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车载自组网节点定位及频谱分配策略研究

彭鑫  
【摘要】:随着我国城市汽车保有量的迅速攀升,人们在体验汽车带来的各种便捷和乐趣的同时,也受到日益严重的交通、能源和环境问题的困扰。现有的独立运行、自动化程度不高的交通系统已不能满足提高道路利用率、降低能耗、维护高效交通秩序的要求。只有通过网络技术将各个分离的系统有机地整合在一起才能提高整个交通管理系统的自动化水平,满足人们日益增长的信息服务需求。智能交通系统(Intelligent Transportation System:ITS)作为这种技术融合的产物得到了迅速发展。车载自组网(Vehicular Ad Hoc Networks:VANETs)则是智能交通系统的重要组成部分。联网的车辆配有计算和无线通信器件,可以进行车辆间的数据通信(Vehicle-to-Vehicle:V2V)以及车辆与路边基础设施间的通信(Vehicle-to-RSU:V2R)。车载自组网可提供多种应用服务,包括碰撞警告、辅助驾驶、交通信息发布、定位与导航、辅助停车和因特网接入等等。 车载自组网承载的大量应用服务都需要定位系统的支持。目前交通领域应用最为广泛的定位系统包括全球卫星定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)。GPS接收器需要同时获取4颗无遮挡的导航卫星信号才能正常工作,导致其在室内或高楼林立的城市中心区无法提供有效的定位服务。为了突破GPS定位系统的应用限制,必须辅以其它的定位技术或手段,来满足车载网络的应用要求。因此,车辆定位技术是车载自组网研究中的热点问题。而车载网络的自组织定位方式,无需额外的传感设备,具有成本低廉的和多车辆同步定位的优势,成为车辆定位技术的重要研究方向。 车载自组网最为突出的一个特点就是拓扑结构的动态性。网络节点的高速运动和有限的通信距离是一对现实矛盾。由于节点在对方的通信范围内滞留时间很短,导致节点的通信窗口非常狭窄,严重影响了网络性能。所以,怎样提高网络的并发传输能力是车载自组网研究中考虑的一个首要问题。如果配备了多个无线接口,车辆可以在不同的正交信道上同步传输数据,从而有效提升网络的总体性能。因此,如何合理而有效的分配信道,在有限的频谱资源下尽量提高网络性能是多信道车载自组网研究中的重要问题。 针对上述问题,本文做了以下几方面的工作: (1)每个节点通过测量到各邻居节点间的距离,并且通过多跳转发交换距离信息来确定网络节点的相对位置,这是静态无线网络定位算法所采用的策略。现有的移动自组织网络(MANET),包括车载网络在内,定位方法则是通过采样的方式将动态网络定位问题转变为静态定位模式求解。这种策略在节点移动速度较低的情况下是可行的。但是在车载自组网中,由于车辆行驶速度非常快,算法执行的时延开销将对定位性能产生明显影响。针对该问题,本文提出一种基于最小二乘优化的定位方案。该方案将时间分为离散的时间片段,从而把车辆定位问题建模为凸限制优化问题,避免了算法执行时延对定位性能的影响。考虑到最小二乘定位方案收敛速度较慢,对最小二乘定位方案进行了改进,提出了基于梯度搜索的定位算法,进一步改善了算法的性能。 (2)前面提出两种定位方案都需要事先求出完备的距离约束矩阵。一跳邻居间的距离可以直接测量,无法直接通信的节点则采用最短路径方法来求出两者间的距离,这会造成误差传播的问题。针对这一点,本文将半定规划(Semi-definite Programming:SDP)应用到提出的车辆定位模型中。半定规划方法利用相邻节点间的距离约束便可求解定位问题,并且通过节点间的邻接关系引入点松弛模型,有效降低了问题的求解规模。此外,通过梯度下降法可以进一步改进算法的定位精度。 (3)由于传统的车载自组网采用固定信道分配模式,其频谱利用率较低,提出了一种基于半定规划的多信道车载自组网动态频谱分配策略。提出的方案首先通过测量周围车辆的距离来确定网络潜在的频谱冲突关系。然后通过半定规划方法来协调各链路间的频谱竞争关系。最后通过可用频谱资源确定每个频谱用户所使用的频段。 (4)提出了一种基于分簇的多接口车载自组网频谱分配和地理路由策略。方案首先依据行驶速度对车辆进行分簇。对于簇头间的通信链路采用离线频谱分配模式,避免了车辆运动的干扰。由于簇内节点具有相似的运动速度,拓扑较为稳定,可以采用静态频谱分配机制。方案中的路由协议,在考虑按地理位置进行的转发的同时还考虑了分配给链路初始流率,保证网络的总体吞吐量。 总之,本文对车载自组网的节点定位问题和多信道车载自组网的动态频谱分配技术进行了一些探索。对于GPS定位的应用局限,提出的定位方案可以作为现有车载导航系统的有益补充。相对于传统车载自组网的固定带宽分配模式,动态频谱分配技术将成为改善网络性能的有效途径。


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