车联网链路传输及信道接入性能分析

发布时间：2020-04-18 11:52

【摘要】：车联网络作为物联网在智能交通系统中发挥着重要应用,是车辆间通信或者车辆与其它物体通信的一种载体。随着现代智能交通系统的快速发展,车联网络受到工业界和学术界越来越多的重视。由于车联网络具有其自身的一些特性,如,拓扑随时变化、行驶方向规律、延时受限等,车联网络性能受到严重限制。传统的一些无线网络技术并不能很好的适用于车联网络。为更好的分析车联网络特性、提高车联网络性能,本论文针对车联网络信道传输特性进行建模,并对车联网络应用中的一些关键技术进行展开研究,同时对不同应用场景进行建模和分析。本论文主要工作和创新点包括以下六个方面:首先,论文研究车联网中车辆访问信道时信道切换引起的高数据包碰撞问题,建立了信道切换分析模型来分析和计算信道切换引起的数据包传输碰撞概率和传输延时。在碰撞概率数学模型和传输延时数学模型建立过程中,考虑到信道切换中车辆动态竞争行为,揭示了数据包突然到达时引起的高竞争访问现象。针对这一问题,本论文设计两种解决方案:等间隔划分信道和随机间隔划分信道,并且分别给出两种解决方案下车联网络传输数据包碰撞概率模型和传输延时模型。通过仿真验证可知,提出的数据包传输碰撞概率模型和传输延时模型能够描述信道切换引起高竞争访问现象的有效性和准确性。同时,仿真结果表明提出的等间隔划分信道方案和随机间隔划分信道方案能够有效减少信道切换时引起的高竞争现象,降低数据包传输碰撞概率和数据包传输延时,同时提高车联网络吞吐量。其次,论文研究车载D2D中继网络中带有多个用户时传输容量问题。通过建立传输容量理论分析模型来分析和计算车联网络传输容量。在分析和计算过程中,假设D2D中继网络中多用户(服务车辆和辅助车辆)工作在正交模式。采用随机集合理论,服务车辆和辅助车辆在车联网络中分别服从泊松点分布。服务车辆与服务车辆通信时,计算辅助车辆存在概率和辅助车辆链路平均距离表达式从而获得传输成功概率。在辅助车辆中继传输扩大传输距离特点下,进一步获得辅助车辆辅助情况下服务车辆与服务车辆通信时传输容量,且考虑到车辆密度和传输功率因素的影响。除此之外,分析了车联网络传输容量与服务车辆与服务车辆之间通信变化的直接链路距离的关系表达式。仿真结果表明通过辅助车辆且调整通信服务车辆之间通信距离、车辆密度等因素可以有效改善传输容量。再次,论文研究5G下车联网络中可靠链路传输问题,建立一个链路服务质量指示器模型来分析和计算传输链路的传输可靠性。在毫米波车联网络中,通过链路传输成功概率和传输延时确定链路服务质量,其中不同的传输成功概率和传输延时相应权值反映链路不同的服务请求。在链路服务质量指示器模型建立过程中,分析和对比了链路服务质量指示器与车辆数目和不同车辆传输距离之间的关系。在链路服务质量指示器模型基础上,提出一个基于车载云平台的最优链路选择算法。通过实验仿真验证一定程度上增加车辆数目能够有效提高车联网络链路服务质量,同时评估车辆数目、车辆传输距离及不同权值因子对于车辆网络链路服务质量的影响。对于不同服务需求,车联网络中总是存在一条最优链路满足用户服务需求。接着,论文研究两跳中继车联网络传输链路中断性能问题,分析直接通信链路和中继通信链路两种情况,主要建立中继链路中断概率数学表达式模型分析和计算中继传输链路中断概率。在中继链路传输链路中断概率模型中,假设传输信道为瑞利衰落信道,通过计算中继辅助链路传输信噪比得到车辆与车辆通信的概率密度函数,进一步获得车辆与车辆之间通信链路的中断概率,从而反映两跳链路传输信噪比和中继增益带来的影响,其中链路中断与否的判决依据链路传输容量与设定阈值之间的对比。另外,设计一种车载设备功能结构以实现提出的最优中继路径选择算法。仿真结果验证了中断概率模型的有效性和准确性。对于不同的链路信噪比,仿真结果表明中断概率与链路信噪比之间的关系。此后,论文研究基于竞争车联网络中不同车辆负载情况下车辆访问信道时退避算法。提出一种动态自适应成功-碰撞退避算法改善基于竞争的车联网络性能。由于碰撞概率反映了车联网络性能且受到网络中车辆负载及竞争窗口变化的限制。阈值设定反映了不同车辆密度负载。另外,提出的算法通过数据包传输成功次数或碰撞次数相应的减小或者增加窗口大小以优化车联网络吞吐量和传输延时。通过仿真结果可以验证提出的动态自适应成功-碰撞退避算法能够有效改善车联网络吞吐量和传输延时方面性能,且给出了竞争窗口、车辆密度等对于车联网络性能影响,为车联网络在实际场景中合理部署提供理论参考依据。最后,论文研究了车联网络中双天线车辆和单天线车辆共存情况下访问信道的公平性问题。建立了一个公平性模型来分析和计算访问信道的公平性。在模型的建立过程中,依据双天线车辆和单天线车辆访问信道时,信道访问持续时间不同,影响不同车辆的吞吐量,从而造成不公平性问题。以车辆访问信道时吞吐量为目标,分别分析和计算双天线车辆和单天线车辆在车联网络中访问信道时的吞吐量,将单个双天线车辆和单个单天线车辆吞吐量相等判定为访问信道公平。通过仿真实验可以验证提出的公平性访问信道模型的有效性和准确性。结果表明双天线车辆与单天线车辆访问信道的公平性与网络中双天线车辆数目、单天线车辆数目、双天线车辆最小竞争窗口和单天线车辆最小竞争窗口之间的关系且总是存在合适的竞争窗口大小保证访问信道的公平性。
【图文】：

