5G-VANETs中的可再生能源感知路由技术，以实现可持续的车辆通信系统

《Sustainable Computing: Informatics and Systems》：Renewable Energy-Aware Routing in 5G-VANETs for Sustainable Vehicular Communication Systems

5G-VANET能量感知路由框架通过融合IABC与WTOPSIS算法，优化能耗、可再生能源利用和通信可靠性，实验显示PDR达80.02%-99.85%，吞吐量265.46-325.21 kbps，延长网络寿命并降低化石能源依赖。

　　

严婉|易苟|徐菲菲|余善川

宁波工程学院土木与交通工程学院，中国宁波315211

摘要

将5G技术集成到VANET（车对一切网络）中会增加能源需求，这对实现可持续、可靠的通信构成了挑战，因为现有的路由协议依赖于传统能源，缺乏移动适应性，并且忽视了可再生能源和多目标优化。本研究通过提出一种新型的5G-VANET能源感知路由框架来应对这些限制，该框架同时优化了能源消耗、可再生能源利用和实时通信可靠性。通过混合优化方法将可再生能源感知与智能路由相结合，确保在变化的网络条件下实现动态、环保且稳健的车辆通信。所提出的模型结合了交互式人工蜂群算法（IABC）和基于相似度对理想解的权重排序技术（IABC-WTOPSIS）进行多目标路由优化，同时考虑了能源可用性、链路可靠性和服务质量（QoS），而现有方法并未同时考虑这些因素。实验使用了Kaggle上的5G-VANET自动驾驶车辆能源数据集，其中包含车辆能源、移动性、实时通信和环境数据。预处理包括数据清洗、标准化和基于主成分分析（PCA）的特征提取，以高效建模。WTOPSIS使用多标准决策方法评估和排名潜在路线，而IABC则提高了动态场景下的适应性和稳健性。仿真结果显示，所提出的框架在不同速度和密度下显著提高了数据包传输率（PDR，80.02–99.85%）和吞吐量（265.46–325.21 kbps），证明了其可靠性和能源效率。总体而言，该框架促进了可持续的5G-VANET发展，延长了网络寿命，减少了对化石燃料的依赖，并通过智能、绿色的路由方式确保了高质量的服务。

引言

由于自动化交通系统的快速发展，高度动态和相关的VANET应运而生，改变了汽车与其他车辆及技术的交互方式[1]。这些网络通过使车辆能够共享关于环境条件、交通危险和其他道路变量的实时数据，提高了道路安全性，缓解了交通拥堵，并增强了驾驶体验[2]。第五代（5G）通信技术为VANET带来了前所未有的特性，如极低的延迟、快速的数据传输速率和广泛的连接性。这些进步使得车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信成为可能，从而实现了大规模的即时决策和智能交通网络[3]、[4]。

然而，在5G支持的车辆网络中研究和利用的数据流量和连接性的增加是能源消耗增加的多个因素之一。用于实现这种连接性的传统电力来源通常依赖于不可再生或基于化石燃料的能源，这些能源具有时间依赖性（不可持续），因为它们日益稀缺且主要对环境不利[5]。在设计现代交通网络时，可持续能源消耗是一个重要的考虑因素，因为车辆通信系统所需的大量能源直接影响网络的运营效率和寿命[6]。同时，将可再生能源资源整合到车辆通信网络中已成为应对能源和环境挑战的可行方案[7]。通过使用太阳能、风能或其他可再生能源，车辆网络可以减少对传统能源的依赖，转向可持续和环保的运营方式。这种转变与全球范围内应对气候变化、减少碳足迹以及提升包括交通在内的各个行业环保技术的努力相一致[8]。

不断变化的城市交通模式和汽车的持续流动使得网络环境变得非常动态和多样化。路边基础设施在实时通信和能源方面的能力因位置不同而有所差异，汽车的速度、方向和能源消耗也是如此[9]。环境因素，如障碍物、城市形态和天气，会影响网络的任何性能。可持续的车辆网络有可能在提供可靠、连续和高质量通信的同时，更好地管理这些动态交互[10]。随着城市继续部署智能移动技术，5G技术、可再生能源和车辆网络的结合有潜力创建一个具有韧性、高效性和环保意识的交通系统[11]。探索将感知和可持续性纳入车辆通信的方法对于强化智能交通的未来方向以及实现可持续的确定性和环境效益至关重要[12]。

