本文關(guān)鍵詞：面向車聯(lián)網(wǎng)的車載信息實時感知與交互方法

  更多相關(guān)文章： 車聯(lián)網(wǎng) 車載信息感知與交互 TinyOS MAC層及物理層協(xié)議

【摘要】：車聯(lián)網(wǎng)是集信息感知、處理和交互于一體的服務(wù)系統(tǒng),通過無線通信在車輛、道路、行人及互聯(lián)網(wǎng)之間進行信息交互,可以全面感知和共享交通參與者和交通環(huán)境的各種動靜態(tài)信息。本文以面向車聯(lián)網(wǎng)的車載信息感知與交互為研究背景,對其中的若干關(guān)鍵問題展開深入研究,主要研究工作如下:(1)在深入分析車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車載信息感知與交互需求的基礎(chǔ)上,結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),提出了一種面向車聯(lián)網(wǎng)的車載感知與交互系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)以GPS作為空間定位手段,以移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(4G LTE)進行數(shù)據(jù)傳輸,以車載感知與交互終端作為狀態(tài)感知與交互的核心載體,實現(xiàn)車輛狀態(tài)感知、狀態(tài)分析與管理、預(yù)警/報警等功能,并詳細介紹了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作流程以及感知節(jié)點的部署方式。(2)為了增強車載感知節(jié)點操作系統(tǒng)TinyOS調(diào)度算法的實時性,提出了一種基于優(yōu)先級的RTQ-TOSQ調(diào)度算法。該算法將感知節(jié)點任務(wù)劃分為實時任務(wù)與普通任務(wù)兩類,并為任務(wù)增加相關(guān)的時間屬性描述信息,在兼容原有TinyOS內(nèi)核調(diào)度API和語義的基礎(chǔ)上,通過RTQ和TOSQ兩個獨立的任務(wù)隊列,結(jié)合非搶占式最早截止期優(yōu)先算法以及任務(wù)超時檢測機制,為感知節(jié)點任務(wù)執(zhí)行提供實時性保障。通過與TinyOS原有調(diào)度算法在任務(wù)丟失數(shù)、實時任務(wù)平均時延和節(jié)點能耗進行對比驗證,實驗結(jié)果表明改進后的調(diào)度算法能有效減少實時任務(wù)的任務(wù)丟失率并提高其的實時響應(yīng),且不會產(chǎn)生過多的計算、存儲以及能耗方面的開銷,適用于車載實時感知節(jié)點的任務(wù)調(diào)度。(3)為了優(yōu)化車載感知與交互系統(tǒng)的吞吐量和接入延時,對車載感知節(jié)點MAC層協(xié)議部分進行了改進。提出了一種支持優(yōu)先級的GDCF退避算法,通過遞減競爭窗口降低碰撞概率和重傳次數(shù),提升了飽和吞吐率。結(jié)合車載感知與交互系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)包容量較小的特點,通過剔除RTS/CTS機制,提升了吞吐量、降低了接入延遲。同時在車載感知節(jié)點中引入睡眠機制,通過降低感知節(jié)點無線射頻芯片有效工作時間占空比,提升感知節(jié)點能量利用率。實驗結(jié)果表明:GDCF算法可持續(xù)維持較低的丟包率,去除RTS/CTS方式后網(wǎng)絡(luò)丟包率小于0.5%,引入睡眠機制后一個周期可節(jié)省能量可達95%。(4)為了提升車載感知節(jié)點物理層串行數(shù)據(jù)的發(fā)送效率,設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于緩沖區(qū)并行讀寫的數(shù)據(jù)無線發(fā)送機制。在發(fā)送數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)的同時執(zhí)行無線發(fā)送任務(wù),射頻芯片從休眠狀態(tài)喚醒后立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀頭,同時微控制器在此時間內(nèi)初始化射頻芯片接口總線,并將數(shù)據(jù)幀的有效載荷填充至射頻芯片緩沖區(qū)。實驗結(jié)果表明:基于緩沖區(qū)并行讀寫的數(shù)據(jù)無線發(fā)送機制將數(shù)據(jù)的發(fā)送延時降低50%,能夠滿足提升數(shù)據(jù)發(fā)送效率的需求。(5)在所提出的車載感知與交互系統(tǒng)架構(gòu)和車載感知節(jié)點部署方式的基礎(chǔ)上,確定了車載感知節(jié)點以及車載感知與交互終端硬件選擇方案、參數(shù)性能、軟硬件設(shè)計方案等,并在此基礎(chǔ)上搭建了一種車載感知與交互測試平臺,對系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和響應(yīng)速度,以及三個子系統(tǒng)的性能進行了實驗測試。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)長時間工作狀態(tài)穩(wěn)定,各子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及傳輸速率可滿足應(yīng)用需求和設(shè)計要求。通過研究面向車聯(lián)網(wǎng)的車載信息感知與交互系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),提出了一種車載感知與交互系統(tǒng)架構(gòu),并從車載感知節(jié)點實時任務(wù)調(diào)度算法、MAC層協(xié)議以及物理層發(fā)送時序三個方面解決了車載信息感知與交互中存在的若干問題。該研究成果對于實現(xiàn)面向車聯(lián)網(wǎng)的車載信息感知與交互具有重要的參考價值。
