車用無線自組織網(wǎng)絡(luò)信道訪問控制技術(shù)研究.pdf

1、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(dòng)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

2、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

3、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(huì)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(duì)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

4、為主線，圍繞以上幾個(gè)方面的問題，針對(duì)IEEE802.11p及IEEE1609.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定的WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments) MAC存在的不足，對(duì)改進(jìn)的多信道協(xié)調(diào)和多優(yōu)先級(jí)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。
　　IEEE1609.4規(guī)定的多信道MAC接入機(jī)制中，固定時(shí)長(zhǎng)的控制信道(

5、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(jìng)爭(zhēng)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(dòng)態(tài)地調(diào)整CCH時(shí)隙和SCH時(shí)隙的時(shí)長(zhǎng)，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

6、一種CCH信道上無競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)，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(duì)EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)協(xié)議的優(yōu)先級(jí)區(qū)分信

7、道接入特性，本論文提出了一種多優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)p堅(jiān)持自適應(yīng)優(yōu)化算法。以往的多優(yōu)先級(jí)動(dòng)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(jí)業(yè)務(wù)的發(fā)送概率，并采用3維的多優(yōu)先級(jí)Markov鏈模型計(jì)算不同優(yōu)先級(jí)信息的最優(yōu)發(fā)送概率和各優(yōu)先級(jí)信息的最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)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

8、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(huì)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

9、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

10、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(duì)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(jí)區(qū)分策略將WSA報(bào)文區(qū)分為不同的優(yōu)先級(jí)，利用比例公平性原則對(duì)車輛的滿意度進(jìn)行優(yōu)化，并建立了多優(yōu)先級(jí)Markov鏈模型，以此來求解網(wǎng)絡(luò)連