【摘要】：隨著車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-hoc Network,VANET)技術(shù)的迅速發(fā)展,其作用已經(jīng)從車輛間簡單的信息交換手段發(fā)展到用于大規(guī)模交通管理調(diào)度,從安全相關(guān)應(yīng)用到信息娛樂類應(yīng)用等多種多樣的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層出不窮。這些應(yīng)用對車聯(lián)網(wǎng)的MAC層協(xié)議設(shè)計提出了更高的要求,信息的可靠性和時效性與司機(jī)和乘客的生命安全和用戶體驗息息相關(guān),如何為車輛提供高吞吐量、低時延的無線接入服務(wù)成為一個急需解決的難題。本文針對車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境高移動性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓奶攸c,提出了基于數(shù)據(jù)類型的無線接入MAC(Medium Access Control)協(xié)議,并搭建了V2I(vehicle-to-infrastructure)通信系統(tǒng)用于協(xié)議驗證。本文首先描述了車輛移動情形下的MAC競爭窗口調(diào)節(jié)算法。IEEE 802.11p協(xié)議中使用傳統(tǒng)的二進(jìn)制指數(shù)退避算法,節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時如果發(fā)生碰撞就會隨機(jī)退避一段時間后重新發(fā)送。如果退避時間選的太小可能會導(dǎo)致碰撞變得嚴(yán)重,退避時間太長又會浪費(fèi)信道資源,所以如何選擇合適的競爭窗口大小變得至關(guān)重要。我們提出MCWA(Mobility based Contention Window Adjustment Algorithm)算法來動態(tài)改變退避過程中的初始競爭窗口大小,使其與信道競爭的激烈程度相對應(yīng),獲得最佳的網(wǎng)絡(luò)性能。首先我們使用二維馬爾可夫模型對退避過程建模,尋找最優(yōu)競爭窗口大小和節(jié)點數(shù)量的關(guān)系,接著研究車輛的移動情況,估計車輛密度和競爭車輛數(shù),最后基于以上分析給出合適的競爭窗口值的計算方法,并綜合使用SUMO和NS-3對算法的性能進(jìn)行了仿真分析。高速公路場景和城市交通場景下的仿真結(jié)果都顯示相比原始的IEEE 802.11p協(xié)議,MCWA算法可以有效降低消息的碰撞概率,提高吞吐量,改善高密度環(huán)境下的車輛通信質(zhì)量。本文接著詳細(xì)介紹了面向數(shù)據(jù)傳輸需求的MAC協(xié)議設(shè)計。車聯(lián)網(wǎng)WAVE協(xié)議把75MHz頻譜分成了7個信道,其中控制信道(CCH)用于傳輸安全和控制消息,服務(wù)信道(SCH)用于傳輸非安全消息,但是卻沒有給出具體的信道使用方案。由于WAVE中的信道接入全部采用的是基于競爭的CSMA/CA機(jī)制,當(dāng)需要發(fā)送信息的車輛很多時,消息碰撞的概率會明顯增大,網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降,安全消息的時效性和可靠性都無法保障,嚴(yán)重影響交通安全。因此我們提出了一種名為SPA-MAC(Spectrum Penetration Assisted MAC Protocol)的協(xié)議,SPA-MAC協(xié)議充分利用競爭型方案的靈活性和分配型方案的可靠性,借助注冊和預(yù)約機(jī)制,分別為安全信息和服務(wù)信息提供了非競爭的信道接入服務(wù),避免了高密度環(huán)境下嚴(yán)重的消息碰撞問題,降低了消息的時延。此外,頻譜滲透機(jī)制的使用解決了安全消息無法在SCH時隙發(fā)送的痛點,針對車輛移動性高的特點,協(xié)議中引入了車輛坐標(biāo)的信息用于信道分配的優(yōu)化。我們在仿真中分別就包送達(dá)率、時延和吞吐量把SPA-MAC協(xié)議和其他協(xié)議進(jìn)行了對比,驗證了協(xié)議的有效性。文章最后介紹了我們搭建的基于Labview的V2I通信系統(tǒng)。借助軟件無線電設(shè)備,我們開發(fā)了一套基于OFDM技術(shù)的信息傳輸系統(tǒng)并進(jìn)行了協(xié)議驗證,此外該系統(tǒng)不僅模擬了車內(nèi)的總線網(wǎng)絡(luò),還具備WIFI、藍(lán)牙、3G/4G等多種外部通信手段,不僅可以為相關(guān)研究提供支撐和實驗工具,也為以后的進(jìn)一步開發(fā)打下了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U495;TN929.5
【圖文】：

