[发明专利]VANET中延时界限条件下的路边基站最优部署方法

摘要

本发明提出一种VANET中延时界限条件下的路边基站最优部署方法，通过道路图及延时界限图的定义，将路边基站有线部署问题转化为二部图的最小点覆盖级问题；通过全覆盖路边基站的定义，将路边基站无线部署问题转化为线性规划问题；证明最优路边基站问题是NP难问题，从而给出路边基站有线部署和路边基站无线部署的近似算法。本发明方法简单、执行效率高，适用于车联网环境中的基站部署，从而有效提高车辆收到消息的概率。

主权项

1.一种VANET中延时界限条件下的路边基站最优部署方法，其特征在于，包括以下步骤：一、首先定义目标为给定延时界限T，如何最优的部署路边基站，保证紧急消息在T时间内传播的车联网内的所有节点；二、定义道路图G=(V,E),图中点集为V={v₁,v₂,…,v_m},v_i表示所有部署的候选节点，数量为m，i的取值为1,2…m；边集为E={e₁,e₂,…,e_n}，e_j表示道路集合，数量为n，j的取值为1,2…n，其中每条边的权值e(v_i,v_j)为消息在该道路传播的延时d_ij；三、定义D_ij为将消息从任意两个候选部署的路边基站节点广播到其他车辆节点的最坏情况下的传播时间；四、定义路边基站的扩展点覆盖集为ECV_T(v_x)，当延时界限T给定，消息从一个路边基站v_x传播到其他的路边基站，满足以下公式，ECVT(vx)={vi|Dxi≤T;∀vi∈V}]]>其中，D_xi是消息从路边基站v_x传播到其他的路边基站v_i的传播时间；如果传播时间小于延时界限T，则路边基站v_i为路边基站v_x的扩展点覆盖集ECV_T(v_x)中的一个元素；五、定义路边基站v_x的扩展边覆盖集为ECE_T(v_x)，满足以下公式，ECET(vx)={e(vi,vj)|vi∈ECVT(vx)^vj∈ECET(vx)^e(vi,vj)∈E;∀vi,vj∈V}]]>其中，路边基站v_i和v_j是路边基站v_x的扩展点覆盖集ECV_T(v_x)中的两个元素，且边e(v_i,v_j)在道路图E(G)的边集里，则边e(v_i,v_j)为路边基站v_x的扩展边覆盖集为ECE_T(v_x)中的一个元素；六、定义延时界限图为无向二部图G’=(V’,E’),其中点集为V’=V∪V2，点集V为所有候选部署基站的点集，即V={v₁,v₂,…,v_m}，点集V2={v_e1,v_e2,…v_en}为道路图的所有边所构成的点集；边集E’中的边e’(v_i,v_ej)表示如果满足在延时界限T下，顶点v_i能覆盖边e_j，满足以下公式，E′={e′(vi,vj)|ej∈ECVT(i);∀vi∈V,vej∈V2}]]>其中，如果边e_j是路边基站v_i的扩展边覆盖集ECE_T(i)中的元素，则边e’(v_i,v_ej)为边集E’中的一个元素；七、定义全覆盖路边基站集合，对于路边基站无线连接的情况，对于集合R'={v₁,v₂,,…,v_k}中的任意路边基站v_i和v_j，满足以下公式，Dij≤T,∀vi,vj∈R′]]>其中，全覆盖路边基站集合R'中的任意两个路边基站v_i和v_j满足消息从路边基站v_i传播到其他的路边基站v_j的传播时间D_ij小于延时界限T；八、针对路边基站有线连接情况，采用近似算法，求得最优部署路边基站集合；针对路边基站无线连接，提出路边基站无线连接部署算法，求得最优部署路边基站集合；所述针对路边基站有线连接情况采用的近似算法实现过程如下，R用来记录候选路边基站集合，T为延时界限，R’为最优路边基站部署集合，执行以下子步骤，步骤1，输入候选路边基站集合R，延时界限T，转到步骤2；步骤2，计算路边基站i到路边基站j的信息传播延时D_ij，转到步骤3；步骤3，判断路边基站v_i是否