【摘要】：車聯(lián)網(wǎng)VANET (Vehicular Ad-hoc Network)作為新型無線通信技術(shù)和現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物,近年來受到了來自世界范圍內(nèi)學(xué)術(shù)界和汽車廠商的廣泛關(guān)注,并被認(rèn)為是建設(shè)智能交通系統(tǒng)和提高道路交通安全的關(guān)鍵技術(shù)。在車聯(lián)網(wǎng)面向道路交通安全的諸多應(yīng)用中,移動(dòng)車輛周期性廣播的Beacons消息和危險(xiǎn)事件觸發(fā)的告警消息Warnings對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性提出了更高的要求。而車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流通性高、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘧兒蜔o線信道質(zhì)量多樣性的特點(diǎn),使得車聯(lián)網(wǎng)中面向安全應(yīng)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(gè)層面設(shè)計(jì)適合面向安全應(yīng)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(duì)車聯(lián)網(wǎng)中消息傳輸協(xié)議的性能進(jìn)行有效驗(yàn)證,我們還對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)仿真工具進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)和開發(fā)了車聯(lián)網(wǎng)綜合仿真平臺(tái)DVR_Sim,本文的主要研究內(nèi)容及貢獻(xiàn)如下四個(gè)方面。 一、車聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性和車流分布的不均衡性嚴(yán)重影響到MAC協(xié)議的性能。傳統(tǒng)基于信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的MAC協(xié)議在車流密集時(shí)容易導(dǎo)致消息碰撞,而非競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的MAC協(xié)議則因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速變化產(chǎn)生較多的協(xié)調(diào)開銷。因此,我們?cè)谡撐牡牡诙禄趧?dòng)態(tài)TDMA機(jī)制研究自適應(yīng)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(yīng)車流分布變化的動(dòng)態(tài)時(shí)隙調(diào)度周期概念。隨后重新設(shè)計(jì)了協(xié)議的幀格式和RSU時(shí)隙分配算法,并對(duì)空余時(shí)隙回收機(jī)制和相鄰RSU之間無縫切換機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化。最后的仿真實(shí)驗(yàn)表明,在車流密度較大的交通狀況下,我們?cè)O(shè)計(jì)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(shí)Beacons消息分發(fā)的網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)調(diào)告警消息的優(yōu)先級(jí)將會(huì)造成Beacons肖息喪失廣播的機(jī)會(huì),事實(shí)上,上述兩類消息在緊急情況對(duì)于道路安全都非常重要�；诖宋覀�?cè)诒疚牡牡谌聫腗AC層角度研究上述兩類消息訪問無線信道的優(yōu)先級(jí)和公平性問題,并針對(duì)車輛協(xié)同防碰撞應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了風(fēng)險(xiǎn)感知的動(dòng)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(jī)制,根據(jù)實(shí)時(shí)交通道路信息建立風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型。R-MAC根據(jù)交通風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先為告警消息分配必需的信道訪問時(shí)隙,同時(shí)預(yù)留Beacons消息訪問信道的機(jī)會(huì)。最后,多種交通場(chǎng)景下的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在保證上述兩類消息實(shí)時(shí)傳輸?shù)那闆r下,我們?cè)O(shè)計(jì)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(wù)機(jī)會(huì)的公平性提高了32%。 三、為了實(shí)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(shí)時(shí)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(diǎn)發(fā)射功率可調(diào)的優(yōu)勢(shì),并綜合分析無線信號(hào)強(qiáng)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(shè)計(jì)了延遲感知的可靠廣播協(xié)議DR-BP。最后,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)于傳統(tǒng)的S1P(Slotted1-Persistence, SIP)廣播協(xié)議,我們?cè)O(shè)計(jì)的協(xié)議將告警消息長距離分發(fā)的實(shí)時(shí)性和可靠性分別提高了53%和38%。 四、當(dāng)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(luò)協(xié)議仿真的過程分離進(jìn)行,難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真對(duì)交通流模擬的逆向反饋,更沒有考慮真實(shí)交通環(huán)境下駕駛員對(duì)車輛操控的影響。為了更好地驗(yàn)證面向交通道路安全應(yīng)用的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議性能,我們?cè)诘谖逭聦?duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)仿真工具進(jìn)行了系統(tǒng)研究,設(shè)計(jì)并開發(fā)了車聯(lián)網(wǎng)綜合仿真平臺(tái)DVR_Sim,實(shí)現(xiàn)了交通流模擬、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真和駕駛員模擬三者的同步與雙向?qū)崟r(shí)反饋。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP391.44;TN929.5

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本文編號(hào)：2750070