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《南开大学》 2010年
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车载无线自组网在车辆主动式安全应用中的关键技术研究

杨林  
【摘要】:车载无线自组网(VANETs)是运行在道路上的新型移动无线自组网,能够为针对减少交通事故而设计的车辆主动式安全应用提供基础性支持。通过基于无线局域网(WLAN)技术的专用短距离通信(DSRC),车辆驾驶人可以获得超越其视野与感知范围的信息,帮助他们对潜在的危险进行预判,对发生的事故进行避让。本文针对车载无线自组网在车辆主动式安全应用中的关键技术展开讨论,研究DSRC技术在现实车载场景中所具有的性能,分析该类型通信所面临的挑战,及在此条件下该类型应用所获得的可行方案空间,并以此理论探讨为依据,设计协议来提高通信的可靠性,扩展应用的可行方案空间。 第一,本文通过建立数理分析模型的方法,研究为安全应用提供通信能力的DSRC周期性单跳广播的性能,剖析在现实VANETs场景中,来自道路上行驶车辆密度、车辆状态数据包长度和周期性发送频率、无线通信发送功率和数据传输速率、数据包发送与接收车辆间距离等多种参数,与对安全应用可用性起决定作用的车辆状态数据包接收率、延迟时间之间的相互关系。仿真实验的结果表明,本模型对来自以上各参数具有良好的解释能力,计算所得的理论值与实验所得的仿真值基本相符,平均偏差在10%左右。 第二,在数理分析模型的基础上,本文建立研究VANETs安全应用可行方案空间的理论框架。依照该框架体系,分析安全应用在无线通信层面所面临的诸如网络节点的移动性、信道拥塞造成的冲突性、隐藏终端对传输的干扰性和无线信道的脆弱性等外部挑战:总结安全应用对支撑其运行的无线通信协议提出的来自于时间、空间和信息三个维度的内在需求;综合以上挑战和需求,描述安全应用受到无线通信制约而形成的可用性边界,提出本文所期望获得的可行方案空间,即在距离发送车辆300米内的相邻车辆,能够以80%以上的接收率获得其所发送的车辆状态数据包。 第三,基于数理建模和理论分析,本文设计一套VANETs安全应用的自适应通信协议。协议主要由三部分组成:反应式的信道状态监测策略避免或减少了估计网络负载情况所需的额外带宽开销;本地观测量的选取与计算为传输功率的调整提供了依据,降低了协议的复杂程度;发送功率自适应调整的改进协议适当而充分的利用了带宽资源,保证了各个节点对无线信道的平等使用。仿真实验的结果表明,相比原始IEEE 802.11p协议,本协议将能够获得80%以上接收率的范围由75米以下扩展至150米左右,提升超过100%。 第四,针对DSRC广播通信提供的是一种尽力而为的服务,无法保证传输可靠性的问题,本文提出了一套安全应用通信的协作式重传协议,通过在车辆状态数据包生命周期中对其进行多次重传来提高通信可靠性。协议将状态信息复本的发送由原始发送车辆转移至接收到该信息的接收车辆,扩大了状态信息的覆盖范围,提高了状态信息的接收率。协议在设计中讨论了重传机制的可控性、可调度性与信息安全性问题。仿真实验的结果表明,相比原始IEEE 802.11p协议,在自适应通信的改进基础上采用本协议将能够获得80%以上接收率的范围由75米以下扩展至300米左右,提升超过300%。 第五,针对协作式重传协议带宽占用较高的问题,本文提出一套基于网络编码技术,用于车辆状态信息协作式重传的传输复用协议。协议采用简单的编码与解码机制,同一状态数据包能够为不同的接收车辆提供其所需的不同信息,达到一次重传,多方受益的效果。协议采用分布式选举策略,能够有针对性的选择被编码信息来提高解码成功率,在保持和增强协作式重传方案效果的前提下,减少带宽开销,提高安全应用通信的综合性能。仿真实验的结果表明,相比直接的协作式重传,本协议能够在长度缩短25%的数据包中组合进入更多的信息,在节省了信道资源的同时获得了最高约20%的接收率提升,获得了本文期望获得的VANETs安全应用可行方案空间。
【学位授予单位】:南开大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN929.5

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