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面向车联网的车载信息实时感知与交互方法

雷涛  
【摘要】:车联网是集信息感知、处理和交互于一体的服务系统,通过无线通信在车辆、道路、行人及互联网之间进行信息交互,可以全面感知和共享交通参与者和交通环境的各种动静态信息。本文以面向车联网的车载信息感知与交互为研究背景,对其中的若干关键问题展开深入研究,主要研究工作如下:(1)在深入分析车联网环境下的车载信息感知与交互需求的基础上,结合车联网系统体系结构,提出了一种面向车联网的车载感知与交互系统架构。该架构以GPS作为空间定位手段,以移动数据网络(4G LTE)进行数据传输,以车载感知与交互终端作为状态感知与交互的核心载体,实现车辆状态感知、状态分析与管理、预警/报警等功能,并详细介绍了系统的组成结构、工作流程以及感知节点的部署方式。(2)为了增强车载感知节点操作系统TinyOS调度算法的实时性,提出了一种基于优先级的RTQ-TOSQ调度算法。该算法将感知节点任务划分为实时任务与普通任务两类,并为任务增加相关的时间属性描述信息,在兼容原有TinyOS内核调度API和语义的基础上,通过RTQ和TOSQ两个独立的任务队列,结合非抢占式最早截止期优先算法以及任务超时检测机制,为感知节点任务执行提供实时性保障。通过与TinyOS原有调度算法在任务丢失数、实时任务平均时延和节点能耗进行对比验证,实验结果表明改进后的调度算法能有效减少实时任务的任务丢失率并提高其的实时响应,且不会产生过多的计算、存储以及能耗方面的开销,适用于车载实时感知节点的任务调度。(3)为了优化车载感知与交互系统的吞吐量和接入延时,对车载感知节点MAC层协议部分进行了改进。提出了一种支持优先级的GDCF退避算法,通过递减竞争窗口降低碰撞概率和重传次数,提升了饱和吞吐率。结合车载感知与交互系统通信数据包容量较小的特点,通过剔除RTS/CTS机制,提升了吞吐量、降低了接入延迟。同时在车载感知节点中引入睡眠机制,通过降低感知节点无线射频芯片有效工作时间占空比,提升感知节点能量利用率。实验结果表明:GDCF算法可持续维持较低的丢包率,去除RTS/CTS方式后网络丢包率小于0.5%,引入睡眠机制后一个周期可节省能量可达95%。(4)为了提升车载感知节点物理层串行数据的发送效率,设计并实现了一种基于缓冲区并行读写的数据无线发送机制。在发送数据写入缓冲区的同时执行无线发送任务,射频芯片从休眠状态唤醒后立即发送数据帧头,同时微控制器在此时间内初始化射频芯片接口总线,并将数据帧的有效载荷填充至射频芯片缓冲区。实验结果表明:基于缓冲区并行读写的数据无线发送机制将数据的发送延时降低50%,能够满足提升数据发送效率的需求。(5)在所提出的车载感知与交互系统架构和车载感知节点部署方式的基础上,确定了车载感知节点以及车载感知与交互终端硬件选择方案、参数性能、软硬件设计方案等,并在此基础上搭建了一种车载感知与交互测试平台,对系统工作稳定性和响应速度,以及三个子系统的性能进行了实验测试。实验结果表明系统长时间工作状态稳定,各子系统网络及传输速率可满足应用需求和设计要求。通过研究面向车联网的车载信息感知与交互系统的关键技术,提出了一种车载感知与交互系统架构,并从车载感知节点实时任务调度算法、MAC层协议以及物理层发送时序三个方面解决了车载信息感知与交互中存在的若干问题。该研究成果对于实现面向车联网的车载信息感知与交互具有重要的参考价值。


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