【關(guān)鍵詞】：車聯(lián)網(wǎng) 車載信息感知與交互 TinyOS MAC層及物理層協(xié)議
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U463.6;U495
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-22
• 1.2.1 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.2 車載信息感知技術(shù)研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.3 車載信息交互技術(shù)研究現(xiàn)狀19-22
• 1.3 主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排22-24
• 第二章 面向車聯(lián)網(wǎng)的車輛感知與交互系統(tǒng)體系架構(gòu)24-36
• 2.1 概述24-28
• 2.1.1 車聯(lián)網(wǎng)信息感知需求24-25
• 2.1.2 車聯(lián)網(wǎng)信息交互需求25
• 2.1.3 車載感知與交互系統(tǒng)的信息感知與交互需求25
• 2.1.4 信息處理與信息融合25-28
• 2.2 車聯(lián)網(wǎng)感知與交互系統(tǒng)體系架構(gòu)28-30
• 2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)28-29
• 2.2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)29-30
• 2.3 車載感知與交互系統(tǒng)架構(gòu)30-35
• 2.3.1 系統(tǒng)的功能需求30
• 2.3.2 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)30-32
• 2.3.3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程32-33
• 2.3.4 系統(tǒng)的工作流程33-34
• 2.3.5 感知節(jié)點部署方式34-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 第三章 車載感知節(jié)點操作系統(tǒng)調(diào)度算法優(yōu)化36-56
• 3.1 引言36
• 3.2 研究現(xiàn)狀36-41
• 3.2.1 感知節(jié)點操作系統(tǒng)并發(fā)模型36-37
• 3.2.2 感知節(jié)點操作系統(tǒng)調(diào)度算法37-41
• 3.3 TinyOS 2.x的調(diào)度機制41-45
• 3.3.1 兩級調(diào)度機制41-42
• 3.3.2 TinyOS調(diào)度器結(jié)構(gòu)剖析42-44
• 3.3.3 TinyOS調(diào)度算法的不足44-45
• 3.4 TinyOS調(diào)度算法改進45-52
• 3.4.1 RTQ-TOSQ調(diào)度策略45-47
• 3.4.2 超時任務(wù)處理機制47-49
• 3.4.3 算法理論分析49-50
• 3.4.4 調(diào)度算法的實現(xiàn)50-52
• 3.5 實驗測試與性能分析52-54
• 3.5.1 任務(wù)丟失數(shù)分析52-53
• 3.5.2 實時任務(wù)平均延時53-54
• 3.5.3 算法能耗分析54
• 3.6 本章小結(jié)54-56
• 第四章 車載感知與交互網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究56-76
• 4.1 引言56
• 4.2 MAC層協(xié)議設(shè)計理念與研究現(xiàn)狀56-61
• 4.2.1 MAC層協(xié)議設(shè)計理念56-57
• 4.2.2 MAC層協(xié)議研究現(xiàn)狀57-61
• 4.3 車載感知與交互網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議優(yōu)化與改進61-71
• 4.3.1 載波偵聽多路訪問/沖突避免機制中隨機退避算法的優(yōu)化63-64
• 4.3.2 載波偵聽多路訪問/沖突避免機制中請求發(fā)送/清除發(fā)送方式分析64-66
• 4.3.3 MAC層休眠機制與時間同步策略66-69
• 4.3.4 物理層無線發(fā)送時序優(yōu)化方法69-71
• 4.4 實驗測試與分析71-75
• 4.4.1 GDCF退避算法測試與分析72
• 4.4.2 去除RTS/CTS機制后的性能分析測試72-73
• 4.4.3 MAC層休眠機制測試與分析73-75
• 4.4.4 無線發(fā)送時序優(yōu)化測試與分析75
• 4.5 本章小結(jié)75-76
• 第五章 車載感知與交互系統(tǒng)測試分析76-94
• 5.1 系統(tǒng)集成方案76-82
• 5.1.1 感知節(jié)點參數(shù)配置76-77
• 5.1.2 車載感知與交互終端軟硬件設(shè)計77-80
• 5.1.3 車載感知與交互測試平臺搭建80-82
• 5.2 實驗測試與分析82-93
• 5.2.1 車載感知節(jié)點網(wǎng)絡(luò)性能測試82-88
• 5.2.2 車載感知與交互終端數(shù)據(jù)采集處理測試88-91
• 5.2.3 遠程傳輸和地圖匹配驗證91-93
• 5.3 本章小結(jié)93-94
• 第六章 總結(jié)與展望94-96
• 參考文獻96-107
• 攻讀學(xué)位期間取得的研究成果107-110
• 致謝110

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本文編號：789131