车载自组织网络中基于TDMA的MAC层低冲突协议研究

发布时间：2020-10-14 21:29

　　 车载自组织网络作为智能交通系统中不可或缺的部分,是由车辆节点之间或车辆节点与路边基础设施之间通过短距通信技术实现的动态专用网络,其核心功能之一是为网络内的车辆节点提供安全类消息。由于车辆节点具有很高的移动性,导致网络拓扑变化剧烈,为了及时可靠地传输安全类消息,避免发生交通事故,则既需要节点能快速地接入网络也要求节点有常驻网络的能力。因此,研究节点如何低冲突快速地接入网络以及接入网络之后如何低冲突持续地使用网络具有很强的现实意义,本文将就这两个问题设计高效的MAC层协议。在车载自组织网络中,为了使车辆节点能够及时可靠地传输安全类消息,主流的MAC层协议都采取了基于TDMA的信道分配方式,把信道资源划分成时槽,保障节点间可以无冲突地利用信道资源。一方面,由于车载自组织网络是一个非中心化的网络,当多个节点要接入网络抢占信道资源时,会引起了大量的接入冲突;另一方面,当节点接入网络后,较高的相对速度会使得一个节点不停地融入到其他节点组成的网络中,致使已获取的时槽失效,从而出现融入冲突。接入冲突和融入冲突的出现,都会导致安全类消息无法及时传输,增大了交通事故发生的概率。为了应对上述挑战,本文在深入分析了接入冲突和融入冲突产生的原因后,提出了低冲突的接入网络协议和融入网络协议。(1)在车辆节点接入网络阶段,传统协议通常包含以下流程。首先,通过监听信道来获知存在哪些空闲时槽;然后,在随机选择的空闲时槽内发送自己的占用消息;最后,通过继续监听信道收集邻居的广播信息来确认是否成功接入网络。一旦多个节点选择竞争同一时槽将引起冲突,而传统协议还需要收集完邻居发送的信息后才能确认冲突,然后重复接入网络的过程。本文利用一种特殊的信号给予竞争时槽的节点不同的优先级,设计预先感知冲突的方案,节点在待接入的时槽内就能判断此次接入是否成功,而不需要等到收集完邻居消息之后再做判断。实验结果表明本文所提方案能有效地提高车辆节点接入网络的速度,特别是在节点密度较高的场景中。(2)在车辆节点融入网络阶段,传统协议把时槽按照车辆节点的运动方向、车速大小、车道等固定划分。节点只能根据自身特征选择使用对应的时槽,使得相对速度较大的车辆占用不同的分组,减少使用相同时槽的节点因相对移动所带来的融入冲突。除此以外,还有协议利用车辆位置信息和速度信息来预测融入冲突,让相关节点主动释放所占用时槽来减少融入冲突。本文综合以上两种解决问题的思路。首先,在时槽划分时并不严格给时槽分组,避免车流密度不平衡导致时槽的相对不足;然后,利用特殊的信号来及时地预测融入冲突;最后,再调整相关节点到其对应的时槽中来减少潜在的融入冲突。实验结果表明本文所提方案能有效地减少融入冲突,提高安全类消息的吞吐量。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5;U495
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 车载自组织网络的特点
    1.2 基于TDMA的MAC层协议研究难点
    1.3 本文研究内容
        1.3.1 基于TDMA的低冲突接入网络协议的研究
        1.3.2 基于TDMA的低冲突融入网络协议的研究
    1.4 本文组织结构
第2章 车载自组织网络中MAC层协议相关工作
    2.1 基于竞争的MAC层协议相关工作
    2.2 无竞争的MAC层协议相关工作
        2.2.1 基于TDMA的分布式MAC层协议
        2.2.2 基于TDMA的集中式MAC层协议
    2.3 混合型MAC层协议相关工作
    2.4 本章小结
第3章 基于TDMA的低冲突接入网络协议
    3.1 引言
    3.2 通告包的结构
    3.3 低冲突接入网络协议一
        3.3.1 一跳邻居间接入冲突
        3.3.2 两跳邻居间接入冲突
    3.4 低冲突接入网络协议二
        3.4.1 一跳邻居的接入冲突
        3.4.2 两跳邻居的接入冲突
        3.4.3 协议一、二的对比
    3.5 性能评估
        3.5.1 仿真环境和参数
        3.5.2 不同场景下仿真结果的性能评估
    3.6 本章小结
第4章 基于TDMA的低冲突融入网络协议
    4.1 引言
    4.2 低冲突融入网络协议的详细设计
        4.2.1 检测融入冲突
        4.2.2 预测融入冲突
        4.2.3 避免融入冲突
        4.2.4 减少潜在的融入冲突
    4.3 性能评估
        4.3.1 仿真环境和参数
        4.3.2 不同场景下仿真结果的性能评估
    4.4 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 本文工作总结
    5.2 未来工作展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

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本文编号：2841216