tuzsutТруды учебных заведений связиProceedings of Telecommunication Universities1813-324X2712-8830СПбГУТ10.31854/1813-324X-2023-9-1-14-23tuzsut-435Research ArticleКОМПЬЮТЕРНЫЕ НАУКИ И ИНФОРМАТИКАCOMPUTER SCIENCE AND INFORMATICSЧисленный анализ математической модели кластерной V2X-системыNumerical Analysis of the Mathematical Model of a Cluster V2X-Systemhttps://orcid.org/0000-0001-8869-6142ПлотниковП. В.PlotnikovP.

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры высшей математики Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

St. Petersburg, Russian Federation

pavplot@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8852-5607ВладыкоА. Г.VladykoA.

кандидат технических наук, доцент, декан факультета фундаментальной подготовки Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

St. Petersburg, Russian Federation

vladyko@sut.ruСанкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-БруевичаРоссияThe Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of TelecommunicationsRussian Federation202309032023911423Copyright © Плотников П.В., Владыко А.Г., 20232023Плотников П.В., Владыко А.Г.Plotnikov P., Vladyko A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/435

В статье проводится анализ результатов численного моделирования информационных процессов в автомобильных самоорганизующихся сетях (VANETs). Приведен обзор работ, посвященных кластеризации и кэшированию данных при работе с Vehicle-to-Everything (V2X) системами. В качестве метрики выбрана L1-метрика из-за ее активного использования в городах с современной застройкой. Рассмотрены два подхода к описанию и оценке эффективности взаимодействия граничных устройств в традиционной конфигурации и с использованием кластерной схемы с общим кэшем. Построена математическая модель и проведен анализ ее эффективности. Показано, что внедрение новых стандартов IEEE 802.11bd позволит увеличить долю обслуженных устройств, тем самым будет сокращена общая задержка вычислений, что позволит повысить эффективность работы V2X-системы. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании и развертывании автоматизированых систем управления дорожным движением в городах.

The article analyzes the results of numerical modeling of information processes in vehicular ad-hoc networks (VANETs). The review of works devoted to clustering and data caching schemes in Vehicle-to-Everything (V2X) systems is given. L1-metric was chosen as a metric because of its active use in cities with modern layout. Two approaches to the description and evaluation of the efficiency of interaction of boundary devices in a traditional configuration and using a cluster scheme with a shared cache are considered. A mathematical model is constructed and an analysis of its effectiveness is carried out. It is shown that the introduction of new IEEE 802.11bd standards will increase the percentage of serviced devices, thereby minimize the overall delay of computing, which will improve the efficiency of the V2X-system. The results of the study can be used in the design and deployment of automated traffic control systems in cities.

