专利名称：一种用于车载Ad hoc网络中部署服务节点的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于车载Ad hoc网络中部署服务节点的方法，属于移动通信技术 领域。
背景技术：
由装备无线收发装置的车辆组成的车载Ad Hoc网络(VANET，vehicle ad hoc networks)是一种特殊的自组织移动Ad Hoc网络。近年来，使用车载网络进行车辆间通信 的研究和应用逐渐成为一个研究热点。典型的车载Ad Hoc网络应用可以分为安全类应用 和舒适类应用。第一类用以提供车辆行使的安全性，后者用以提高乘客的舒适度。车载Ad Hoc网络具有不同于普通Ad hoc网络的特点，由于车辆的高速移动以及街道障碍物阻挡等 原因，导致网络分割现象更加严重。因此车载Ad Hoc网络中服务节点的部署问题非常重 要，本发明中的服务节点可以是提供Internet接入服务的节点，也可以是进行数据包辅助 转发的中继节点。在市场培育的初期，通过在车载Ad Hoc网络中部署服务节点不仅可以提 高用户感知度，还能够提供接入Internet等服务。良好部署的服务节点可以为网络用户提 供更好的服务。关于节点的部署问题，无线传感器网络中有很多的研究。但车载Ad Hoc网络和无 线传感器网络中的节点部署是不同的1、车载Ad Hoc网络潜在的大规模性。一般无线传感器网络部署的空间比较小，而 车载Ad Hoc网络部署范围可以从一个城市到多个城市进行扩展。2、一般传感器网络中节点部署需要把所有的需要检测区域进行全覆盖，或者可靠 性要求更高的情况要求η覆盖。车载Ad Hoc网络潜在的大规模决定了不能全覆盖。同时 车载网络中车辆节点可以作为通信节点，具有一定的盲区没有关系，车辆节点之间可以通 过多跳转发的方式接入服务节点。为了论述方便，对本发明中所涉及到的术语解释如下1、直接覆盖服务节点Iiode2在另外一个服务节点Iiode1的通信半径内，称之为服 务节点Iiode1直接覆盖服务节点Iiode2。2、扩展覆盖车载Ad Hoc网络可以通过多跳进行数据转发，若服务节点Iiode2不 在服务节点Iiode1的通信范围内，但服务节点Iiode1可以通过多跳转发的方式覆盖到服务节 点Iiode2，称之为服务节点Iiode1扩展覆盖服务节点node2。目前，针对车载Ad Hoc网络的上述特点，如何能在满足一定网络扩展覆盖概率的 情况下，使车载Ad Hoc网络所需的服务节点个数最小化，从而能节省投资成本？是一个需 要解决的重要的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于车载Ad hoc网络中部署服务节点的方 法，能在满足一定网络扩展覆盖概率的情况下，使车载Ad hoc网络所需的服务节点个数最
6小化。为了达到上述目的，本发明提供了一种用于车载Ad hoc网络中部署服务节点的方 法，包含有步骤A、把城市的道路环境建模为无向图G = G(V, E)，在该无向图G中，端点集V 是道路岔路口的集合，边集E是街道的集合，端点集V中的第i个岔路口 Vi和第j个岔路 口、之间的街道记为边集E中的一条街道、；步骤B、设置服务节点群组Z 恥，…，HM}，并对服务节点群组Z中的每个服务节 点群Hi :{Sn，…，SiJ进行初始化，其中，服务节点群组Z的规模参数M根据实际需要设置 为一自然数，服务节点群H”…、Hm分别是当服务节点设置于不同的初始位置时，无向图G 上部署的所有服务节点的位置集合；SU是服务节点群组Z中的第i个服务节点群Hi的第j 个服务节点的位置；N是全面覆盖车载Ad Hoc网络的最小服务节点数；步骤C、对服务节点群组Z的所有服务节点群所包含的服务节点位置进行优化更新， 寻找服务节点群组ζ的最优节点群组gbest，并在对所述最优节点群组gbest的服务节点的 位置进行修正后，按照修正后的有效服务节点位置，在城市街道上部署相应的服务节点。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明针对车载Ad Hoc网络的特点，可 以在较短的时间内找到最优服务节点的部署位置，从而能在满足一定网络扩展覆盖概率的 情况下，使服务节点个数最小化，从而节省投资成本。
