車用無線自組織網(wǎng)絡信道訪問控制技術(shù)研究.pdf

1、車用無線自組織網(wǎng)絡(Vehicular Ad hoc Networks, VANETs)是一種應用于智能交通系統(tǒng)的新型移動無線自組織網(wǎng)絡(Mobile Ad hoc Networks, MANETs)。通過車輛與車輛(Vehicle-to-Vehicle, V2V)之間、車輛與基礎設施(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應用，提高行駛車輛的安全性

2、和舒適性。為了實現(xiàn)VANETs的豐富應用，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)絡相比，VANETs有著獨特屬性，例如快速變化的拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點密度變化幅度大、業(yè)務傳輸需求各異等，使得大量成熟的MANETs MAC協(xié)議難以勝任這種新的網(wǎng)絡環(huán)境，基于VANETs網(wǎng)絡的MAC協(xié)議的研究與設計極具挑戰(zhàn)性。
　　網(wǎng)絡的連通性是衡量VANETs通信質(zhì)量的

3、一個重要指標。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，則各種服務信息和安全告警信息就很難實現(xiàn)有效的傳遞。不僅司機及乘客的服務需求無法得到滿足，而且道路的安全性也難以保證。特別是在道路上有車隊(Platoon)存在的情況下，網(wǎng)絡的連通性概率將會發(fā)生變化。因此，研究基于車隊的VANETs網(wǎng)絡的連通性及其對網(wǎng)絡的MAC協(xié)議設計產(chǎn)生的影響具有重要的學術(shù)意義和應用價值。
　　本文以VANETs網(wǎng)絡中的信道訪問控制技術(shù)研究

4、為主線，圍繞以上幾個方面的問題，針對IEEE802.11p及IEEE1609.4標準協(xié)議規(guī)定的WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments) MAC存在的不足，對改進的多信道協(xié)調(diào)和多優(yōu)先級支持的MAC協(xié)議、基于車隊的VANETs網(wǎng)絡中的連通性問題及連通性感知的VANETs MAC協(xié)議設計問題進行了深入的研究。
　　IEEE1609.4規(guī)定的多信道MAC接入機制中，固定時長的控制信道(

5、Control Channel:CCH)時隙和服務信道時隙(Service Channel:SCH)時隙以及基于競爭的信道接入方式，無法滿足安全業(yè)務和非安全業(yè)務的帶寬需求。本文以通用協(xié)調(diào)時間(Coordinated Universal Time, UTC)策略為基礎，提出了時隙可變的多信道協(xié)調(diào)的MAC協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡的狀態(tài)動態(tài)地調(diào)整CCH時隙和SCH時隙的時長，從而提高信道的利用率和飽和吞吐率。在此基礎上，區(qū)別于現(xiàn)有的研究，創(chuàng)新性地提出了

6、一種CCH信道上無競爭的順序ACK(ACKnowledgement)回復策略，該策略可以保證安全告警信息的可靠傳遞，同時通過WSA(WAVE Service Announcement)報文和ACK回復報文之間的互動，實現(xiàn)服務信息的SCHs信道預約及多信道之間的協(xié)調(diào)服務。
　　為了適應VANETs網(wǎng)絡中不同類型業(yè)務的區(qū)分服務需要，針對EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)協(xié)議的優(yōu)先級區(qū)分信

7、道接入特性，本論文提出了一種多優(yōu)先級動態(tài)p堅持自適應優(yōu)化算法。以往的多優(yōu)先級動態(tài)優(yōu)化算法一般通過估計網(wǎng)絡中活躍節(jié)點的數(shù)目來實現(xiàn)網(wǎng)絡性能優(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時優(yōu)化調(diào)整不同優(yōu)先級業(yè)務的發(fā)送概率，并采用3維的多優(yōu)先級Markov鏈模型計算不同優(yōu)先級信息的最優(yōu)發(fā)送概率和各優(yōu)先級信息的最優(yōu)競爭窗口值。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、隊這種特殊的車輛行駛方式存在的VANETs中，網(wǎng)絡的連通性能將會發(fā)生很大的變化。而以往的研究并未考慮有車隊存在時的網(wǎng)絡連通情況，本文創(chuàng)新性地研究了基于車隊的VANETs的網(wǎng)絡連通性問題。分別分析了V2V通信環(huán)境及V2I通信環(huán)境中的網(wǎng)絡連通性概率。給出了網(wǎng)絡連通性概率與車輛節(jié)點數(shù)目、車輛密度、網(wǎng)絡中車隊節(jié)點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，在有車隊存在的VANETs

9、中，連通性概率較沒有車隊的VANETs網(wǎng)絡能夠提升10％以上。同時，由于可以借助于兩條車道上的車輛中繼報文，雙車道下的網(wǎng)絡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)絡中提供服務質(zhì)量(Quality-of-Service:QoS)保證的MAC機制應該同時滿足業(yè)務區(qū)分服務的要求和系統(tǒng)整體性能最優(yōu)的目標，特別是在基于車隊的VANETs中，不同車隊及普通車輛的服務業(yè)務具有不同的QoS需求。為實現(xiàn)以上目標，一種

10、基于車隊的連通性感知(Connectivity-aware)的MAC協(xié)議在本文中被研究，該協(xié)議考慮車隊頭車的中心節(jié)點作用以及網(wǎng)絡的連通性對VANETs MAC協(xié)議設計及網(wǎng)絡性能的影響，根據(jù)當前的網(wǎng)絡狀況和網(wǎng)絡連通性需求，設計自適應的MAC協(xié)議，以此來提高網(wǎng)絡的系統(tǒng)吞吐量。同時，協(xié)議采用基于滿意度的多優(yōu)先級區(qū)分策略將WSA報文區(qū)分為不同的優(yōu)先級，利用比例公平性原則對車輛的滿意度進行優(yōu)化，并建立了多優(yōu)先級Markov鏈模型，以此來求解網(wǎng)絡連