در VANET روشی است که میتوان برای انتشار بهینه،کاهش سربار و همچنین کاهش تاخیر تحویل پیام از آن استفاده کرد. خوشه-بندی پویا مفهوم پایگاه ثابت را به طور کامل حذف میکند. در حقیقت خوشهبندی پویا تکنیکی است جهت تشکیل گروهی از خودروهای در حال حرکت که هیچگونه ارتباط و اتصال فیزیکی ندارند. یک خوشه پویا به صورت فیزیکی در طول جاده حرکت کرده و خودروها براساس سرعت و نزدیکیشان به سردسته خوشه مشخصشده، عضو خوشه شده و یا خوشه را ترک میکنند .[۳] باید به این نکته ضروری نیز توجه داشت که در ارتباطات بین خودرویی که مفهوم زیرساخت کنارجادهای (RSU) حذف میشود، مزایای مختلفی قابل پیشبینی است: منعطفتر بوده، به شرایط کنار جاده وابسته نبوده و برای کشورهای در حال توسعه و همچنین نواحی فاقد زیرساخت بسیار مفید میباشد. همچنین این نوع ارتباطات میتواند جلوی محوشدگی سریع، زمان اتصال کوتاه، دستدادهای مکرر و هرگونه مشکلی که در ارتباط با سرعت بالای خودروها پیش میآید را بگیرد .[۴]

ما در این مقاله بر اساس مزایای خوشهبندی پویا در انتشار اطلاعات، یک طرح جدید انتشار پیامهای ایمنی مبتنی بر خوشهبندی را ارائه میدهیم. در طرح پیشنهادی ابتدا در بزرگراه خوشهها تشکیل شده و بر اساس معیارهای تعریف شده سرخوشه انتخاب میشود. پس از انتخاب سرخوشه برای فراهم نمودن بستر انتشار سریع اطلاعات، گرههایی مشترک از دو خوشه مجاور انتخاب میشوند و به این ترتیب یک زنجیرهی خودرویی در طول بزرگراه تشکیل شده و انتشار پیامهای ایمنی از طریق این زنجیرهی خودرویی صورت میگیرد.

در بخش بعدی مقاله، کارهای تحقیقاتی مختلفی در این زمینه بیان میشود. بخش سوم شامل تشریح طرح پیشنهادی و دو سناریوی تشکیل خوشه

æ انتشار پیام بوده و در بخش چهارم نتایج شبیهسازی طرح بیان میگردد. در بخش پایانی نیز نتیجهگیری آورده شده است.

Vehicular Ad hoc NETwork 1
Intelligent Transport Systems 2
Dedicated Short Range Communication 3
Geocasting 4
Beaconing 5

۲

.۲ پیشینه تحقیق

در مورد انتشار پیامهای اضطراری و خوشهبندی، تحقیقات مختلفی صورت گرفته است که در این بخش به تعدادی از آنها اشارهی میکنیم. طرح بیکن ترافیکی تطبیقی که در [۶] بیان شده، از پخش دورهای تطبیقی بر اساس پارامترهایی مانند سودمندی پیام و کیفیت کانال استفاده میکند. در اکثر موارد، ایده پخشجغرافیایی به عنوان مفهوم اصلی شبکه برای پیادهسازی انواع مختلف کاربردهای خودرویی مورد استفاده قرار میگیرد؛ پروتکلهای پخش جغرافیایی که در شبکه VANET پیشنهاد میشوند به دو دسته واکنشی۱ و پیشگیرانه۲ تقسیم میشوند، نویسندگان در [۷] این تقسیمبندی را انجام داده-اند. در روشهای واکنشی تعیین بازپخشکنندهی بعدی توسط فاز رقابت صورت میگیرد که در [۸] نویسندگان تنظیم اندازه پنجره رقابت در لایه MAC را پیشنهاد دادهاندکه خودروهای دورتر برای دسترسی به کانال اولویت داشته باشند و بتوانند بازپخشکنندهی پیام باشند. در روشهای پیش-گیرانه، انتخاب و تعیین بازپخشکنندگان قبل از انتشار صورت میگیرد و با ایجاد ستون فقرات از خودروها در شبکه این عمل محقق میشود .[۹] در طرح پیشنهادی [۱۰]، روش انتشار پیام اضطراری مبتنی بر خوشه بیان شده که از زمانبند جدیدی در آن استفاده میشود. در این طرح پس از تشکیل خوشه به صورت ساده و تعیین چندین مسیر سعی بر انتشار پیام به خوشههای دورتر شده که با محاسباتی زمانگیر همراه است. در طرحی دیگر برای انتشار پیام هشدار، هدف اصلی کاهش احتمال وقوع طوفان همهپخشی با استفاده از خوشهبندی بوده که با محدود کردن بازپخش کنندگان پیام اتفاق میافتد .[۱۱] در [۱۲] انتشار سیلآسای چندپخشی -۲جهشی مبتنی بر موقعیت مطرح شده است که به دلیل مشکلات روش انتشار سیلآسا، در طرح پیشنهادی با استفاده از موقعیت گرهها و جدول همسایگان -۲جهشی سعی بر بهینه نمودن آن شده است.

در بحث خوشهبندی و نگهداری از خوشه نیز تحقیقات بسیاری انجام شده که نشان از اهمیت و کاربرد آن در شبکه VANET دارد. یک پروتکل MAC به نام DBA-MAC در [۱۳] ارائه شده که روشی برای پشتیبانی از ارتباطات پخش جغرافیای در سناریوی بزرگراه جهت کاربردهای مختلف است. DBA-MAC شامل یک طرح خوشهبندی توزیع شده و یک مکانیزم انتشار سریع اطلاعات است. در این طرح سه پارامتر مهم برای انتخاب اعضا در نظر گرفته شده است که در نرخ و میزان تاخیر تحویلدهی پیام تاثیر دارد. در طرحی دیگر الگوریتم خوشهبندی و یک پروتکل مسیریابی سلسلهمراتبی جهت ثبات شبکه پیشنهاد شده است .[۱۴] در این طرح سه معیار سنجش ثبات در شبکه نیز ارائه شده است که عبارتند از طول عمر خوشه، طول عمر اتصال بین خوشهای و طول عمر مسیر انتها به انتها. یک روش خوشهبندی پویای چندعاملیَ در [۳] پیشنهاد شده است که پارامترهایی نظیر سرعت خودرو، جهت حرکت را نیز در نظر میگیرد. این مقاله همچنین روشی برای تشکیل مجدد خوشه در زیربخش بعدی جاده بر اساس الگوی حرکتی ارائه داده است.