[논문 리뷰] Bus Trajectory-Based Street-Centric Routing for Message Delivery in Urban Vehicular Ad hoc Networks

Gang Sun, Yijing Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 07.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)참고 문헌 29인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고정된 버스 노선을 신뢰할 수 있는 다중호프 릴레이로 활용하여 도시 내 차량 동반 네트워크(VANET)에서 버스 경로 기반의 도로 중심 라우팅(BTSC) 알고리즘을 제안한다. 도로 일관성 확률(PSC)과 경로 일관성 확률(PPC)을 모델링함으로써 고밀도, 저편차 경로를 선택하고, 개미 군집 최적화를 활용한 포워딩을 수행함으로써 기존 기법들보다 높은 전달 비율, 낮은 지연 및 더 나은 적응성을 달성한다.

ABSTRACT

This paper focuses on the routing algorithm for the communications between vehicles and places in urban VANET. As one of the basic transportation facilities in an urban setting, buses periodically run along their fixed routes and widely cover city streets. The trajectory of bus lines can be seen as a sub map of a city. Based on the characters of bus networks, we propose a bus trajectory-based street-centric routing algorithm (BTSC), which uses bus as main relay to deliver message. In BTSC, we build a routing graph based on the trajectories of bus lines by analyzing the probability of bus appearing on every street. We propose two novel concepts, i.e. the probability of street consistency (PSC) and the probability of path consistency (PPC) which is used as metrics to determine routing paths for message delivery. This aims to choose the best path with higher density of busses and lower probability of transmission direction deviating from the routing path. In order to improve the bus forwarding opportunity, we design a bus-based forwarding strategy with ant colony optimization (FACO) to find a reliable and steady multi-hop link between two relay buses in order to decrease end-to-end delay. BTSC makes the improvements in the selection of routing path and the strategy of message forwarding. Simulation results show that our proposed routing algorithm has a better performance in transmission ratio, transmission delay and adaptability to different networks.

연구 동기 및 목표

• 높은 이동성과 희박한 차량 밀도로 인한 도시 VANET에서의 메시지 전달 불안정성 문제를 해결하기 위해.
• 도시 환경에서 안정적인 통신 릴레이로 기능하는 예측 가능하고 고빈도의 버스 노선을 활용하기 위해.
• 버스 가용성과 경로 일관성에 기반해 최적의 경로를 선택하는 도로 중심 라우팅 알고리즘을 설계하기 위해.
• 개미 군집 최적화 기반의 포워딩 전략을 통해 메시지 포워딩 신뢰도를 향상시키고 종단 간 지연을 감소시키기 위해.

제안 방법

• 역사적 버스 경로 데이터를 사용하여 도로 수준의 버스 가용성을 모델링하는 라우팅 그래프를 구축하기 위해.
• 도로 세그먼트에서 일관된 버스 존재 가능성을 평가하기 위한 지표로 도로 일관성 확률(PSC)을 정의하기 위해.
• 후보 경로가 전체 버스 유량 방향과 얼마나 일치하는지 평가하기 위해 경로 일관성 확률(PPC)을 도입하기 위해.
• 릴레이 버스 간 신뢰할 수 있고 저지연 다중호프 링크를 식별하기 위해 개미 군집 최적화(FACO)를 활용한 버스 기반 포워딩 전략을 구현하기 위해.
• 더 높은 버스 밀도와 낮은 방향 편차를 가진 경로를 우선순위로 지정하기 위해 PSC와 PPC를 통합 지표로 사용하기 위해.
• 동적 경로 선택 및 적응형 포워딩을 통합하여 다양한 네트워크 조건에서 성능을 향상시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고밀도 이동성과 높은 차량 이동성이 특징인 도시 VANET에서 버스 경로를 어떻게 활용하여 라우팅 신뢰성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 도로 수준 네트워크에서 잠재적 라우팅 경로의 일관성과 신뢰성을 효과적으로 측정할 수 있는 지표는 무엇인가?
• RQ3 버스 간 다중호프 포워딩을 어떻게 최적화하여 종단 간 지연을 최소화하고 전달 성공률을 높일 수 있는가?
• RQ4 제안된 BTSC 알고리즘이 전달 비율과 지연 측면에서 기존 라우팅 기법들에 비해 어느 정도 뛰어난가?

주요 결과

• BTSC 알고리즘은 특히 높은 이동성 도시 환경에서 기존 VANET 라우팅 프rotocol보다 더 높은 메시지 전달 비율을 달성한다.
• 고밀도 버스 노선과 최적화된 포워딩 경로의 사용으로 인해 종단 간 지연가 상당히 감소한다.
• PSC와 PPC 지표의 통합은 경로 선택 정확도를 향상시켜 더 안정적이고 예측 가능한 라우팅 성능을 이끌어낸다.
• FACO 기반 포워딩 전략은 방향 편차가 최소화되고 버스 가용성이 높은 다중호프 경로를 선택함으로써 신뢰도를 향상시킨다.
• 알고리즘은 다양한 도시 네트워크 구조와 교통 조건에서 강력한 적응성을 보여준다.
• 시뮬레이션 결과는 BTSC가 전달 비율과 지연 측면에서 기존 기법들을 뛰어넘는 것으로 확인되었으며, 특히 차량 밀도가 낮은 조건에서 두드러진다.