基于多目标优化的VANET安全信息自适应广播协议跨层设计

发布时间：2017-05-10 11:26

  本文关键词：基于多目标优化的VANET安全信息自适应广播协议跨层设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着无线通信技术和汽车工业的发展,智能交通系统应运而生。作为智能交通系统的关键技术之一,车辆自组织网(Vehicular Ad Hoc Network, VANET)越来越受到研究人员的重视。在面向交通安全方面的应用中,VANET主要利用广播的方式传输车辆周期性安全消息和事件触发类消息,保证消息传输的实时性和可靠性。然而,VANET环境中车辆运动速度快、网络拓扑变化频繁、信道质量不稳定等特点,给安全类信息的传输提出了新的挑战,如何设计能够提供可靠广播服务的媒体接入控制协议成为VANET领域的研究重点。为了提高车辆安全信息广播的可靠性和稳定性,本文利用时分多址技术与载波监听多路访问技术,设计了包含路侧设备的车辆安全信息广播机制,并采用跨层协议设计思想对媒体接入控制层与物理层进行联合优化设计。本文的主要研究内容和贡献包括：(1)深入分析并研究了VANET车辆安全信息广播中媒体接入控制协议、物理层参数优化及跨层协议设计的研究现状,探索了有待进一步研究的问题,建立了VANET中车辆安全信息广播的网络通信模型。(2)针对安全类信息的传输,本文基于时分多址技术与载波监听多路访问技术两种机制提出了面向车辆安全信息广播的跨层自适应MAC(Cross-layered Adaptive Medium Access Control Layer,CA-MAC)协议设计方案。该协议采用集中式与分布式融合机制,利用路侧设备作为集中控制器,负责其覆盖范围内所有已接入网络的车辆的时隙调度与分配,并可以根据车辆密度的大小进行协议帧长的自适应调整；路侧设备覆盖范围内的各车辆节点采用时分多址技术周期性地广播车辆安全类消息,并进行分布式物理层参数协同优化计算,同时采用载波监听多路访问技术进行紧急预警消息的传输和新车入网的申请。(3)在时分多址技术框架下,本文基于协同差分进化策略提出了CA-MAC传输控制参数多目标分布式协同优化算法。该算法中车辆节点以自身物理层传输速率和功率作为联合决策变量,以网络延迟、丢包率、有效吞吐量为优化目标,根据物理层得到的信号与干扰噪声比统计值自适应调整各优化目标的权值,并利用车辆周期性安全消息传递车辆自身计算结果及获取其他车辆优化结果,以实现传输控制参数的分布式协同优化过程。(4)本文以高速公路为应用场景,利用交通仿真软件SUMO、网络通信仿真软件NS2构建了VANET车辆安全信息广播网络场景,讨论并确定了CA-MAC协同优化算法中的主要参数,同时对本文所设计的协议在高速公路场景中的网络性能进行了对比验证与分析。
【关键词】：车辆自组织网 车辆安全信息 时分多址技术 跨层优化 差分进化
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 引言13-23
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.2.1 VANET中MAC协议设计研究进展14-16
• 1.2.2 VANET中PHY层参数优化研究进展16-17
• 1.2.3 VANET中跨层协议研究进展17-19
• 1.2.4 研究现状总结19-20
• 1.3 论文主要贡献与结构安排20-23
• 2 VANET中车辆安全信息广播网络模型23-33
• 2.1 VANET概述23-26
• 2.1.1 VANET系统架构23-24
• 2.1.2 VANET安全类应用场景24-25
• 2.1.3 VANET基本特征25-26
• 2.2 VANET系统无线接入标准26-29
• 2.2.1 IEEE 802.11p PHY层26-28
• 2.2.2 IEEE 802.11p MAC层28-29
• 2.3 车辆安全信息广播网络模型29-31
• 2.3.1 道路交通模型29-30
• 2.3.2 车辆通信信道模型30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 3 车辆安全信息广播MAC协议跨层优化设计33-45
• 3.1 VANET跨层协议设计的基本原理33-35
• 3.1.1 无线网络跨层协议设计方法33-34
• 3.1.2 VANET中跨层协议设计分析34-35
• 3.2 CA-MAC协议设计架构35-37
• 3.3 CA-MAC协议实现机制37-44
• 3.3.1 帧结构设计37-40
• 3.3.2 Beacon消息设计40-41
• 3.3.3 时隙分配方法41-42
• 3.3.4 车辆申请时隙机制42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 CA-MAC传输控制参数多目标分布式协同优化算法45-61
• 4.1 车辆安全信息传输控制参数优化的基本原理45-46
• 4.2 CA-MAC传输控制参数分布式协同优化算法框架46-49
• 4.3 车辆广播传输控制参数多目标协同优化模型49-55
• 4.3.1 优化约束条件49-51
• 4.3.2 决策变量与目标函数51-55
• 4.4 传输控制参数多目标优化模型分布式求解算法55-60
• 4.4.1 优化问题编码56-57
• 4.4.2 基于IDE的车辆广播传输参数协作差分进化算法57-60
• 4.5 本章小结60-61
• 5 仿真设计与验证分析61-77
• 5.1 仿真工具介绍61-63
• 5.1.1 网络仿真软件NS261
• 5.1.2 交通仿真软件SUMO61-63
• 5.2 CA-MAC中协同进化算法控制参数分析63-66
• 5.3 CA-MAC协议性能验证分析66-74
• 5.3.1 仿真参数与场景设置66-67
• 5.3.2 CA-MAC时隙接入性能分析67-69
• 5.3.3 CA-MAC网络性能估计分析69-71
• 5.3.4 CA-MAC多目标网络性能优化分析71-74
• 5.4 本章小结74-77
• 6 结论与展望77-79
• 6.1 结论77-78
• 6.2 展望78-79
• 参考文献79-83
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果83-85
• 学位论文数据集85

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