VANETкластеризацияV2X-системычисленное моделированиеVANETclustering techniquesV2X-systemsnumerical simulationReferencesCisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015–2020. White Paper. San Jose: Cisco, 2016.Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015–2020. White Paper. San Jose: Cisco; 2016.Abbas N., Zhang Y., Taherkordi A., Skeie T. Mobile Edge Computing: A Survey // IEEE Internet of Things Journal. 2018. Vol. 5. Iss. 1. PP. 450‒465. DOI:10.1109/JIOT.2017.2750180Abbas N., Zhang Y., Taherkordi A., Skeie T. Mobile Edge Computing: A Survey. IEEE Internet of Things Journal. 2018;5(1):450‒465. DOI:10.1109/JIOT.2017.2750180Brehon-Grataloup L., Kacimi R., Beylot A.L. Mobile edge computing for V2X architectures and applications: A survey // Computer Networks. 2022. Vol. 206. P. 108797. DOI:10.1016/j.comnet.2022.108797Brehon-Grataloup L., Kacimi R., Beylot A.L. Mobile edge computing for V2X architectures and applications: A survey. Computer Networks. 2022;206:108797. DOI:10.1016/j.comnet.2022.108797Vladyko A., Khakimov A., Muthanna A., Ateya A.A., Koucheryavy A. Distributed Edge Computing to Assist Ultra-Low-Latency VANET Applications // Future Internet. 2019. Vol. 11. Iss. 6. P. 128. DOI:10.3390/fi11060128Vladyko A., Khakimov A., Muthanna A., Ateya A.A., Koucheryavy A. Distributed Edge Computing to Assist Ultra-Low-Latency VANET Applications. Future Internet. 2019;11(6):128. DOI:10.3390/fi11060128Vladyko A., Elagin V., Spirkina A., Muthanna A., Ateya A.A. Distributed Edge Computing with Blockchain Technology to Enable Ultra-Reliable Low-Latency V2X Communications // Electronics. 2022. Vol. 11. Iss. 2. P. 173. DOI:10.3390/electronics11020173Vladyko A., Elagin V., Spirkina A., Muthanna A., Ateya A.A. Distributed Edge Computing with Blockchain Technology to Enable Ultra-Reliable Low-Latency V2X Communications. Electronics. 2022;11(2):173. DOI:10.3390/electronics11020173Плотников П.В., Владыко А.Г. Минимизация задержек при взаимодействии граничных устройств с использованием кластеризации в сетях VANETs // Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 2. С. 6‒13. DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-2-6-13Plotnikov P., Vladyko A. Minimizing delays in the interaction of edge devices using clustering in VANETs. Proc. of Telecom. Universities. 2022;8(2):6‒13. (in Russ.) DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-2-6-13Аль-Свейти М.А.М., Волков А.Н., Мутханна А.С.А. Проблемы и требования для реализации технологии V2X // Информационные технологии и телекоммуникации. 2020. Т. 8. № 3. С. 20–26. DOI:10.31854/2307-1303-2020-8-3-20-26Al-Sweity M.A.M., Volkov A., Muthanna A. Challenges and Requirements for Implementing V2X Technology // Telecom IT. 2020;8(3):20–26. (In Russ.) DOI:10.31854/2307-1303-2020-8-3-20-26Dziyauddin R.A., Niyato D., Luong N.C., Izhar M.A.M., Hadhari M., Daud S. Computation Offloading and Content Caching Delivery in Vehicular Edge Computing: A Survey // Computer Networks. 2021. Vol. 197. P. 108228. DOI:10.1016/j.comnet.2021.108228Dziyauddin R.A., Niyato D., Luong N.C., Izhar M.A.M., Hadhari M., Daud S. Computation Offloading and Content Caching Delivery in Vehicular Edge Computing: A Survey. Computer Networks. 2021;197:108228. DOI:10.1016/j.comnet.2021.108228You C., Huang K., Chae H., Kim B.H. Energy-Efficient Resource Allocation for Mobile-Edge Computation Offloading // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2017. Vol. 16. Iss. 3. PP. 1397‒1411. DOI:10.1109/TWC.2016.2633522You C., Huang K., Chae H., Kim B.H. Energy-Efficient Resource Allocation for Mobile-Edge Computation Offloading. IEEE Transactions on Wireless Communications. 