车辆自组织网络无线接入若干算法研究

发布时间：2020-10-11 23:30

　　 车辆自组织网络(VehicularAdHocNetwork,VANET)是智能交通系统(IntelligentTransporta-tion Systems,ITS)的重要组成部分之一,承载了智能交通系统中大量关键的车辆安全应用和交通效率类应用,由于车辆自组织网络具有网络拓扑变化快、频谱资源有限和节点移动路径可预测等特点,其无线接入算法的设计极具挑战性。本学位论文从多信道可变间隔接入、协议序列分配、车辆用户分级接入和簇内服务信道资源分配4个方面对车载自组织网络的无线接入算法展开了研究。论文的主要工作和创新之处如下:1.针对无线接入车载环境(Wireless Access in Vehicular Environments,WAVE)协议的碰撞概率较大以及信道资源分配不合理这一特点,提出一种基于多轮淘汰竞争的多信道接入算法。该算法将控制信道间隔分为三个子阶段:路边单元广播阶段、安全消息广播阶段以及服务信道预约阶段。具体而言,在路边单元广播阶段,路边单元广播协调包告知周围的车辆节点其下一个阶段的广播时隙位置;在安全消息广播阶段,车辆节点基于路边单元的广播消息无碰撞地接入信道;在服务信道预约阶段,车辆节点通过基于多轮淘汰机制的竞争解决方案来减少传输碰撞概率,提高成功预约数,此外,采用一种基于轮空调度的车辆业务分级改进算法来处理该阶段不同优先级车辆用户的接入问题,高优先级车辆用户在淘汰过程的第一个轮次避开竞争,因而有更高的概率在整个竞争过程中胜出。考虑到网络的动态特性,所提多信道接入算法可以自适应地调整一个帧间隔内各个阶段的间隔大小和服务信道预约阶段的竞争轮数来提升服务信道吞吐量性能。理论分析与仿真结果表明所提算法可以充分利用控制信道和服务信道的资源,有效地降低服务信道预约阶段的碰撞概率,并且其服务信道饱和吞吐量性能要好于可变控制信道间隔(Variable CCHInterval,VCI)协议和WAVE协议。2.针对车辆自组织网络中协议序列的分配依赖于路边单元并且序列资源大量浪费的缺点,提出两种自适应序列分配方案。其中,矩形单元方案用于直线路段上车辆无冲突地占用序列,正六边形方案用于城市场景下车辆的自适应序列分配。本文研究了作为序列分配基础的广义质序列的和序列的性质,并给出了车辆节点生成单元标记以及自适应占用序列的具体算法。仿真结果表明所提两种方案相对于基于车辆节点所在位置的单一分配方案而言提升了网络的协议序列利用率和吞吐量性能。3.针对基于时分复用的车辆自组织网络的时隙浪费问题,提出一种基于双阶段时隙分配的车辆用户分级算法。该算法将车辆节点分为骨干节点和普通节点,在第一个阶段,所有车辆节点采用相同的时隙占用方式占有单个时隙；在第二个阶段,部分普通节点可以升级为骨干节点,骨干节点在该阶段占用更多的时隙。本文分别给出了双阶段时隙的占用方法以及节点的动态升级过程。此外,重点分析了所提算法的时隙利用率以及广播时延性能。理论分析与仿真结果表明所提算法在时隙利用率和广播时延上比单阶段单时隙占用算法具有更好的性能。4.针对车辆自组织网络分簇方案中服务信道资源浪费的问题,提出一种自适应服务信道时隙分配算法。该算法由时隙预分配算法和二次分配算法两部分组成。预分配算法中簇成员节点根据其在控制信道内占有的时隙位置预约部分服务信道时隙;二次分配算法中所有簇成员节点通过轮询方案对剩余的未预约时隙进行占用,考虑到固定的簇成员用户二次分配调度方式会持续降低部分用户的时隙占有率,采用一种基于轮换机制的改进算法,使得簇成员节点的二次分配过程根据簇稳定间隔数进行自适应调度。仿真结果表明所提自适应服务信道时隙分配算法可以充分地利用服务信道资源,而且能够保证簇内成员间的长期公平性。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.5;U495
【部分图文】：

＞特定应用反馈消息??图１．２车路系统信息流??Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ?Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＩＴＳ）的车辆自组织网络分层协议框架，如图１．３所示。?????乙’?应用层支持中间件??＜二７＞?ｍｓ?信息服务中间?＾舌服务中间??０?Ｚ??—丨丨…?＇?丨??＜＾二二＞?构件层?＜￣〉?ＩＴＳ传输层?ＴＣＰ／ＵＤＰ??管????．．?安?Ｉ?Ｌ．??理?ｊ＼?ＩＴＳ?网?Ｇｅｏ－?其它协?ＩＰｖ６＋??票?，?＾???罢?络层?Ｒｏｕｔｉｎｇ?议?移动扩展??＾?＜＝＞｜网络与传输层?〇????７?接入技术???＾?＇?节点外部接口?节点内部接口??接入层?＜＿一〉?５．９ＧＨｚ?ＷＩＦＩ?ＧＰＳ?３Ｇ／４Ｇ?以太网蓝牙??图〗．３车辆自组织网络分层协议框架??该协议栈主要由６个部分构成，分别是：接入层、网络与传输层、构件层、应用??层、管理单元和安全单元。各个协议层和相关单元的功能如下：??（１）接入层??接入层的主要功能是提供面向各种底层接入技术的接口，这类接口包括两种：面??向内部通信的接口和面向外部通信的接口。其中

