【摘要】：車聯(lián)網(wǎng)VANET (Vehicular Ad-hoc Network)作為新型無線通信技術和現(xiàn)代汽車工業(yè)技術發(fā)展的產(chǎn)物,近年來受到了來自世界范圍內(nèi)學術界和汽車廠商的廣泛關注,并被認為是建設智能交通系統(tǒng)和提高道路交通安全的關鍵技術。在車聯(lián)網(wǎng)面向道路交通安全的諸多應用中,移動車輛周期性廣播的Beacons消息和危險事件觸發(fā)的告警消息Warnings對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性提出了更高的要求。而車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點流通性高、網(wǎng)絡拓撲多變和無線信道質(zhì)量多樣性的特點,使得車聯(lián)網(wǎng)中面向安全應用的消息傳輸問題面臨了更多挑戰(zhàn)。 基于車聯(lián)網(wǎng)中消息分發(fā)問題的現(xiàn)有研究成果,我們分別從MAC和路由兩個層面設計適合面向安全應用的消息分發(fā)協(xié)議與算法,并研究了跨MAC層和路由層的綜合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略。為了對車聯(lián)網(wǎng)中消息傳輸協(xié)議的性能進行有效驗證,我們還對車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的實驗仿真工具進行了研究,設計和開發(fā)了車聯(lián)網(wǎng)綜合仿真平臺DVR_Sim,本文的主要研究內(nèi)容及貢獻如下四個方面。 一、車聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點的高速移動性和車流分布的不均衡性嚴重影響到MAC協(xié)議的性能。傳統(tǒng)基于信道競爭機制的MAC協(xié)議在車流密集時容易導致消息碰撞,而非競爭機制的MAC協(xié)議則因網(wǎng)絡結(jié)構快速變化產(chǎn)生較多的協(xié)調(diào)開銷。因此,我們在論文的第二章基于動態(tài)TDMA機制研究自適應車流分布變化的MAC協(xié)議。利用路邊單元RSU的通信與協(xié)調(diào)能力,我們提出了自適應車流分布變化的動態(tài)時隙調(diào)度周期概念。隨后重新設計了協(xié)議的幀格式和RSU時隙分配算法,并對空余時隙回收機制和相鄰RSU之間無縫切換機制進行了優(yōu)化。最后的仿真實驗表明,在車流密度較大的交通狀況下,我們設計的協(xié)議在Beacons消息的傳輸延遲、平均丟包率兩方面明顯優(yōu)于IEEE802.11p MAC的性能,同時Beacons消息分發(fā)的網(wǎng)絡有效吞吐量提高了40%。 二、現(xiàn)有的消息分發(fā)協(xié)議中過度強調(diào)告警消息的優(yōu)先級將會造成Beacons肖息喪失廣播的機會,事實上,上述兩類消息在緊急情況對于道路安全都非常重要。基于此我們在本文的第三章從MAC層角度研究上述兩類消息訪問無線信道的優(yōu)先級和公平性問題,并針對車輛協(xié)同防碰撞應用場景設計了風險感知的動態(tài)MAC協(xié)議R-MAC.我們采用TDMA和CSMA/CA混合的無線信道訪問協(xié)調(diào)機制,根據(jù)實時交通道路信息建立風險動態(tài)評估模型。R-MAC根據(jù)交通風險優(yōu)先為告警消息分配必需的信道訪問時隙,同時預留Beacons消息訪問信道的機會。最后,多種交通場景下的仿真實驗結(jié)果顯示,在保證上述兩類消息實時傳輸?shù)那闆r下,我們設計的方案相比IEEE802.11p MAC協(xié)議提高了42%的消息傳輸成功率,并將兩者獲取無線信道服務機會的公平性提高了32%。 三、為了實現(xiàn)告警消息Warnings的長距離分發(fā),現(xiàn)有工作大多借助基于位置信息輔助的多播路由協(xié)議,但是難以滿足告警消息的實時性和可靠性要求。因此,第四章我們利用車聯(lián)網(wǎng)中通信節(jié)點發(fā)射功率可調(diào)的優(yōu)勢,并綜合分析無線信號強度衰減以及發(fā)生在PHY/MAC層的傳輸延遲和消息重傳等因素,跨層地研究告警消息分發(fā)過程中的最優(yōu)中繼選擇算法,并設計了延遲感知的可靠廣播協(xié)議DR-BP。最后,仿真實驗結(jié)果表明相對于傳統(tǒng)的S1P(Slotted1-Persistence, SIP)廣播協(xié)議,我們設計的協(xié)議將告警消息長距離分發(fā)的實時性和可靠性分別提高了53%和38%。 四、當前車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下大部分仿真工具將交通流模擬和網(wǎng)絡協(xié)議仿真的過程分離進行,難以實現(xiàn)網(wǎng)絡仿真對交通流模擬的逆向反饋,更沒有考慮真實交通環(huán)境下駕駛員對車輛操控的影響。為了更好地驗證面向交通道路安全應用的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議性能,我們在第五章對車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的實驗仿真工具進行了系統(tǒng)研究,設計并開發(fā)了車聯(lián)網(wǎng)綜合仿真平臺DVR_Sim,實現(xiàn)了交通流模擬、網(wǎng)絡協(xié)議仿真和駕駛員模擬三者的同步與雙向?qū)崟r反饋。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP391.44;TN929.5

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