图1是本发明一种适应于城市环境的车载Ad hoc网络中部署服务节点的方法的 流程图。图2是当服务节点群Hi受限的方式进行初始化时，在无向图G中的某条街道eij上
「Ik ΙΠ
部署^fi +1个服务节点的具体操作流程图。 2 Lth图3是图1步骤C的具体操作流程图。图4是图3步骤Cl的公式(4)中，被覆盖的街道的物理长度.的确定方法
k=\
流程图。图5是图4步骤C14的具体操作流程图。 图6是图3步骤C4中，根据最优节点群pbest (Hi)和最优节点群组gbest，对服务 节点群Hi包含的服务节点位置进行更新的具体操作流程图。图7是图3步骤C4和步骤C5中，对服务节点群Hi或最优节点群组gbest中的一 个服务节点的位置Su进行修正的具体操作流程图。图8是本发明仿真实验的实施例的网络场景和服务节点位置部署示意图。图9是一次计算中覆盖率、服务节点数目和适应值的随迭代次数的变化曲线。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。如图1所示，本发明是一种适应于城市环境的车载Ad hoc网络中部署服务节点的 方法，该方法包括下列操作步骤步骤A、把城市的道路环境建模为无向图G = G(V, E)，在该无向图G中，端点集V 是道路岔路口的集合，边集E是街道的集合，端点集V中的第i个岔路口 Vi和第j个岔路 口、之间的街道记为边集E中的一条街道eu。车辆在无向图G中的移动是沿着边集E中的一条街道从端点集V的一个道路 岔路口 Vi移动到另一个道路岔路口 Vj。由于城市中道路边的障碍物对分布在街道上的服 务节点和车辆节点之间的通信影响最小，所以本发明中的服务节点都部署在无向图G的边 集E的街道上。步骤B、设置服务节点群组Z 恥，-,HJ，并对服务节点群组Z中的每个服务节点 群Hi :{Sn，…，SiJ进行初始化，其中，服务节点群组Z的规模参数M可根据实际需要设置 为一自然数；由于无向图G上服务节点的初始位置可以随机选取，所述服务节点群H1、…、 Hm分别是当服务节点设置于不同的初始位置时，无向图G上部署的所有服务节点的位置集 合；SU服务节点群组Z中的第i个服务节点群Hi的第j个服务节点的位置；在初始化时， 每个服务节点群Hi均包含有N个服务节点，N是全面覆盖车载Ad Hoc网络的最小服务节点 数。步骤C、对服务节点群组Z的所有服务节点群所包含的服务节点位置进行优化更 新，寻找服务节点群组Z的最优节点群组gbest，并在对所述最优节点群组gbest的服务节 点的位置进行修正后，按照修正后的有效服务节点位置，在城市街道上部署相应的服务节
点ο
所述步骤B中，可按照下述公式(1)计算全面覆盖车载Ad Hoc网络的最小服务节
点数N
权利要求
一种用于车载Ad hoc网络中部署服务节点的方法，其特征在于，包含有步骤A、把城市的道路环境建模为无向图G＝G(V，E)，在该无向图G中，端点集V是道路岔路口的集合，边集E是街道的集合，端点集V中的第i个岔路口vi和第j个岔路口vj之间的街道记为边集E中的一条街道eij；步骤B、设置服务节点群组Z{H1，…，HM}，并对服务节点群组Z中的每个服务节点群Hi{Si1，…，SiN}进行初始化，其中，服务节点群组Z的规模参数M根据实际需要设置为一自然数，服务节点群H1、…、HM分别是当服务节点设置于不同的初始位置时，无向图G上部署的所有服务节点的位置集合；Sij是服务节点群组Z中的第i个服务节点群Hi的第j个服务节点的位置；N是全面覆盖车载Ad Hoc网络的最小服务节点数；步骤C、对服务节点群组Z的所有服务节点群所包含的服务节点位置进行优化更新，寻找服务节点群组Z的最优节点群组gbest，并在对所述最优节点群组gbest的服务节点的位置进行修正后，按照修正后的有效服务节点位置，在城市街道上部署相应的服务节点。
2.如权利要求1所述的用于车载Adhoc网络中部署服务节点的方法，其特征在 于，所述步骤B中，按照下述公式计算全面覆盖车载Ad Hoc网络的最小服务节点数N
3.如权利要求2所述的用于车载Ad hoc网络中部署服务节点的方法，其特征在于，步 骤B中，对服务节点群组Z中的每个服务节点群Hi :{Sn，…，SiN}分别采取随机或受限的方 式进行初始化，设置随机初始化比例值α，α是根据系统需要在区间W，l]范围内选择的 一个实数，然后从服务节点群组Z中选择MX α个服务节点群采取随机的方式进行初始化， 其余的MX (1-α)个服务节点群按全面扩展覆盖车载Ad Hoc网络的方法采取受限的方式 进行初始化；当服务节点群Hi是随机的方式进行初始化时，则将Hi中的N个服务节点随机部署在无 向图G的街道上；当服务节点群Hi是受限的方式进行初始化时，则分别在无向图G中的各IM条街道上部署2L·-I个服务节点,