是为应用层提供接口服务和自动配置服务，实际上，在具体的协议栈设计过程中，构件??层的相关组件可以采用系统后台运行的方式并入到应用层中。除了上述基于分层的车??辆自组织网络协议栈外，文献［１９］提出一种跨层的协议栈框架，如图１．４。为了减轻结??构化设计的复杂性并与传统分层协议框架加兼容，其采用了与分层结构相似的单层核??心结构。但是，层与层之间的接口设计完全不同，跨层协议栈框架中上层应用可以越过??—系列不必要的协议层直接到达其所需要的服务，当数据从外部到达协议栈底部时，每??一个协议层均需判断是否需要将该数据上传到下一个协议层或者直接传递给相关应用。??＼／?￣［?应ＪＤ协议层??—Ｉ数据服务￣Ｉ－?－……??外部信总包括｜??｝Ｖ?｜??ｇｐｓ，车内传感器等胡?１?ｚｚ?ｎ?；?￣?１?ｓ??ｉ?ｉ?ｔＩ??一＾?ｉｉ?｜」去??ｔ?—??—?物理层?－??图１．４车辆自组织网络跨层协议框架??１．２．４车辆自组织网络典型应用??文献［２０］对车辆用户的需求做了总结，将车辆自组织网络的应用分为了下面几类：??安全应用、交通效率应用和娱乐应用。其中，安全应用包括交通信号违规警告、弯道变??速警告、应急电子刹车灯、碰撞检测、协作碰撞警告、左转辅助、变道警告和停车辅助??等。交通效率类应用主要包括路径导航、红绿灯优化调度、车速提示和并道辅助。而娱??乐和信息类应用主要涉及过境收费、兴趣点通知、燃料消耗管理和多跳无线Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接??入等。??表１．１给出了一些安全应用的通信系统设计指标，可以看到消息的传递模式有两种，??分别为周期性广播和事件驱动型广播。其中

（ｂｅｓｔ?ｅｆｆｏｒｔ?ｔｒａｆｆｉｃ）、ＡＣ＿ＶＯ?（ｖｏｉｃｅ?ｔｒａｆｆｉｃ）和?ＡＣ—ＶＩ?（ｖｅｄｉｏ?ｔｒａｆｆｉｃ型数据接入信道的仲裁巾贞间间隔（Ａｒｂｉｔｒａｔｉｏｎ?Ｉｎｔｅｒ?Ｆｒａｍｅ?Ｓｐａｃｅ，，提高高优先级数据接入的概率。??Ｃｈ．?１７５?????Ｃｈ．?１８１??＾?２０ＭＨｚ?＾?＾?２０ＭＨｚ?＾??Ｃｈ．?１７２?Ｉ?Ｃｈ．?１７４?Ｃｈ．?１７６?Ｊ?Ｃｈ．?１７８?Ｃｈ．?１８０?Ｃｈ．?１８２?Ｃｈ．?１０ＭＨｚ?”?１０ＭＨｚ?１０ＭＨｚ?Ｐ?＜?１０ＭＨｚ?￣?１０ＭＨｚ?１０ＭＨｚ?１０ｚ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ?１?ｉ．８５５?５．８６０?５．８６５?５．８７０?５．８７５?５．８８０?５．８８５?５．８９０?５．８９５?５．９００?５．９０５?５．９１０?５．９１５?５．９ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?ＧＨｚ?Ｇ图１．５?ＦＣＣ信道分配??针对车载环境而制定的１６０９标准家族主要包括４个子标准：ＷＡＶ６０９．０［３７］）、ＷＡＶＥ应用和管理信息安全服务（ＩＥＥＥ?］６０９．２［３８］）、ＷＡ?１６０９．３［３９］）和ＷＡＶＥ多信道操作（ＩＥＥＥ１６０９．４＿）。ＷＡＶＥ协议６所示，在该协议栈的底层，由ＴＥＥＥ?８０２．】?Ｉｐ标准定义物理层和ＭＩＥＥＥ?１６０９．４标准对ＩＥＥＥ?８０２．丨ｌｐ进行了扩展，主要将信道切换引
【参考文献】

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1 默罕莫德·默森;许凯凯;夏玮玮;吴怡;沈连丰;;荒漠场景应用的车联网及其分簇路由算法[J];通信学报;2012年10期

2 杨琼;沈连丰;;车载自组织网络的体系结构和通信协议研究[J];中兴通讯技术;2011年03期

3 江昊;陈立家;晏蒲柳;;VANET信道规律探讨与建模[J];武汉大学学报(理学版);2008年01期

4 陈立家;江昊;吴静;郭成城;徐武平;晏蒲柳;;车用自组织网络传输控制研究[J];软件学报;2007年06期

本文编号：2837286