2017;16(3):1397‒1411. DOI:10.1109/TWC.2016.2633522Ren J., Yu G. He Y., Li G.Y. Collaborative Cloud and Edge Computing for Latency Minimization // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2019. Vol. 68. Iss. 5. PP. 5031‒5044. DOI:10.1109/TVT.2019.2904244Ren J., Yu G. He Y., Li G.Y. Collaborative Cloud and Edge Computing for Latency Minimization. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2019;68(5):5031‒5044. DOI:10.1109/TVT.2019.2904244Chen X., Jiao L., Li W., Fu X. Efficient Multi-User Computation Offloading for Mobile-Edge Cloud Computing // IEEE/ACM Transactions on Networking. 2016. Vol. 24. Iss. 5. PP. 2795‒2808. DOI:10.1109/TNET.2015.2487344Chen X., Jiao L., Li W., Fu X. Efficient Multi-User Computation Offloading for Mobile-Edge Cloud Computing. IEEE/ACM Transactions on Networking. 2016;24(5):2795‒2808. DOI:10.1109/TNET.2015.2487344Bernardini C., Silverston T., Festor O. MPC: Popularity-based caching strategy for content centric networks // Proceedings of the International Conference on Communications (ICC, Budapest, Hungary, 09‒13 June 2013). IEEE, 2013. PP. 3619–3623. DOI:10.1109/ICC.2013.6655114Bernardini C., Silverston T., Festor O. MPC: Popularity-based caching strategy for content centric networks. Proceedings of the International Conference on Communications, ICC, 09‒13 June 2013, Budapest, Hungary. IEEE; 2013. p.3619–3623. DOI:10.1109/ICC.2013.6655114Perabathini B., Baştuğ E., Kountouris M., Debbah M., Conte A. Caching at the edge: A green perspective for 5G networks // Proceedings of the International Conference on Communication Workshop (ICCW, London, UK, 08‒12 June 2015). IEEE, 2015. PP. 2830–2835. DOI:10.1109/ICCW.2015.7247608Perabathini B., Baştuğ E., Kountouris M., Debbah M., Conte A. Caching at the edge: A green perspective for 5G networks. Proceedings of the International Conference on Communication Workshop, ICCW, 08‒12 June 2015, London, UK. IEEE; 2015. p.2830–2835. DOI:10.1109/ICCW.2015.7247608Mahmood A., Casetti C., Chiasserini C.F., Giaccone P., Harri J. Mobility-aware edge caching for connected cars // Proceedings of the 12th Annual Conference on Wireless On-demand Network Systems and Services (WONS, Cortina d'Ampezzo, Italy, 20‒22 January 2016). IEEE, 2016. PP. 1–8.Mahmood A., Casetti C., Chiasserini C.F., Giaccone P., Harri J. Mobility-aware edge caching for connected cars. Proceedings of the 12th Annual Conference on Wireless On-demand Network Systems and Services, WONS, 20‒22 January 2016, Cortina d'Ampezzo, Italy. IEEE; 2015. p.1–8.Garetto M., Leonardi E., Traverso S. Efficient analysis of caching strategies under dynamic content popularity // Proceedings of the Conference on Computer Communications (INFOCOM, Hong Kong, China, 26 April 2015‒01 May 2015). IEEE, 2015. PP. 2263–2271. DOI:10.1109/INFOCOM.2015.7218613Garetto M., Leonardi E., Traverso S. Efficient analysis of caching strategies under dynamic content popularity. Proceedings of the Conference on Computer Communications, INFOCOM, 26 April 2015‒01 May 2015, Hong Kong, China. IEEE; 2015. p.2263–2271. DOI:10.1109/INFOCOM.2015.7218613Poularakis K., Iosifidis G., Sourlas V., Tassiulas L. Exploiting Caching and Multicast for 5G Wireless Networks // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2016. Vol. 15. Iss. 4. PP. 2995–3007. DOI:10.1109/TWC.2016.2514418Poularakis K., Iosifidis G., Sourlas V., Tassiulas L. Exploiting Caching and Multicast for 5G Wireless Networks. IEEE Transactions on Wireless Communications. 