所提出的模型通过明确考虑高移动性、变化的链路质量和动态交通场景中的可变能源供应，解决了实际中的5G-VANET部署问题。可再生能源感知允许根据车载和基础设施的当前能源状态做出路由决策，从而提高了可持续性。IABC组件能够快速适应拓扑变化，而WTOPSIS确保了符合5G延迟和可靠性标准的QoS驱动的路由选择，使该框架适用于实际车辆网络。城市和高速公路上的20-100辆车会产生大量的数据流量，每个节点需要27-81毫焦耳的能量，这在5G-VANET中是一个相当大的能源消耗量，而且由于动态移动和变化的网络条件，保持持续连接具有挑战性。可再生能源的整合增加了复杂性，因为其可用性会随气候条件变化。为了在高度动态和多样的环境中提供高效、连续和环保的通信，需要创新策略来优化网络性能和能源可持续性。研究的目标是设计一种考虑可持续性、通信可靠性和能源效率的5G-VANET能源感知路由系统。受车辆网络日益增长的能源需求和减少对化石燃料依赖的愿望的启发，该研究将智能路由与可再生能源相结合。所提出的IABC-WTOPSIS方法通过提供更快的收敛速度、适应性决策、最优路由选择、增加的可再生能源利用、降低的总能源消耗、提高的服务质量和更长的网络寿命，确保了可靠和环保的车辆通信。

研究首先全面回顾了关于5G-VANET、可再生能源集成和智能路由的现有研究，指出了能源效率和网络可靠性方面的不足。随后设计了一种适用于可持续车辆通信的混合IABC-WTOPSIS路由方法。仿真实验评估了能源消耗、服务质量（QoS）和可再生能源利用等性能指标。最后，分析研究结果以展示改进之处并得出关于该方法有效性和可扩展性的结论。

文献综述

文献综述

文献综述探讨了5G支持的VANET的最新进展，重点关注节能、安全和可靠的车辆通信。它探讨了当前的路由协议、可再生能源集成和智能优化方法，强调了各自的优缺点。主要讨论的问题包括高移动性、网络可扩展性和变化的环境条件。这项研究为创建一个强大、可持续的VANET奠定了基础。

系统模型

5G-VANET就像一个超级智能的通信系统，用于汽车、交通灯和路边设备。想象一下，汽车之间以及汽车与道路之间的实时通信——就像一个车辆群组聊天。这里的“5G”意味着这种实时通信极其快速且可靠，消息可以瞬间送达。最大的挑战是能源：保持所有这些设备24/7连接需要大量能源，通常来自化石燃料。为了解决这个问题，

方法论

由于能源需求的增加，可持续性是现代5G支持VANET的重要问题。图2展示了用于5G-VANET可持续路由优化的混合IABC-WTOPSIS算法。收集并预处理了5G-VANET数据集，其中包含车辆速度、能源消耗和环境数据。清理了缺失值，并对数据进行了标准化处理以提高准确性。通过结合WTOPSIS和IABC（用于自适应路由），所提出的IABC-WTOPSIS方法

结果与讨论

进行了广泛的仿真测试，以评估所提出的考虑可再生能源的5G-VANET路由模型在可持续性、能源效率和路由稳定性方面的表现。实验环境使用了Python 3.10、NumPy、Pandas和Matplotlib库，在配备16 GB RAM、Intel Core i7 CPU和NVIDIA显卡的硬件上运行。同时评估了硬件是否适合实时车辆部署和计算复杂性。

表3展示了

结论

设计一种考虑可再生能源的5G-VANET路由框架，以实现能源使用、可再生资源和通信可靠性之间的最佳平衡是主要目标。使用了3,500条自动驾驶车辆记录，数据集包括速度、能源消耗、电池电量、数据包传输率（PDR）、延迟和可再生能源比例等变量。为了确保变量之间的统一缩放，数据预处理包括清洗、Z分数标准化等步骤。

伦理批准

不适用。

CRediT作者贡献声明

严婉：研究调查、正式分析。徐菲菲：验证、监督。余善川：数据整理、概念化。易苟：项目管理、方法论。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究未获得任何资助。

代码可用性

不适用。

参与同意

不适用。

出版同意

不适用。