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软件定义的异构车联网接入管理与优化方法

严潇琳  
【摘要】:作为智能交通系统(ITS)中的一项关键技术,车辆自组织网络(Vehicle Ad-Hoc Network,VANET)可以提供车辆与车辆、车辆与道路基础设施之间的无线通信连接、保障车载安全与娱乐应用。随着未来大规模超密集车辆自组织网络的布网以及日益增长的车联网通信业务需求,VANET将面临着如下问题:首先,由于大规模移动车载用户的快速增加,VANET中广泛运用的蜂窝车联网技术将面临着网络过载的问题,同时,也难以满足高质量ITS服务的网联通信要求。其次,在网络控制方面,传统的自组织车联网通信架构依赖蜂窝基站实现车辆控制和数据转发,数据与控制中心耦合在一处,组网灵活性与效率不高。因此,本文设计了一种软件定义的异构车联网接入管理与优化方法,为车辆通信网络接入管理提供解决方案。将通过建立异构车联网网络模型改善单一网络过载的问题,同时,通过软件定义网络(Software Defined Network,SDN)架构实现数据平面与控制平面分离,从而能灵活地实现对网络的控制,提高组网效率,保障车载通信服务。论文主要研究内容总结如下:1、建立了基于软件定义的车辆通信网络管理模型。通过SDN控制器来对车辆接入网络的三种模式(基站转发,设备到设备(Device to Device,D2D)以及专用短距离通信(Dedicated Short Range Communication,DSRC))进行控制。基于SDN的网络接入管理模型包括数据平面和控制平面,其中数据平面负责收集车辆的状态和网络信息,控制平面根据收集到的车辆信息,通过反向功率控制的方法,建立车辆通信网络关键性能指标,包括传输速率,干扰,传输时延以及能量损耗。具体过程如下:首先,确定接收功率阈值_0,并利用信道向功率控制的机制确定可供选择的车辆之间的最大距离。然后,我们对车辆的发送功率、干扰、信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)中断概率以及车辆传输速率和传输时延这几个性能指标进行理论上地推导。通过实验仿真,可以得到不同的车辆接入方案、SINR阈值等参数的变化对SINR中断概率和车辆传输速率两个关键性能指标的影响。2、设计了软件定义的异构车联网接入管理优化方法。根据求得的性能指标,在控制平面上可对车辆的接入方式进行优化,使车辆异构网络的网络服务质量根据所需业务的要求达到最优。最后将所得优化后的接入网络模式选择结果下发给数据平面上的每辆车。具体的优化方法为:建立博弈所需要的效益函数,通过进化博弈方法使得效益函数达到最大,从而对车辆的接入网络模式进行管理。此优化管理方法能基于不同的业务需要,灵活地选用车辆的接入模式,使车辆异构网络的网络服务质量根据所需业务的要求实现优化。最后我们通过MATLAB仿真验证优化算法的可行性。仿真结果表明,相比于传统的单一网络的架构,本文提出的软件定义的异构车联网接入管理与优化方法能灵活地管理接入网络,有效提高网络的性能,改善车辆通信网络的服务质量。


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