2016;15(4):2995–3007. DOI:10.1109/TWC.2016.2514418Golrezaei N., Molisch A.F., Dimakis A.G., Caire G. Femtocaching and device-to-device collaboration: A new architecture for wireless video distribution // IEEE Communications Magazine. 2013. Vol. 51. Iss. 4. PP. 142–149. DOI:10.1109/MCOM.2013.6495773Golrezaei N., Molisch A.F., Dimakis A.G., Caire G. Femtocaching and device-to-device collaboration: A new architecture for wireless video distribution. IEEE Communications Magazine. 2013;51(4):142–149. DOI:10.1109/MCOM.2013.6495773Abuelenin S.M., Abul-Magd A.Y., Empirical study of traffic velocity distribution and its effect on VANETs connectivity // Proceedings of the International Conference on Connected Vehicles and Expo (ICCVE, Vienna, Austria, 03‒07 November 2014). IEEE, 2014. PP. 391‒395. DOI:10.1109/ICCVE.2014.7297577Abuelenin S.M., Abul-Magd A.Y., Empirical study of traffic velocity distribution and its effect on VANETs connectivity. Proceedings of the International Conference on Connected Vehicles and Expo, ICCVE, 03‒07 November 2014, Vienna, Austria). IEEE; 2014. p.391‒395. DOI:10.1109/ICCVE.2014.7297577Ma J., Wang J., Fan P. A Cooperation-Based Caching Scheme for Heterogeneous Networks // IEEE Access. 2017. Vol. 5. PP. 15013‒15020. DOI:10.1109/ACCESS.2016.2644980Ma J., Wang J., Fan P. A Cooperation-Based Caching Scheme for Heterogeneous Networks. IEEE Access. 2017;5:15013‒15020. DOI:10.1109/ACCESS.2016.2644980Torgunakov V., Loginov V., Khorov E. A Study of Channel Bonding in IEEE 802.11bd Networks // IEEE Access. 2022. Vol. 10. PP. 25514‒25533. DOI:10.1109/ACCESS.2022.3155814Torgunakov V., Loginov V., Khorov E. A Study of Channel Bonding in IEEE 802.11bd Networks. IEEE Access. 2022;10:25514‒25533. DOI:10.1109/ACCESS.2022.3155814Zhu Z., Zhang M., Hao W. Chapter 6 – Artificial intelligence technology in the Internet of things. Intelligent Sensing and Communications for Internet of Everything. Academic Press; 2022. p.245‒297. DOI:10.1016/B978-0-32-385655-3.00010-2Zhu Z., Zhang M., Hao W. Chapter 6  Artificial intelligence technology in the Internet of things. Intelligent Sensing and Communications for Internet of Everything. Academic Press; 2022. p.245‒297. DOI:10.1016/B978-0-32-385655-3.00010-2Плотников П.В., Тамбовцев Г.И., Владыко А.Г. Программный модуль моделирования взаимодействия граничных устройств в сети VANET. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № RU 2022669558 от 07.10.2022. Опубл. 21.10.2022.Plotnikov P., Tambovtsev G., Vladyko A. Software Module for Modeling the Interaction of Edge Devices in VANET. Patent RF, no 2022669558, 07.10.2022. (in Russ.)Торгунаков В.А., Логинов В.А., Хоров Е.М., Ляхов А.И. Алгоритм адаптивного выбора конкурентного окна в сетях IEEE 802.11bd // Информационные процессы. 2022. Т. 22. № 4. С. 373–383. DOI:10.53921/18195822_2022_22_4_373Torgunakov V.A., Loginov V.A., Khorov E.M., Lyakhov A.I. Algorithm for adaptive selection of a competitive window in IEEE 802.11bd networks. Information processes. 2022;22(4):373–383. (in Russ.) DOI:10.53921/18195822_2022_22_4_373Елькин Д.М., Вяткин В.В. На пути к интернету вещей в управлении транспортными потоками: обзор существующих методов управления дорожным движением // Известия ЮФУ. Технические науки. 2019. № 5. С. 100-113. DOI:10.23683/2311-3103-2019-5-100-113Elkin D.M., Vyatkin V.V. On the way to the Internet of things in traffic management: a review of existing methods of traffic management. Izvestiya SFU. Technical science. 2019;5:100–113. DOI:10.23683/2311-3103-2019-5-100-113

The authors declare that there are no conflicts of interest present.