面向车联网安全应用的数据广播技术研究

发布时间：2018-12-17 17:41

【摘要】：车载自组织网络VANET (Vehicular Ad-hoc Network)利用无线通信网络技术构建高效智能交通系统以提高道路交通安全和效率,具有重要的研究价值和社会意义,近年来受到全球范围内学术界和工业界的广泛关注。在车联网的诸多应用中,安全应用对数据传输的服务质量要求越来越高,亟需高效的广播协议来满足不断增长的需求。而车辆高速移动、网络拓扑高度动态变化以及无线信道的衰落和干扰,使得车联网中数据传输面临着严峻挑战。本文分别从物理链路、网络拓扑和应用业务三个层面研究了车联网中安全消息的广播优化算法。针对城市和高速路场景的不同特点,分别设计了基于发送方和基于接收方中继决策的广播路由,本文的主要研究内容和贡献如下:首先,针对多跳广播最基本的中继转发节点选择问题,结合发送方主动指定和接收方分布式协作的优势,提出一种动态预估最小期望时延的可靠广播方案。该方案在发送方选择中继节点时,利用城市道路全局的距离和方向等静态因素来指导中继选择的范围,利用局部的链路质量、车辆移动、信道竞争和干扰等动态因素来建模分析节点的一跳转移概率和转移时延,以预估选择某个邻居为中继时的最小期望时延度量节点的转发质量来优选中继。针对广播可靠性不稳定的问题,提出了非指定中继分布式协作转发的策略,确保广播的连续性。仿真结果表明所提算法兼顾了广播的时效性和可靠性,同时具有较低冗余。其次,针对基于发送方的中继策略在拓扑快速变化场景下可靠性急剧下降的问题,提出一种基于接收方分布式竞争转发的快速广播方案。针对现有的分布式转发方案在稀疏网络中存在“慢反应”、在密集网络中存在“局部广播风暴”的问题,提出一种低负载、自适应的感知策略。该策略利用网络中已有的BSM消息收集发送节点的局部拓扑信息,嵌入到广播报文中协助接收节点认知先验拓扑结构来统一调整转发等待时延;还利用车流密度与行车速度的线性关系跟踪网络状态的变化,自适应地调整转发概率。针对密集网络中广播发送节点的拓扑信息导致网络负载剧增的问题,感知策略提炼了拓扑的特征信息用于接收节点转发优先级调度。仿真结果表明所提算法具有较低的时延和冗余以及较高的广播效率。自适应的局部拓扑感知技术完全是自组织方式,具有良好的拓展性。最后,针对现有的广播协议大多数只考虑消息类型来区分信道接入优先级、而忽略了消息紧急程度随时间和空间动态变化的问题,提出了一种新颖的基于安全消息消息量化的高效广播方案。分析了网络中消息的安全信息量随时间、空间的变化规律,通过紧急程度来形象地度量消息所含有的安全信息量,并推导了消息紧急程度量化表达式。针对车流密度和节点分布动态变化特性,研究了消息的一跳有效覆盖增益,结合安全信息量化值,推导了消息的一跳广播收益,并基于此收益值设计了消息的优先级调度机制。所提广播方案旨在实现安全信息量全网的最大化覆盖,满足更多的节点接收更紧急安全消息的期望。仿真结果表明所提算法具有较高的车辆覆盖率和广播效率以及更低的投递时延。
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【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.5;U495

【参考文献】