的方式建立連接，車輛間通信時不需要借助其他設(shè)備，V2I 通信屬于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入，車輛通過 RSU、基站和路邊接入點 (Access point, AP) 等基礎(chǔ)設(shè)施可以進(jìn)一步接入互聯(lián)網(wǎng)。VANET 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 1所示。圖 1 1 車載自組織網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig 1 1 VANET framework1.1.2 車載自組織網(wǎng)絡(luò)的特點VANET 以車輛作為移動節(jié)點，車輛自身的特殊性和環(huán)境等因素的影響使其相比普通的移動自組織網(wǎng)絡(luò)具有了許多新的特性和挑戰(zhàn)，VANET 的特點可以總結(jié)為以下幾點[7]：1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化。車輛的高速移動使得節(jié)點間通信鏈路的持續(xù)時間非常短暫，節(jié)點在不同的網(wǎng)絡(luò)間頻繁進(jìn)出，極難維持一個穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。當(dāng)兩輛車以 60km/h 的速度反向行駛時，假設(shè)有效通信距離為 300 米，那么通信鏈路只能— 2 —

境下分別能夠達(dá)到 1km 和 300m。同時 WAVE 協(xié)議棧針對車輛移動場景做了大量優(yōu)化以滿足車聯(lián)網(wǎng)通信的低時延和高可靠要求。如圖1 2所示是 WAVE 協(xié)議棧的示意圖。WAVE 協(xié)議棧同時支持安全應(yīng)用和非安全應(yīng)用的通信，可以總體劃分為數(shù)據(jù)平面和管理平面[12]。數(shù)據(jù)平面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換方面的功能，VANET 應(yīng)用可以把數(shù)據(jù)通過傳統(tǒng) TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行傳送或者通過 WAVE 短信息協(xié)議 (WSMP) 進(jìn)行傳送。WSMP 協(xié)議提供進(jìn)入 DSRC 安全應(yīng)用的界面，在 IEEE 1609.3 中有詳細(xì)的規(guī)定，而 TCP/IP 協(xié)議用于為互聯(lián)網(wǎng)連接提供支持，當(dāng)它無法使用時會轉(zhuǎn)而使用 WSMP 協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路層和 MAC 層，邏輯鏈路層在 IEEE 802.2 中定義，MAC 層則由 IEEE 1609.4 和 802.11p 共同管理。WAVE 管理平面即 WAVE 管理實體(WME)

的 PPS 信號獲得精確時間，也可以讀取 WAVE 廣告時間幀獲取時間信息。每秒被劃分為 10 個 100ms 的同步間隔 (Synchronization Interval, SI)，每個同步間隔進(jìn)一步分為 CCH間隔和 SCH 間隔，如圖1 4所示。在每個間隔內(nèi) 1609.4 規(guī)定了 4ms 的前保護(hù)間隔用于同步時間公差和信道轉(zhuǎn)換，還有 1ms 的后保護(hù)間隔用于轉(zhuǎn)換信道前完成幀的接收。圖 1 4 WAVE 時間間隔劃分Fig 1 4 Time interval of WAVEIEEE 1609.4 規(guī)定了 4 種信道接入模式[24]，如圖1 5所示：1. 連續(xù)模式。節(jié)點始終保持在 CCH 或 SCH 上進(jìn)行通信，不進(jìn)行信道切換，該模式雖然機(jī)制簡單，卻無法獲得其他信道的信息。2. 交替模式。CCH 間隔和 SCH 間隔輪流切換，設(shè)備在 CCH 和 SCH 上交替使用，通常 CCH 間隔和 SCH 間隔各 50ms，這是最常用的模式�！� 8 —

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2782684