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面向异构车联网的实时信息服务与任务迁移技术研究

王俊华  
【摘要】:作为物联网体系中最具产业潜力和市场需求的研究领域之一,车联网技术的发展在促进汽车与信息产业的融合创新,构建汽车与交通服务的新型模式,推动自动驾驶技术革新,以及实现智慧城市和智能生活等方面具有重要意义。在新型异构车联网环境下进行高效的信息服务,是缓解城市道路拥堵、提升交通安全及驾驶体验等车联网应用的基础。然而,车辆节点的高移动性以及车辆自组织网络的分布式特征,极大地限制了信息服务效率。本文将结合车联网技术的发展与应用需求,设计新型车联网服务架构,并研究相应的数据共享机制、路由算法以及任务迁移策略。所面临的主要挑战如下。首先,在高动态的分布式通信场景下进行车与车协作数据共享时,如何解决行驶车辆之间数据共享时间的有限性以及降低车辆并发传输数据的干扰影响,从而提高信息服务效率。其次,如何解决在低密度、高动态的车联网环境下的路由预测不准确、路由中断以及路由延迟长等弊端从而实现实时可靠的信息路由。最后,在高异构、高算力需求的车联网环境下,如何解决雾计算节点的通信和计算资源的有限性以实现高可靠、低延迟的车辆任务迁移是至关重要的问题。综上,本文将从架构设计、问题建模、算法提出与分析角度,对新型车联网架构下的信息服务问题进行深入探讨。主要研究成果概述如下:(1)对基于车与车通信的分布式协作数据共享算法进行研究。首先建立双向交通场景模型及信息服务架构,接着提出基于并发V2V通信信号干扰分析的MAC层带宽复用策略,基于动态聚类和时隙划分的车辆广播管理机制,以及基于MAC层退避机制的广播车辆及广播数据项竞选机制,以最大化通过单跳V2V通信进行数据共享的吞吐量。最后,搭建车联网仿真平台,验证所提数据调度算法的复杂度及系统服务率。(2)在基于单跳V2V通信的研究基础上,进一步考虑V2V/V2I混合通信的多跳路由问题,并提出软件定义车联网中的实时信息路由问题。首先建立基于软件定义的异构车联网信息服务架构,协调DSRC接口和蜂窝网络接口实现基于混合V2V、V2R和V2C通信的路由机制。提出基于车辆实时交通状态和行驶轨迹分析的相遇概率模型、多跳路由路径可达性与路由延迟评估模型,以及基于Dijkstra思想的低复杂度路径搜索策略,并基于不同路由指标提出四种路由选择。实验结果验证了不同路由选择机制在平衡信息传递率和带宽效率上的优势。(3)在以上基于SDN的车联网架构与协议研究基础上,进一步研究车联网与雾计算网络的融合,提出基于雾计算的车联网架构与任务迁移策略研究。首先,建立基于雾计算网络的车联网服务架构。实现基于“条件风险价值”理论分析的功率分配问题以实现高可靠性传输,基于分支界定思想的多周期任务分配策略以满足低延迟需求,以及基于迭代优化思想的低复杂度的功率和任务分配调整策略,从而高效利用雾计算节点有限的通信和计算资源,最小化任务总延迟并保证高可靠性。实验结果证明了分步解方案与迭代优化方案在功率消耗、传输延迟和通信可靠性方面的性能。


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