4.如权利要求3所述的用于车载Ad hoc网络中部署服务节点的方法，其特征在于，当服务节点群Hi是受限的方式进行初始化时，在无向图G中的一条街道上部署
5.如权利要求2所述的用于车载Adhoc网络中部署服务节点的方法，其特征在于，所 述步骤C进一步包括有步骤Cl、按照下述适应值的公式，计算每个服务节点群Hi的适应值f (Hi)，并将所述服 务节点群Hi的适应值f (Hi)和对应的服务节点位置集合存储于所述服务节点群Hi的优化 记录中f0g = ο Qf(N-Ii) Q2,其中，σ代表覆盖率，η为服务节点群Hi所包含的有效服务 节点数，其初始值为N，QpQ2是适应值调整参数，可以根据系统实际需要分别设置为大于零 的实数；步骤C2、分别从每个服务节点群Hi的优化记录中，寻找所述服务节点群Hi的最大适应 值f (Hi),并设置所述服务节点群Hi的最优节点群pbest (Hi)为其优化记录中最大适应值 f (Hi)对应的服务节点位置集合；步骤C3、查找服务节点群组Z的所有服务节点群的优化记录，寻找所有服务节点群的 优化记录中的最大适应值，并设置服务节点群组Z的最优节点群组gbest为所有服务节点 群优化记录中的最大适应值对应的服务节点位置集合；步骤C4、判断是否达到系统预设的完成条件？如果否，则根据所有服务节点群的最优 节点群和服务节点群组Z的最优节点群组，对服务节点群组Z中的所有服务节点群包含的 服务节点位置进行更新，并对更新后的所有服务节点群的所有服务节点的位置进行修正， 然后转向步骤Cl ；如果是，则继续下一步骤C5 ；步骤C5、对最优节点群组gbest中的所有服务节点的位置进行修正，并根据所述最优 节点群组gbest中的有效服务节点位置，在城市街道上部署相应的服务节点。
6.如权利要求5所述的用于车载Adhoc网络中部署服务节点的方法，其特征在于，所述步骤Cl中，按照下述覆盖率的公式计算覆盖率σ
7.如权利要求6所述的用于车载Adhoc网络中部署服务节点的方法，其特征在于，所 述步骤Cl中，服务节点群Hi所包含的有效服务节点分别记为hn、…、hin，被服务节点群Hi的所有有效服务节点覆盖的街道的物理长度ClA的计算方法如下Zc=I步骤Cll、建立未覆盖街道集S (Hi),并初始化设置S (Hi) =E，即未覆盖街道集S (Hi)初 始化时包含有边集E中的所有街道；步骤C12、依次提取服务节点群Hi的一个有效服务节点；步骤C13、计算所述有效服务节点的扩展覆盖区域即以所述有效服务节点的位置为 圆心，以服务节点的扩展覆盖距离Lth为半径的圆形区域；步骤C14、将所述有效服务节点的扩展覆盖区域和未覆盖街道集S(Hi)中的每个街道段 逐一进行比较，将在所述有效服务节点的扩展覆盖区域内的街道段从未覆盖街道集S (Hi) 中去除；步骤C15、判断服务节点群印中是否还有未提取的有效服务节点？如果是，则提取下一 个有效服务节点，并转向步骤C13 ；如果否，则转向下一步骤C16 ；步骤C16、计算被服务节点群Hi的所有有效服务节点覆盖的街道的物理长度ClA 即 边集E中的所有街道的物理长度总和减去未覆盖街道集S (Hi)中所有街道段的物理长度总 和所得到的差值。
8.如权利要求7所述的用于车载Adhoc网络中部署服务节点的方法，其特征在于，所 述步骤C14进一步包括有步骤1、从未覆盖街道集S(Hi)中提取一个街道段；步骤2、判断所述街道段的两个端点是否都在所述有效服务节点的扩展覆盖区域内？ 如果是，则将所述街道段从未覆盖街道集S(Hi)中去除，转向步骤5 ；如果否，则继续下一步 骤3 ；步骤3、判断所述街道段是否有一个端点在所述有效服务节点的扩展覆盖区域内？如 果是，则修改所述街道段的所述端点值，将所述街道段在所述有效服务节点的扩展覆盖区 域内的部分街道去除，转向步骤5 ；如果否，则继续下一步骤4 ；步骤4、判断所述街道段是否有部分街道在所述有效服务节点的扩展覆盖区域内？如 果是，则将在所述有效服务节点的扩展覆盖区域内的部分街道从所述街道段上去除，并将 去除部分街道后形成的两个小街道段替代未覆盖街道集S(Hi)中的原街道段，转向步骤5 ； 如果否，则继续下一步骤5 ；步骤5、判断未覆盖街道集S(Hi)中是否还有未提取的街道段？如果是，则继续从未覆 盖街道集S(Hi)中提取下一个街道段，转向步骤2 ；如果否，则本流程结束。
