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《华中科技大学》 2010年
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车载自组网的通信策略与协议技术研究

谢旭  
【摘要】: 随着社会的进步与发展,交通安全已经日益成为全球最关注的问题之一。结合无线传感器网络与无线Ad hoc网络特性,适用于道路交通系统的车载自组网(Vehicular Ad hoc Network,简称VANET)[1]在这种背景下应运而生,其目的在于降低交通事故发生概率,减少事故伤害,并提高交通系统的运行效率。车载自组网可分为车与车的通信(Vehicle-to-Vechicle, V2V),以及车与路边设施的通信(Vehicle-to-Roadside, V2R)[2]两部分。由于车载自组网节点高速运动导致拓扑动态变化迅速,使得通信链路时断时续、网络性能急剧下降,并且在交通事故发生时,传统的802.11系列协议与传感器网络协议在协议上均无法实现告警信息快速、远距离传输至目的地。因此,需要专门设计适用于车载自组网高速移动环境及特殊应用场合的网络协议。 本文着眼于车载自组网通信策略与协议技术,针对车载通信的四个关键问题进行了研究。首先,针对车载自组网的车辆终端具有高速移动性的特点,理论分析了各协议的网络吞吐表现;然后,借助定向天线指向性、高增益与空间复用的特点,提出了MAC协议的改进算法以提高网络容量;接下来,对于车辆节点密集区域的信道竞争接入问题,分析了基于Black-burst信号的优先权接入算法;最后,针对车载自组网容延迟的特性,从路由协议上进行了改进,提出基于Kalman滤波器预测理论的路由算法,达到传输可靠性的保证。 本文主要取得如下研究成果: 1针对车载自组网车辆终端具有高速移动性的特点,基于时隙ALOHA和预约ALOHA各自在车载自组网中的吞吐分析,提出一种在高速车辆运动环境下,适合节点移动的SR-ALOHA协议,采用动态切换协议的方法适应速率变化带来的通信链路时断时续。使得车载自组网在速率变化的环境下协议具有较高的吞吐表现、较低的端到端传输延时。并通过仿真验证了可行性。 2定向天线可以提高无线信道的空间重用,它的指向性可以提高天线增益,扩展天线的信号传播范围并减少消息传输至目的地所需要的跳数。借助定向天线相对于传统的全向天线的这些优势,采用基于本地天线波束表机制的多信道改进MAC协议,分析车辆密集环境下的网络性能。测试结果证明,采用定向天线的车载自组网在网络容量方面的性能表现优于其他多信道MAC协议。 3在基于上述定向天线实现远距离覆盖的前提下,提出一种基于非线性Black-burst信道竞争算法的MAC协议,解决车载自组网多跳通信中如何选择最远节点作为下一跳中继的问题。该协议分为两种竞争方式:LBb和NBb,分别采用线性量化与非线性量化的方式分配竞争信道的时隙。分析比较了这两种算法的复杂度与性能,仿真结果表明采用非均匀划分的NBb算法相对于均匀划分的LBb算法,具有更高的成功选择概率、更少的迭代过程与开销。 4介绍了车载容延迟网络的静态网络分布结构,针对这种网络间歇性连接的特点,分析得出使用节点存储转发的机制,保证了信息的可靠传输。提出的信息感知路由协议基于Kalman滤波器预测理论,采用本地历史信息预测评估节点的信息携带能力,优化选择最佳信息携带节点。车载容延迟网络在具有较好的传输可靠性和传输延时的同时大大减少了网络开销。 论文重点研究了车载自组网亟需解决的几个关键问题,为车载自组网协议的改进与完善进行了探索性的研究。论文的研究有助于加快车载自组网在无线通信领域的标准化步伐,具有一定的理论前瞻性和实用性的价值。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN929.5

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