示意图,示意图,控制信道,安全信息

全相关信息[86]。IEEE802.11p 标准是在 IEEE802.11 标准的基础上增加无线访问机制以应 WAVE[87]。因此，IEEE802.11p 遵循 CSMA/CA 机制，采用二进制指数退避规则。.2.2 IEEE1609.4 多信道机制从 WAVE 标准框架中可以看出，IEEE1609.4 标准位于 IEEE802.11 之上。对于车联，可利用频谱被分为一个控制信道(Control Channel，CCH)和六个服务信道 (Servicehannels，SCHs)。控制信道用于传输系统控制帧和高优先级安全信息。服务信道用于输交换非安全信息数据包和商业娱乐信息。在 IEEE1609.4 标准中，信道时间被分为个固定时间长度为 100 ms 的同步间隔(Synchronization Intervals，SyncInterval)。一个步间隔 SyncInterval 分为控制信道间隔(Control Channel Interval, CCHI)和服务信道间(Service Channels Interval, SCHI)[88]。控制信道间隔和服务信道间隔具有相同的 50ms间间隔长度，其中包含保卫间隔(Guard Interval, GI)，如图 2.1 所示。在控制信道间隔间，网络中所有车辆切换到控制信道交换传输控制信息和安全信息。在服务信道间隔间，此时参与控制信道中信息传输的车辆各自选择切换到对应的服务信道传输服务相信息。

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东南大学博士学位论文保卫间隔时间后将开始访问信道并且传输服务数据信息，如图 2个单天线车载设备从服务信道切换到控制信道时，可能存在一些访问服务信道间隔时间到达。在控制信道间隔起始时，这些设备将开始访问信道并且传输安全信息相关数据包。同信道介质的多信道车载设备在选择访问信道时将执行同步操设备同一信道，信道切换时同步操作增加了数据包传输碰撞概率。个车载设备信道切换引起的数据包高碰撞现象，采用 MATLAB问信道的情况，其中系统仿真参数参见表 2.1。以 50ms 的时间间隔间)为对象，，仿真结果如图 2.2 所示。由图 2.2 可知，数据包碰撞后出现急剧增加。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U495;TP391.44;TN929.5

【参考文献】