車用無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad hoc Networks,VANETs)是一種應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)的新型移動無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc Networks,MANETs)。通過車輛與車輛(Vehicle-to-Vehicle,V2V)之間、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施(Vehicle-to-Infrastructure,V2I)之間的相互通信,VANETs為道路上行駛的車輛提供安全告警和服務(wù)應(yīng)用,提高行駛車輛的安全性和舒適性。為了實(shí)現(xiàn)VANETs的豐富應(yīng)用,需要通信效率高、質(zhì)量可靠的介質(zhì)訪問控制(Media Access Control,MAC)策略提供保障。但是,與傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)相比,VANETs有著獨(dú)特屬性,例如快速變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)密度變化幅度大、業(yè)務(wù)傳輸需求各異等,使得大量成熟的MANETs MAC協(xié)議難以勝任這種新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,基于VANETs網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的研究與設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。網(wǎng)絡(luò)的連通性是衡量VANETs通信質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。尤其是在車輛密度較低的高速公路環(huán)境下,如果車輛之間無法連通,則各種服務(wù)信息和安全告警信息就很難實(shí)現(xiàn)有效的傳遞。不僅司機(jī)及乘客的服務(wù)需求無法得到滿足,而且道路的安全性也難以保證。特別是在道路上有車隊(duì)(Platoon)存在的情況下,網(wǎng)絡(luò)的連通性概率將會發(fā)生變化。因此,研究基于車隊(duì)的VANETs網(wǎng)絡(luò)的連通性及其對網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文以VANETs網(wǎng)絡(luò)中的信道訪問控制技術(shù)研究為主線,圍繞以上幾個(gè)方面的問題,針對IEEE 802.11p及IEEE 1609.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定的WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)MAC存在的不足,對改進(jìn)的多信道協(xié)調(diào)和多優(yōu)先級支持的MAC協(xié)議、基于車隊(duì)的VANETs網(wǎng)絡(luò)中的連通性問題及連通性感知的VANETs MAC協(xié)議設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了深入的研究。IEEE 1609.4規(guī)定的多信道MAC接入機(jī)制中,固定時(shí)長的控制信道(Control Channel:CCH)時(shí)隙和服務(wù)信道時(shí)隙(Service Channel:SCH)時(shí)隙以及基于競爭的信道接入方式,無法滿足安全業(yè)務(wù)和非安全業(yè)務(wù)的帶寬需求。本文以通用協(xié)調(diào)時(shí)間(Coordinated Universal Time,UTC)策略為基礎(chǔ),提出了時(shí)隙可變的多信道協(xié)調(diào)的MAC協(xié)議,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)動態(tài)地調(diào)整CCH時(shí)隙和SCH時(shí)隙的時(shí)長,從而提高信道的利用率和飽和吞吐率。在此基礎(chǔ)上,區(qū)別于現(xiàn)有的研究,創(chuàng)新性地提出了一種CCH信道上無競爭的順序ACK(ACKnowledgement)回復(fù)策略,該策略可以保證安全告警信息的可靠傳遞,同時(shí)通過WSA(WAVE Service Announcement)報(bào)文和ACK回復(fù)報(bào)文之間的互動,實(shí)現(xiàn)服務(wù)信息的SCHs信道預(yù)約及多信道之間的協(xié)調(diào)服務(wù)。為了適應(yīng)VANETs網(wǎng)絡(luò)中不同類型業(yè)務(wù)的區(qū)分服務(wù)需要,針對EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)協(xié)議的優(yōu)先級區(qū)分信道接入特性,本論文提出了一種多優(yōu)先級動態(tài)p堅(jiān)持自適應(yīng)優(yōu)化算法。以往的多優(yōu)先級動態(tài)優(yōu)化算法一般通過估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中活躍節(jié)點(diǎn)的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化,與這些優(yōu)化算法不同,該算法根據(jù)偵聽到的信道使用狀況實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的發(fā)送概率,并采用3維的多優(yōu)先級Markov鏈模型計(jì)算不同優(yōu)先級信息的最優(yōu)發(fā)送概率和各優(yōu)先級信息的最優(yōu)競爭窗口值。分析和仿真結(jié)果表明,該算法可以有效地保證安全告警信息的優(yōu)先傳遞并能提高CCH信道上的吞吐量。在有車隊(duì)這種特殊的車輛行駛方式存在的VANETs中,網(wǎng)絡(luò)的連通性能將會發(fā)生很大的變化。而以往的研究并未考慮有車隊(duì)存在時(shí)的網(wǎng)絡(luò)連通情況,本文創(chuàng)新性地研究了基于車隊(duì)的VANETs的網(wǎng)絡(luò)連通性問題。分別分析了V2V通信環(huán)境及V2I通信環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)連通性概率。給出了網(wǎng)絡(luò)連通性概率與車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)目、車輛密度、網(wǎng)絡(luò)中車隊(duì)節(jié)點(diǎn)所占的比例和車輛及路旁單元(Road Side Unit:RSU)的通信半徑之間的關(guān)系。