9.如权利要求5所述的用于车载Adhoc网络中部署服务节点的方法，其特征在于，所 述步骤C4中，根据一个服务节点群Hi的最优节点群Pbest(Hi)和最优节点群组gbest，对服务节点群Hi包含的服务节点位置进行更新，进一步包括有步骤C41、将服务节点群Hi中所有服务节点的位置Sil，…，SiN构成一个N维的向 量，即服务节点位置向量X(Hi) = (Sil, Si2-, SiN)T，同时还将服务节点群印的最优节点 群pbest (Hi)和最优节点群组gbest也分别构建成相应的N维向量，即最优节点群向量 PBEST(Hi)和最优节点群组向量GBEST ；步骤C42、判断所述服务节点群Hi的优化记录中是否保存有对应的优化速度向量V(Hi) =(vn, Vi2-, viN)T 如果是，则转向下一步骤C43 ；如果否，则设置优化速度向量V(Hi)= (Vil, Vi2-, viN)T，并对V(Hi)中的每个优化速度变量进行初始化，所述优化速度变量的两个 分量Vx、Vy分别初始化设置为区间[ο, T^]、[Q, 〗范围内的一个数值，其中XpYe分别 是无向图G在χ、y方向上的区域宽度，同时将初始化后的优化速度向量V(Hi)保存在服务 节点群Hi的优化记录中，转向下一步骤C43 ；步骤C43、根据下述优化速度的更新计算公式，计算更新后的优化速度向量V' (Hi),并 用更新后的优化速度向量V' (Hi)替代服务节点群Hi的优化记录中所保存的优化速度向量 V' (Hi) :V' (Hi) =CtlXV(Hi)+C1X (PBEST (Hi)-X (Hi))+C2 X (GBEST-X(Hi)),其中 c。是惯性 权重，C1和C2是加速因子，C(1、Cl* C2可分别设置为区间W，l]范围内的实数；步骤C44、根据下述服务节点位置的更新计算公式，计算更新后的服务节点位置向量 X' (Hi) =X' (Hi) =X(Hi)+V' (Hi),并将服务节点群Hi包含的服务节点位置更换为更新 后的服务节点位置向量X' (Hi)中的服务节点位置。
10.如权利要求5所述的用于车载Ad hoc网络中部署服务节点的方法，其特征在于，所 述步骤C4和步骤C5中，对服务节点群Hi或最优节点群组gbest中的一个服务节点的位置 Sij进行修正，进一步包括有步骤(1)、从服务节点群Hi或最优节点群组gbest中提取一个服务节点的位置Su ； 步骤(2)、判断Sij是否在无向图G的边集E的街道上？如果是，则所述服务节点标记 为有效服务节点，本流程结束；如果否，则继续下一步骤(3)；步骤(3)、判断Su是否在无向图G的内部区域中？如果是，则所述服务节点标记为有 效服务节点，比较Su到边集E的所有街道的最短距离，从中选取最短距离最小值所对应的 一条街道，并在所述选取的街道上找到一个距离所述服务节点最近的位置Si/,将Sij修正 成Si/ ；如果否，则所述服务节点标记为无效服务节点。
全文摘要
一种用于车载Ad hoc网络中部署服务节点的方法，包括有把城市的道路环境建模为无向图G＝G(V，E)；设置服务节点群组Z{H1，…，HM}，并对服务节点群组Z中的每个服务节点群Hi{Si1，…，SiN}进行初始化；对服务节点群组Z的所有服务节点群所包含的服务节点位置进行优化更新，寻找服务节点群组Z的最优节点群组gbest，并在对所述最优节点群组gbest的服务节点的位置进行修正后，按照修正后的有效服务节点位置，在城市街道上部署相应的服务节点。本发明属于移动通信技术领域，能在满足一定网络扩展覆盖概率的情况下，在较短的时间内找到最优服务节点的部署位置，从而使服务节点个数最小化，从而节省投资成本。
文档编号H04W16/18GK101977241SQ20101054661
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月15日 优先权日2010年11月15日
发明者廖建新, 张乐剑, 张磊, 徐童, 朱晓民, 李元振, 李彤红, 李炜, 樊利民, 沈奇威, 王晶, 王纯, 程莉 申请人:北京邮电大学