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智能交通网络中资源竞争与合作机制研究

贾树葱  
【摘要】:近年来,随着无线通信技术和现代汽车工业技术的快速发展,智能交通网络应运而生。通过在车辆、行人以及路边通信设施之间建立通信,智能交通网络能够提供车辆间感知、危险预警、车路协同控制、资讯传输等业务,极大地保障交通安全,改善交通效率,丰富个人汽车生活,受到了世界范围内的学术界和工业界的广泛关注。通信资源的高效合理利用是智能交通网络的一个重要研究方向。然而,由于通信资源稀缺、车辆节点高速移动、车辆间通信距离较短以及网络结构动态变化等特点,网络节点在使用有限的通信资源进行信息传输时,不仅面临着相互竞争,也需要相互合作。本文结合智能交通网络的研究热点,对车辆间协作式内容分发、无人机辅助灾后车辆间通信以及基于长期演进的车辆间通信技术(Long Term Evolution-Vehicle, LTE-V)与其它通信技术共享通信资源三种场景中通信资源高效使用进行了研究。本文的主要研究内容和创新点可以归纳为:1.基于联合博弈论的车辆间协作式内容分发研究车辆间协作式内容分发业务以提高驾乘人员旅途舒适性为目标,将车辆感兴趣的消息内容分发给特定道路区域内的车辆。在协作式内容分发业务中,车辆可以采用合作和竞争机制,合作是指通过车与车之间的通信进行消息共享,竞争是指当消息提供方支付给共享消息的车辆一定的报酬时,车辆竞争使用通信资源传输消息。为了保证协作式内容分发业务的高效运行,本文对车辆间消息共享机制和激励机制进行了研究,提出了一种基于联合博弈论的车辆间协作式内容分发算法;最后运用NS3和SUMO软件搭建了智能交通网络协作式内容分发业务的仿真平台,仿真结果表明,该算法有效地促进消息在网络节点间的快速共享,提高了车辆间协作式内容分发的效率。2.无人机辅助的车辆节点间连通性增强机制分析与优化智能交通网络应保持全天候正常运行,在自然灾害发生后,路边通信设施可能无法向车辆提供通信服务,此时可以加入无人机节点,通过车间通信链路以及车辆与无人机之间通信链路的合作,提高车辆间的连通性。本文对无人机辅助的灾后智能交通网络进行了研究,通过对郊区、城区、密集城区中车辆与无人机之间的信道进行建模,分析了无人机高度与视距通信概率、路径损耗、阴影衰落等信道指标之间关系,得出了无人机高度与车辆间连通性之间的关系,证明了存在无人机最优高度;最后通过仿真验证了无人机最优高度分析结果的正确性。3. LTE-V技术与DSRC技术共享通信资源的研究LTE-V和专用短距离无线通信(Dedicated Short Range Communication, DSRC)是智能交通网络中的两种通信技术,存在共频谱共存的可能性。在本研究点中,首先,针对LTE-V设备和DSRC设备共享频谱资源,提出了一种资源分配方案,以避免系统间干扰;其次,为了加强LTE-V与DSRC系统之间的合作,对LTE-V设备接收机进行改进,使LTE-V设备能够接收LTE-V设备和DSRC设备传输的信息;最后,通过链路级仿真对信号接收进行验证,结果表明经过改进的LTE-V设备能够有效地接收DSRC设备传输的各类信号。4. LTE-V用户与LTE非车辆用户共享通信资源的研究LTE-V用户和LTE非车辆用户与LTE基站进行消息传输时需要竞争使用蜂窝网络的通信资源。在本研究点中,以LTE-V用户的车辆行驶状态信息收集业务为例并运用马尔科夫模型,分析了 LTE-V用户业务对LTE非车辆用户业务的影响;其次,提出了一种结合LTE车与车(vehicle-to-vehicle,V2V)通信和 LTE 车与设施(Vehicle-to-Infrastructure,V2I)通信的车辆行驶状态信息收集方案,将道路划分成多个区域并在每个区域内选择一辆车,该车接收周围车辆采用LTE V2V技术广播的车辆行驶状态信息,并对这些信息进行过滤、压缩等处理,再通过LTE V2I技术将处理之后的信息上传至蜂窝系统的基站;最后,通过数值分析对该方案进行验证,结果表明该方案能有效地减少LTE-V用户的车辆行驶状态信息收集业务对LTE蜂窝网络通信资源的占用,进而降低了对LTE非车辆用户业务的影响。


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