車載自組網(wǎng)的通信策略與協(xié)議技術(shù)研究.pdf

1、隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，交通安全已經(jīng)日益成為全球最關(guān)注的問(wèn)題之一。結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)特性，適用于道路交通系統(tǒng)的車載自組網(wǎng)（Vehicular Ad hoc Network，簡(jiǎn)稱VANET）[1]在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生，其目的在于降低交通事故發(fā)生概率，減少事故傷害，并提高交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率。車載自組網(wǎng)可分為車與車的通信（Vehicle-to-Vechicle，V2V），以及車與路邊設(shè)施的通信（Vehicle-to-Roa

2、dside，V2R）[2]兩部分。由于車載自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化迅速，使得通信鏈路時(shí)斷時(shí)續(xù)、網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，并且在交通事故發(fā)生時(shí)，傳統(tǒng)的802.11系列協(xié)議與傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在協(xié)議上均無(wú)法實(shí)現(xiàn)告警信息快速、遠(yuǎn)距離傳輸至目的地。因此，需要專門設(shè)計(jì)適用于車載自組網(wǎng)高速移動(dòng)環(huán)境及特殊應(yīng)用場(chǎng)合的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
　　 本文著眼于車載自組網(wǎng)通信策略與協(xié)議技術(shù)，針對(duì)車載通信的四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。首先，針對(duì)車載自組網(wǎng)的車輛終端具有高

3、速移動(dòng)性的特點(diǎn)，理論分析了各協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐表現(xiàn)；然后，借助定向天線指向性、高增益與空間復(fù)用的特點(diǎn)，提出了MAC協(xié)議的改進(jìn)算法以提高網(wǎng)絡(luò)容量；接下來(lái)，對(duì)于車輛節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域的信道競(jìng)爭(zhēng)接入問(wèn)題，分析了基于Black-burst信號(hào)的優(yōu)先權(quán)接入算法；最后，針對(duì)車載自組網(wǎng)容延遲的特性，從路由協(xié)議上進(jìn)行了改進(jìn)，提出基于Kalman濾波器預(yù)測(cè)理論的路由算法，達(dá)到傳輸可靠性的保證。
　　 本文主要取得如下研究成果：
　　 1針對(duì)車載自

4、組網(wǎng)車輛終端具有高速移動(dòng)性的特點(diǎn)，基于時(shí)隙ALOHA和預(yù)約ALOHA各自在車載自組網(wǎng)中的吞吐分析，提出一種在高速車輛運(yùn)動(dòng)環(huán)境下，適合節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的SR-ALOHA協(xié)議，采用動(dòng)態(tài)切換協(xié)議的方法適應(yīng)速率變化帶來(lái)的通信鏈路時(shí)斷時(shí)續(xù)。使得車載自組網(wǎng)在速率變化的環(huán)境下協(xié)議具有較高的吞吐表現(xiàn)、較低的端到端傳輸延時(shí)。并通過(guò)仿真驗(yàn)證了可行性。
　　 2定向天線可以提高無(wú)線信道的空間重用，它的指向性可以提高天線增益，擴(kuò)展天線的信號(hào)傳播范圍并減少消息

5、傳輸至目的地所需要的跳數(shù)。借助定向天線相對(duì)于傳統(tǒng)的全向天線的這些優(yōu)勢(shì)，采用基于本地天線波束表機(jī)制的多信道改進(jìn)MAC協(xié)議，分析車輛密集環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能。測(cè)試結(jié)果證明，采用定向天線的車載自組網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)容量方面的性能表現(xiàn)優(yōu)于其他多信道MAC協(xié)議。
　　 3在基于上述定向天線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離覆蓋的前提下，提出一種基于非線性Black-burst信道競(jìng)爭(zhēng)算法的MAC協(xié)議，解決車載自組網(wǎng)多跳通信中如何選擇最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)作為下一跳中繼的問(wèn)題。該協(xié)議分為兩

6、種競(jìng)爭(zhēng)方式：LBb和NBb，分別采用線性量化與非線性量化的方式分配競(jìng)爭(zhēng)信道的時(shí)隙。分析比較了這兩種算法的復(fù)雜度與性能，仿真結(jié)果表明采用非均勻劃分的NBb算法相對(duì)于均勻劃分的LBb算法，具有更高的成功選擇概率、更少的迭代過(guò)程與開(kāi)銷。
　　 4介紹了車載容延遲網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)，針對(duì)這種網(wǎng)絡(luò)間歇性連接的特點(diǎn)，分析得出使用節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制，保證了信息的可靠傳輸。提出的信息感知路由協(xié)議基于Kalman濾波器預(yù)測(cè)理論，采用本地歷史