車聯(lián)網(wǎng)V2I通信媒體接入控制技術(shù)研究.pdf

1、我國是全球最大的汽車生產(chǎn)國和消費國，車輛已成為城市的重要組成部分。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市人口不斷增加，在百萬人口以上的大城市里，交通擁堵、車輛事故、環(huán)境污染已成為日常生活中一道亟待解決的難題。目前，世界各國都在積極探尋提高交通效率，使城市交通向智能化演進(jìn)的解決方案。在這樣的背景下，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生。這種無線通信技術(shù)可以使車輛實現(xiàn)實時交通信息獲取、路線規(guī)劃、變換車道預(yù)警、碰撞預(yù)警、互聯(lián)網(wǎng)接入等智能駕駛功能，從而改變傳統(tǒng)的駕駛概念，在現(xiàn)

2、有城市規(guī)劃的基礎(chǔ)上提高城市交通的運行效率。簡而言之，車聯(lián)網(wǎng)將通信技術(shù)融入了車輛、交通工程領(lǐng)域，通過環(huán)境感知、信息交互、信息整合實現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)的跨越式發(fā)展。
　　車聯(lián)網(wǎng)是以約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行無線通信和信息交換的網(wǎng)絡(luò)。目前，學(xué)術(shù)領(lǐng)域主要將車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為兩類：車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施（V2I，Vehicle to Infrastructure）的通信和車輛間（V2V，Vehicle to Vehicle）的通信。其中，V2I通信

3、允許車輛在行駛過程中與路邊基礎(chǔ)設(shè)施（RSU，Road Side Unit）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以獲得所處區(qū)域乃至整個城市的交通信息，在信息總體整合的基礎(chǔ)上對每個終端提供相應(yīng)的駕駛指導(dǎo)和預(yù)警服務(wù)，在支持業(yè)務(wù)種類方面比V2V通信更具有優(yōu)勢。因此，V2I通信一直是智能交通的重點研究領(lǐng)域，近年來得到了大量關(guān)注?；谏鲜隹紤]，本文的研究內(nèi)容主要針對V2I通信。
　　無線通信的媒體接入控制子層（MAC，Media Access Control s

4、ublayer）提供媒體接入控制功能，并對物理層（PHY，PHYsical layer）起到向下控制作用，媒體接入控制協(xié)議決定了能否對信道資源進(jìn)行高效的調(diào)度，保障服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Service）。V2I通信的PHY層和MAC層采用IEEE802.11p協(xié)議實現(xiàn)。然而，IEEE802.11系列協(xié)議的設(shè)計初衷主要面向室內(nèi)低移動性用戶，提供盡力而為型通信服務(wù)。如果將其拓展到車載通信領(lǐng)域，現(xiàn)有的MAC層協(xié)議存在諸多問題，

5、并且無法提供 QoS保障。針對上述問題，本文對 V2I通信的MAC層媒體接入控制技術(shù)進(jìn)行了研究，重點著眼于V2I通信速率控制、基于多用戶多速率場景的MAC層 DCF性能建模以及引申的RSU部署策略、稀疏部署RSU場景下安全類業(yè)務(wù)QoS保障的自適應(yīng)接入控制。
　　本文首先研究了IEEE802.11p協(xié)議PHY及MAC層的關(guān)鍵技術(shù)，為后文的工作提供了理論基礎(chǔ)。對于PHY層，主要研究了基于OFDM的八種多載波調(diào)制編碼方式的空口參數(shù)，并分

6、析了信道條件對誤碼率、誤包率、通信傳輸速率的影響。針對MAC層，主要研究了幾種重要的MAC層數(shù)據(jù)單元的幀結(jié)構(gòu)以及幾種常用的信道訪問機制?？紤]到本文研究主要建立于仿真分析，無線信號的傳輸模型是否準(zhǔn)確至關(guān)重要。傳統(tǒng)的針對IEEE802.11協(xié)議信道建模的研究中，通?？紤]通信節(jié)點處于靜止或低速運動狀態(tài)。應(yīng)用于V2I通信場景時，由于終端具有較高的移動性，信號的頻率選擇性衰落、多普勒頻移和多徑傳輸?shù)葐栴}勢必對信號傳輸帶來額外的影響。因此，本文對V

7、2I通信場景下的信號傳輸進(jìn)行了路測實驗。實驗結(jié)果表明，對數(shù)信號模型可以較好地反映V2I通信場景的信號傳輸特性，為后文的仿真提供了理論依據(jù)。
　　IEEE802.11p協(xié)議中對PHY層提供了多速率支持，以保障不同信道條件下的通信質(zhì)量，但并沒有指定MAC層速率選擇及切換的方案。V2I通信場景中通信節(jié)點移動性較高，信號具有快速時變特性。另外，受限于IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小，通信節(jié)點駐留時間往往較短。移動節(jié)點在接近繼而遠(yuǎn)離路邊

8、基站的過程中，接收信號強度在經(jīng)歷短時間的逐步上升后將馬上轉(zhuǎn)為衰落趨勢。針對以上問題，本文提出了一種具有快速信道響應(yīng)特性的速率控制算法，解決了現(xiàn)有速率控制算法應(yīng)用于V2I通信時難以兼顧信道響應(yīng)速度及通信誤碼率的問題。仿真結(jié)果從吞吐量、時延、誤包率三個方面綜合論證了本文提出的速率控制算法比現(xiàn)有的主流算法更加適用于V2I通信。
　　根據(jù)IEEE802.11p MAC層的共享信道機制，網(wǎng)絡(luò)性能與在網(wǎng)用戶數(shù)直接相關(guān)。V2I通信的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)當(dāng)

9、在滿足安全類業(yè)務(wù) QoS需求的前提下充分利用無線資源，避免頻譜資源的浪費。因此，如何設(shè)計高效的V2I通信網(wǎng)絡(luò)RSU部署方案，使車載終端能夠無縫接入，并保障業(yè)務(wù)的QoS需求具有重要的實際意義。針對這一問題，本文首先推導(dǎo)了V2I通信在多用戶多速率場景下的時延及吞吐量的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，本文提出了極限交通流密度條件下QoS保障的RSU接入半徑理論界，進(jìn)而提出了面向安全類業(yè)務(wù)的RSU無縫覆蓋部署策略，解決了V2I通信的QoS保障問題。

10、>　　考慮到在城市非熱點地區(qū)，RSU必然不能大規(guī)模部署。隨著交通流密度的上升，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載勢必會急劇增大，導(dǎo)致接入控制問題隨之凸顯。因此，對于稀疏部署RSU場景的V2I通信網(wǎng)絡(luò)，制定合理的接入控制策略具有重要的實際應(yīng)用價值。針對上述問題，本文提出了一種基于模糊 Q學(xué)習(xí)的V2I通信接入控制算法，解決了稀疏部署RSU場景下V2I通信安全類業(yè)務(wù)的QoS保障問題。該算法具有自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力，不需要添加信道模型、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、交通參數(shù)等先驗知識，具有優(yōu)秀