N-Deployment: a service-oriented and intelligent infrastructure deployment strategy for vehicular networks in complex urban environments
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
Título alternativo
Deposição N: uma estratégia inteligente e orientada a serviços para implantação de redes veiculares infraestruturadas em ambientes urbanos complexos
Primeiro orientador
Membros da banca
Rodolfo da Silva Villaça
Tereza Cristina Melo de Brito Carvalho
Daniel Fernandes Macedo
Martín Goméz Ravetti
Tereza Cristina Melo de Brito Carvalho
Daniel Fernandes Macedo
Martín Goméz Ravetti
Resumo
Emergentes aplicações de cidades inteligentes demandam infraestruturas de comunicação veicular que sejam eficientes em custo, escaláveis e adaptáveis às diversas necessidades de serviço em ambientes urbanos complexos e dinâmicos. Este trabalho apresenta a N-Deployment, uma estratégia flexível para a implantação de infraestrutura fixa de redes veiculares (RSUs) que atende a requisitos heterogêneos de serviço. A abordagem proposta identifica configurações mínimas de implantação que maximizam a eficiência de cobertura e suportam múltiplos tipos de serviço sobre uma malha urbana unificada. A N-Deployment integra contribuições de estudos anteriores, incluindo minimização de infraestrutura, otimização geométrica, restrições orçamentárias, continuidade de serviço, técnicas não supervisionadas como agrupamento (clustering) e análise de padrões de mobilidade orientada por inteligência artificial. Formulamos um modelo de otimização multiobjetivo que assegura que uma fração especificada da frota veicular se conecte à infraestrutura dentro de uma janela de tempo pré-definida, percorrendo pelo menos N células cobertas ao longo de suas rotas. Adicionalmente, o modelo permite implantações heterogêneas, entregando serviços diferenciados em distintas regiões urbanas conforme as demandas locais. As metaheurísticas GRASP e NSGA-II são empregadas para lidar com cenários em larga escala. Resultados experimentais utilizando rastros reais de mobilidade de Colônia, Alemanha, demonstram que a N-Deployment supera estratégias tradicionais ao alcançar maior cobertura veicular com menor número de RSUs, ao mesmo tempo em que suporta múltiplos níveis de serviço. Até onde sabemos, esta é a primeira estratégia unificada que aborda simultaneamente a heterogeneidade de serviços, o custo de infraestrutura e a conectividade em tempo real em implantações de redes veiculares.
Abstract
Emerging smart-city applications demand vehicular communication infrastructures that are cost-efficient, scalable, and adaptable to diverse service needs within complex urban traffic environments. This work presents N-Deployment, a flexible strategy for deploying fixed vehicular network infrastructure (RSUs) that meets heterogeneous service requirements. The proposed approach identifies minimal deployment configurations that maximize coverage efficiency and support multiple service types over a unified urban network. N-Deployment integrates insights from prior studies, including infrastructure minimization, geometric optimization, budget constraints, service continuity, unsupervised learning techniques such as clustering, and AI-driven mobility pattern analysis. We formulate a multiobjective optimization model to ensure that a specified fraction of the vehicle fleet connects to the infrastructure within a predefined time window, traversing at least N covered cells along their routes. Additionally, the model enables heterogeneous deployments, delivering differentiated services across distinct urban regions according to local demands. GRASP and NSGA-II metaheuristics are employed to address large-scale scenarios. Experimental results using real mobility traces from Cologne, Germany, show that N-Deployment outperforms traditional strategies by achieving higher vehicle coverage with fewer RSUs while supporting multiple service levels. To our knowledge, this is the first unified strategy to simultaneously address service heterogeneity, infrastructure cost, and real-time connectivity in vehicular network deployments.
Assunto
Computação - Teses, Redes ad hoc veiculares (Redes de computadores) - Teses, Cidades inteligentes - Teses
Palavras-chave
RSU Deployment, Vehicular networks, Traffic-aware infrastructure planning, Clustering-based deployment, Multiobjective optimization, Metaheuristics, GRASP, NSGA-II, Genetic algorithm, Urban mobility analysis
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