基于WAVE的车联网消息传输机制的研究与实现

发布时间：2019-08-27 20:34

【摘要】：车联网由高速移动的车辆和部署在道路两侧的基础设施单元构成,可以广泛地应用于车辆管理、自动驾驶、安全预警和电子收费等领域,具有很高的研究与应用价值。网络中的节点之间以相互协作的方式组建网络,实现数据包的路由和传递。但是由于汽车的高速移动性,网络拓扑动态变化,链路频繁切换,这对移动车辆节点之间的通信带来了巨大的挑战。信息的有效和可靠传递是车联网中亟待解决的问题。本文针对以上问题提出了一种有效、可靠的车联网信息传输解决方案,主要完成以下工作:介绍并分析了 WAVE和IEEE 802.11p基本内容;研究基于WAVE短消息协议的车联网消息传输机制,并对协议中的关键功能模块进行了实现;设计一种基于SDN的车联网路由机制;搭建仿真平台,完成功能和性能的验证。基于WAVE和IEEE 802.11p的网络通信模型专门针对车联网通信场景提出而设计,能更好地适应节点的高速移动性和信道的频繁切换。论文首先介绍了车联网中的无线通信方案(Wireless Access in Vechicular Environment,WAVE)与 IEEE 802.11p无线通信标准,研究和分析了 WAVE协议栈的组成、运行机制。随后,本文详述了基于WAVE短消息协议(WAVE Short Message Protocol,WSMP)的车联网消息传输机制,并对协议中的关键功能模块进行了实现。论文基于Linux内核和网络协议栈接口,设计和实现了基于WAVE协议栈的通信模块,支持WSMP协议和4G双通信标准。本文硬件平台选取Raspberry Pi开发板以及华为E3276无线USB网卡,软件平台基于Linux内核4.6版本。根据Linux内核提供的API接口,对WAVE协议作出了设计和实现。软件定义网络(Software Defined Network,SDN)分离控制和转发,实现了良好的网络灵活性和管理能力。本文提出一种基于WAVE/IEEE 802.11p和4G无线通信技术的异构网络,在车联网中引入SDN架构,通过控制器代理行驶路由决策的能力,定义优先区域和黑洞区域的概念,引导网路中数据包的路由转发,实现更高效的路由。并设计了基于SDN的路由修复机制,当网络失去与中央控制器连接时依然能保持较好的网络通信能力。最后,通过搭建仿真实验平台,对本文设计的车联网消息传输机制进行了功能的验证与性能分析。仿真结果表明:本文所提出的基于WAVE的车联网消息传输机制,通过结合4G和IEEE 802.11p无线通信技术,并在网络中引入SDN架构,能够更好地适应车联网网络拓扑动态变化、链路切换频繁的场景。通过优先区域和黑洞区域有效地避开路由中局部最小化问题,有效地提升网络中通信的有效性和可靠性。文末对全文进行了总结,并对下一步研究工作进行展望。
【图文】：

图１－１典型的车联网架构逡逑Ｆｉｇｕｒｅｌ－１邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ＶＡＮＥＴ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ逡逑（４）车辆的高速移动性ｔｉｙ。逡逑随着车辆行驶，链路切换频巧，ＯＢＵ、ＲＳＵ么间的通信对周围环境变感。同时车辆的高速移动容易造成严重的多普勒效应。另一方面。移动节布情况和车流量密度，也很大程度影响了路由过程中下一跳节点的选择。在设计时必须考虑到这一特点，避免路由失效而导致网络巧瘦。逡逑（５）网络规模大，拓扑变化频巧［１６］。逡逑车联网中的移动节点可Ｗ随机分布在比较广泛的区域，网络时刻动态变行车环境中周围路况的不确定因素，对通信性能的要求较高。逡逑为了完善智能交通系统的发展，W'ＥＥ成立了相关的工作小组，颁布了邋０９标准协议族和车载无线通信标准记ＥＥ邋８０２．１邋Ｉｐ，提出了邋ＷＡＶＥ车辆无线网络的通信协议标准＾７１。逡逑ＷＡＶＥ协议找的提出是为了满足车联网中的紧急消息传输需求，为安全等型的消息提供了专用的控制信道，提供的服务类型照用途可Ｈ

２车联网架构及ＷＡＶＥ协议研究逡逑联网遵循移动自组织网络（Ｍｏｂｉｌｅ邋ａｄ－ｈｏｃ邋Ｎｅｔｗｏｋｉｎｇｄ，邋ＭＡＮＥＴ）的准能交通系统的关键组成部分。起初车联网还只是作为移动自组织网路的领域，并未广泛受到关注【ｗ】。而自２０００年之后，车联网迅猛发展，已经动自姐织网络中发展成为一个新的热口研究领域。截止２０１５年，车联网车辆间通信（ＩＶＣ，邋Ｉｎｔｅｒ－ｖｅｈｉｃｌｅ邋ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）的代名词，还包含车与路ＳＵ，邋Ｒｏａｄ邋Ｓｉｄｅ邋Ｕｎｉｔｓ）之间的通信ｌｉ／ｌ及巧窝网络通信。逡逑车联网体系架构概述逡逑典型的车联网体系架构包含ＯＢＵ车载单元、ＲＳＵ路Pt基础设施单元：网辆之间、车辆与路侧基础设施单元之间使用无线技术通信，，车辆与基站蜂窝网络技术。图２－１展示了车联网架构ＰＷＷ。逡逑…制中也逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.5;U495

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本文编号：2529958