属于候选路边基站集合R，如果是，则计算v_i的扩展点覆盖集ECV_T(v_i)和扩展边覆盖集ECE_T(v_i)，转步骤4；否则，转到步骤5；步骤4，将i赋值为i+1，转步骤3；步骤5，初始化最优路边基站部署集合R’为空，转到步骤6；步骤6，判断候选路边基站集合R是否不为空，如果不为空，则计算最优部署节点v_best=max{ECE_T(v_i)}，将选择的最优部署节点v_best添加到最优路边基站部署集合R’中，即R’=R’∪{v_best}；接着，从候选路边基站集合R中取出v_best的扩展点覆盖的节点，即R=R\ECV_T(v_best)，直到候选路边基站集合R为空；如果候选路边基站集合R为空，输出最优路边基站部署集合R’，结束；针对路边基站无线连接提出的路边基站无线连接部署算法包括第1阶段流程和第2阶段流程，第1阶段流程实现过程如下，R用来记录候选路边基站集合，T为延时界限，R’’为子最优路边基站部署集合，Ω为子最优路边基站部署集合的集合，执行以下子步骤，步骤1，输入候选路边基站集合R，延时界限T，转到步骤2；步骤2，计算路边基站i到路边基站j的信息传播延时D_ij，转到步骤3；步骤3，判断路边基站v_i是否属于候选路边基站集合R，如果是，则计算v_i的扩展点覆盖集ECV_T(v_i)和扩展边覆盖集ECE_T(v_i)，转到步骤4；否则，转到步骤5；步骤4，将i赋值为i+1，转步骤3；步骤5，初始化集合Ω的内容为空，即初始化集合Ψ的内容为候选路边基站集合R，即Ψ=R，转到步骤6；步骤6，判断集合Ψ是否不等于空，如果是，则初始化子最优路边基站部署集合R’’为空，转到步骤7；否则，输出最优路边基站部署集合的集合Ω，算法结束；步骤7，判断候选路边基站集合R是否不为空，如果不为空，则计算最优部署节点v_best=max{ECE_T(v_i)}，将选择的最优部署节点v_best添加到子最优路边基站部署集合R’’中，即R’’=R’’∪{v_best}；接着，从候选路边基站集合R中取出v_best的扩展点覆盖的节点，即R=R\ECV_T(v_best)，直到候选路边基站集合R为空；如果候选路边基站集合R为空，转到步骤8；步骤8，将选择的最优部署节点v_best从集合Ψ中去掉，即Ψ=Ψ\v_best，将子最优路边基站部署集合R’’添加到集合Ω中，即Ω=Ω∪R’’，转到步骤6；第2阶段流程实现过程如下，Ω为子最优路边基站部署集合的集合，T为延时界限，R’’为子最优路边基站部署集合，R_opt为无线连接部署算法的最优部署集合，执行以下子步骤，步骤1，输入子最优路边基站部署集合的集合Ω，延时界限T，转到步骤2；步骤2，判断子最优路边基站部署集合R’’是否属于集合Ω，如果是，则转到步骤3；否则，转到步骤7；步骤3，判断路边基站v_i和v_j否属于子最优路边基站部署集合R’’，如果是，转到步骤4；否则，转到步骤2；步骤4，计算路边基站i到路边基站j的信息传播延时D_ij，转到步骤5；步骤5，判断D_ij是否小于延时界限T，如果是，转到步骤6；否则，转到步骤3；步骤6，将子最优路边基站部署集合R’’从集合Ω中取出，即Ω=Ω\R’’，然后转到步骤2；步骤7，初始化无线连接部署算法的最优部署集合R_opt，将R_opt赋值为子最优路边基站部署集合R’’，即R_opt=R’’，转到步骤8；步骤8，判断子最优路边基站部署集合R’’是否属于集合Ω，如果是，转步骤9；否则，输出R_opt，算法结束；步骤9，判断子最优路边基站部署集合R’’的节点数目是否小于等于最优部署集合R_opt的节点数目，即|R''|<=|R_opt|，如果是，将最优部署集合R_opt赋值为子最优路边基站部署集合R’’，即R_opt=R’’，转到步骤8，如果否则直接转到步骤8。