分析和仿真結(jié)果表明,在有車隊(duì)存在的VANETs中,連通性概率較沒有車隊(duì)的VANETs網(wǎng)絡(luò)能夠提升10%以上。同時(shí),由于可以借助于兩條車道上的車輛中繼報(bào)文,雙車道下的網(wǎng)絡(luò)連通性概率較單車道下的連通性概率最多能夠增加2倍。在VANETs網(wǎng)絡(luò)中提供服務(wù)質(zhì)量(Quality-of-Service:QoS)保證的MAC機(jī)制應(yīng)該同時(shí)滿足業(yè)務(wù)區(qū)分服務(wù)的要求和系統(tǒng)整體性能最優(yōu)的目標(biāo),特別是在基于車隊(duì)的VANETs中,不同車隊(duì)及普通車輛的服務(wù)業(yè)務(wù)具有不同的QoS需求。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo),一種基于車隊(duì)的連通性感知(Connectivity-aware)的MAC協(xié)議在本文中被研究,該協(xié)議考慮車隊(duì)頭車的中心節(jié)點(diǎn)作用以及網(wǎng)絡(luò)的連通性對VANETs MAC協(xié)議設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)性能的影響,根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況和網(wǎng)絡(luò)連通性需求,設(shè)計(jì)自適應(yīng)的MAC協(xié)議,以此來提高網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量。同時(shí),協(xié)議采用基于滿意度的多優(yōu)先級區(qū)分策略將WSA報(bào)文區(qū)分為不同的優(yōu)先級,利用比例公平性原則對車輛的滿意度進(jìn)行優(yōu)化,并建立了多優(yōu)先級Markov鏈模型,以此來求解網(wǎng)絡(luò)連通性和信道系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系以及根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)求解最優(yōu)的CCH時(shí)隙長度。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN929.5;U495
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    1.1 研究工作的背景與意義
    1.2 VANETs的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 相關(guān)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀
        1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀
    1.3 本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新
    1.4 本文的結(jié)構(gòu)安排
第二章 時(shí)隙可變的多信道協(xié)調(diào)MAC協(xié)議
    2.1 引言
    2.2 相關(guān)工作
    2.3 時(shí)隙可變的多信道協(xié)調(diào)MAC協(xié)議
        2.3.1 可變CCH時(shí)隙和SCH時(shí)隙策略
        2.3.2 SCH預(yù)約接入機(jī)制
        2.3.3 無競爭的順序ACK回復(fù)策略
    2.4 最優(yōu)CCH和SCH時(shí)隙長度理論分析
    2.5 結(jié)果分析
    2.6 本章小結(jié)
第三章 多優(yōu)先級動態(tài)p堅(jiān)持自適應(yīng)優(yōu)化算法
    3.1 引言
    3.2 相關(guān)工作
    3.3 多優(yōu)先級動態(tài)p堅(jiān)持自適應(yīng)優(yōu)化算法
    3.4 模型分析
        3.4.1 多優(yōu)先級Markov鏈模型
        3.4.2 不同優(yōu)先級報(bào)文發(fā)送概率的最優(yōu)比值
        3.4.3 CCH信道最大系統(tǒng)吞吐量及延遲分析
    3.5 結(jié)果分析
    3.6 本章小結(jié)
第四章 基于車隊(duì)的VANETS網(wǎng)絡(luò)連通性研究
    4.1 引言
    4.2 相關(guān)工作
    4.3 基于車隊(duì)的VANET模型
    4.4 基于車隊(duì)的VANETs網(wǎng)絡(luò)連通性分析
        4.4.1 單車道V2V網(wǎng)絡(luò)連通性分析
        4.4.2 單車道V2I網(wǎng)絡(luò)連通性分析
        4.4.3 雙車道V2V網(wǎng)絡(luò)連通性分析
        4.4.4 雙車道V2I網(wǎng)絡(luò)連通性分析
    4.5 結(jié)果分析
        4.5.1 單車道V2V網(wǎng)絡(luò)連通性結(jié)果分析
        4.5.2 單車道V2I網(wǎng)絡(luò)連通性結(jié)果分析
        4.5.3 雙車道V2V網(wǎng)絡(luò)連通性結(jié)果分析
        4.5.4 雙車道V2I網(wǎng)絡(luò)連通性結(jié)果分析
    4.6 本章小結(jié)
第五章 基于車隊(duì)的連通性感知MAC協(xié)議研究
    5.1 引言
    5.2 相關(guān)工作
    5.3 基于車隊(duì)的連通性感知MAC協(xié)議
        5.3.1 基于滿意度的多優(yōu)先級區(qū)分策略
        5.3.2 基于車隊(duì)的多信道協(xié)調(diào)MAC接入機(jī)制
    5.4 理論分析
        5.4.1 基于滿意度的優(yōu)先級區(qū)分策略理論分析
        5.4.2 多優(yōu)先級的Markov鏈模型及可變時(shí)隙分析
    5.5 結(jié)果分析
    5.6 本章小結(jié)
第六章 全文總結(jié)與展望
    6.1 本文工作總結(jié)
    6.2 后續(xù)工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間取得的成果

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本文編號：2866061