车用无线自组织网络信道访问控制技术研究

发布时间：2020-11-01 20:35

　　 车用无线自组织网络(Vehicular Ad hoc Networks,VANETs)是一种应用于智能交通系统的新型移动无线自组织网络(Mobile Ad hoc Networks,MANETs)。通过车辆与车辆(Vehicle-to-Vehicle,V2V)之间、车辆与基础设施(Vehicle-to-Infrastructure,V2I)之间的相互通信,VANETs为道路上行驶的车辆提供安全告警和服务应用,提高行驶车辆的安全性和舒适性。为了实现VANETs的丰富应用,需要通信效率高、质量可靠的介质访问控制(Media Access Control,MAC)策略提供保障。但是,与传统的自组织网络相比,VANETs有着独特属性,例如快速变化的拓扑结构、节点密度变化幅度大、业务传输需求各异等,使得大量成熟的MANETs MAC协议难以胜任这种新的网络环境,基于VANETs网络的MAC协议的研究与设计极具挑战性。网络的连通性是衡量VANETs通信质量的一个重要指标。尤其是在车辆密度较低的高速公路环境下,如果车辆之间无法连通,则各种服务信息和安全告警信息就很难实现有效的传递。不仅司机及乘客的服务需求无法得到满足,而且道路的安全性也难以保证。特别是在道路上有车队(Platoon)存在的情况下,网络的连通性概率将会发生变化。因此,研究基于车队的VANETs网络的连通性及其对网络的MAC协议设计产生的影响具有重要的学术意义和应用价值。本文以VANETs网络中的信道访问控制技术研究为主线,围绕以上几个方面的问题,针对IEEE 802.11p及IEEE 1609.4标准协议规定的WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)MAC存在的不足,对改进的多信道协调和多优先级支持的MAC协议、基于车队的VANETs网络中的连通性问题及连通性感知的VANETs MAC协议设计问题进行了深入的研究。IEEE 1609.4规定的多信道MAC接入机制中,固定时长的控制信道(Control Channel:CCH)时隙和服务信道时隙(Service Channel:SCH)时隙以及基于竞争的信道接入方式,无法满足安全业务和非安全业务的带宽需求。本文以通用协调时间(Coordinated Universal Time,UTC)策略为基础,提出了时隙可变的多信道协调的MAC协议,根据网络的状态动态地调整CCH时隙和SCH时隙的时长,从而提高信道的利用率和饱和吞吐率。在此基础上,区别于现有的研究,创新性地提出了一种CCH信道上无竞争的顺序ACK(ACKnowledgement)回复策略,该策略可以保证安全告警信息的可靠传递,同时通过WSA(WAVE Service Announcement)报文和ACK回复报文之间的互动,实现服务信息的SCHs信道预约及多信道之间的协调服务。为了适应VANETs网络中不同类型业务的区分服务需要,针对EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)协议的优先级区分信道接入特性,本论文提出了一种多优先级动态p坚持自适应优化算法。以往的多优先级动态优化算法一般通过估计网络中活跃节点的数目来实现网络性能优化,与这些优化算法不同,该算法根据侦听到的信道使用状况实时优化调整不同优先级业务的发送概率,并采用3维的多优先级Markov链模型计算不同优先级信息的最优发送概率和各优先级信息的最优竞争窗口值。分析和仿真结果表明,该算法可以有效地保证安全告警信息的优先传递并能提高CCH信道上的吞吐量。在有车队这种特殊的车辆行驶方式存在的VANETs中,网络的连通性能将会发生很大的变化。而以往的研究并未考虑有车队存在时的网络连通情况,本文创新性地研究了基于车队的VANETs的网络连通性问题。分别分析了V2V通信环境及V2I通信环境中的网络连通性概率。给出了网络连通性概率与车辆节点数目、车辆密度、网络中车队节点所占的比例和车辆及路旁单元(Road Side Unit:RSU)的通信半径之间的关系。分析和仿真结果表明,在有车队存在的VANETs中,连通性概率较没有车队的VANETs网络能够提升10%以上。同时,由于可以借助于两条车道上的车辆中继报文,双车道下的网络连通性概率较单车道下的连通性概率最多能够增加2倍。在VANETs网络中提供服务质量(Quality-of-Service:QoS)保证的MAC机制应该同时满足业务区分服务的要求和系统整体性能最优的目标,特别是在基于车队的VANETs中,不同车队及普通车辆的服务业务具有不同的QoS需求。为实现以上目标,一种基于车队的连通性感知(Connectivity-aware)的MAC协议在本文中被研究,该协议考虑车队头车的中心节点作用以及网络的连通性对VANETs MAC协议设计及网络性能的影响,根据当前的网络状况和网络连通性需求,设计自适应的MAC协议,以此来提高网络的系统吞吐量。同时,协议采用基于满意度的多优先级区分策略将WSA报文区分为不同的优先级,利用比例公平性原则对车辆的满意度进行优化,并建立了多优先级Markov链模型,以此来求解网络连通性和信道系统吞吐量之间的关系以及根据网络状态求解最优的CCH时隙长度。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN929.5;U495
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    1.1 研究工作的背景与意义
    1.2 VANETs的国内外研究现状
        1.2.1 相关项目及标准研究现状
        1.2.2 关键技术研究现状
    1.3 本文的主要贡献与创新
    1.4 本文的结构安排
第二章 时隙可变的多信道协调MAC协议
    2.1 引言
    2.2 相关工作
    2.3 时隙可变的多信道协调MAC协议
        2.3.1 可变CCH时隙和SCH时隙策略
        2.3.2 SCH预约接入机制
        2.3.3 无竞争的顺序ACK回复策略
    2.4 最优CCH和SCH时隙长度理论分析
    2.5 结果分析
    2.6 本章小结
第三章 多优先级动态p坚持自适应优化算法
    3.1 引言
    3.2 相关工作
    3.3 多优先级动态p坚持自适应优化算法
    3.4 模型分析
        3.4.1 多优先级Markov链模型
        3.4.2 不同优先级报文发送概率的最优比值
        3.4.3 CCH信道最大系统吞吐量及延迟分析
    3.5 结果分析
    3.6 本章小结
第四章 基于车队的VANETS网络连通性研究
    4.1 引言
    4.2 相关工作
    4.3 基于车队的VANET模型
    4.4 基于车队的VANETs网络连通性分析
        4.4.1 单车道V2V网络连通性分析
        4.4.2 单车道V2I网络连通性分析
        4.4.3 双车道V2V网络连通性分析
        4.4.4 双车道V2I网络连通性分析
    4.5 结果分析
        4.5.1 单车道V2V网络连通性结果分析
        4.5.2 单车道V2I网络连通性结果分析
        4.5.3 双车道V2V网络连通性结果分析
        4.5.4 双车道V2I网络连通性结果分析
    4.6 本章小结
第五章 基于车队的连通性感知MAC协议研究
    5.1 引言
    5.2 相关工作
    5.3 基于车队的连通性感知MAC协议
        5.3.1 基于满意度的多优先级区分策略
        5.3.2 基于车队的多信道协调MAC接入机制
    5.4 理论分析
        5.4.1 基于满意度的优先级区分策略理论分析
        5.4.2 多优先级的Markov链模型及可变时隙分析
    5.5 结果分析
    5.6 本章小结
第六章 全文总结与展望
    6.1 本文工作总结
    6.2 后续工作展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果

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本文编号：2866061