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VANET信息广播模型与优化方法研究

刘鸿飞  
【摘要】:近年来,安全和效率已经成为交通运输中迫切需要解决的两个关键问题。车用自组织网(VANET)作为移动自组织网(MANET)在智能交通系统中的重要应用,可以极大地拓展司机的视野和车部件功能,有望改善交通运输安全和效率,为人们提供更安全、快捷的旅行方式。 欧洲、美国、日本等发达国家的科研学术机构和汽车工业界纷纷制定各种研究方案,深入广泛地研究VANET在智能交通中的各种应用。广播协议作为危险警告、协同驾驶、路况通报等交通信息分发的有效方式已经成为VANET信息传输研究的重点。 本文首先简要介绍车辆网络的特征和应用分类,分析各种信息广播协议的特点、性能差异和应用范围。然后针对高速公路环境中VANET广播信息分发特点及应用需求,提出信息广播分发模型,并利用优化方法重点研究了以下四个问题。 (1)在第三章提出了VANET广播协议的马尔可夫链分析模型,分别对VANET中节点确定分布和泊松分布条件下信息广播时延、可靠性、网络吞吐量性能进行分析比较。理论和仿真研究结果表明,网络节点密度、隐藏/暴露节点、竞争窗口值是影响广播信息实时可靠分发和网络吞吐量的关键因素。 针对竞争窗口对网络吞吐量的影响,利用节点信息广播概率与吞吐量之间的直接关系,提出了在节点数量一定情况下,为获得最优网络吞吐量而需要设置的节点优化竞争窗口值表达式。研究表明,可以通过自适应调整节点竞争窗口以保证网络吞吐量处于优化状态,为本文提出满足应用需求的VANET交通信息广播模型提供理论基础。 (2)在第四章,基于多目标优化提出了自适应单跳广播协议(ARSB)。首先基于概率论研究影响交通信息单跳广播分发可靠性的相关因素,理论和数值分析表明,可以通过设置足够大的退避竞争窗口减小隐藏/暴露节点对广播信息可靠性的影响。但是过大的竞争窗口会导致网络吞吐量降低。因此,为适应VANET网络拓扑高动态变化特征,利用多目标优化机制提出自适应单跳广播协议,通过动态调整竞争窗口策略,减小隐藏/暴露节点对信息广播分发的干扰,提高广播信息可靠性,满足广播信息对实时传输需求的同时优化网络吞吐量。 (3)第五章基于VANET在高速公路环境中网络拓扑的分布特征以及交通信息多跳广播对服务质量的需求,提出一种多跳广播协议(MH-FC),在对协议进行建模分析的基础上,通过优化参数提高协议性能。其基本思想是,信息广播节点首先在邻居节点中选择一个合适的节点作为信息广播中继节点,并通过握手机制与其建立点到点的信息传输模式,以减小隐藏/暴露节点对广播信息可靠性传输/接收的影响。然后利用携带/传输策略解决网络分割造成的信息传输“孤岛”问题。 为深入分析MH-FC在不同网络条件下的性能,对MH-FC进行建模分析,根据数值分析结论对相应参数进行优化设置。研究结果表明,该信息多跳广播协议实时性强,可靠性高,并且具有较强的可扩展性和鲁棒性。 (4)在第六章,基于模拟退火提出了一种网络拓扑分层优化协议(SWCA)。为适应VANET网络拓扑高动态变化特征,该协议首先根据相邻节点运动规律的相似性,提出了稳定邻居集概念,对节点的权重进行重定义,然后基于模拟退火机制对车用自组网络分层机制进行优化,构造出满足网络需求的初始簇头集合。最后针对不同邻居关系对簇重构的影响,提出了新的簇重构策略。仿真分析表明,SWCA在网络稳定性和负载均衡性上均明显优于传统的基于权重的分簇算法。


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