面向802.11p标准的车载网络MAC和广播协议的设计与优化

论文摘要

车载网络是一种特殊的移动自组织网络,作为智能交通系统的重要组成部分,在交通事故预警、车辆辅助驾驶、娱乐休闲等方面具有广泛的应用前景。车载网络由于受无线环境影响,以及车辆的快速移动和网络分布范围大等特点,造成了它的脆弱性。如何保证信息的可靠及时传输显得非常重要。本文在分析IEEE 802.11p/1609协议特性的基础上,针对车载网络中信道访问不公平性及安全消息可靠传输问题,提出了一种自适应退避算法和基于传输功率控制的安全消息广播机制,并通过模拟验证了其有效性。具体工作包括以下几个方面:首先,在分析车载网络体系结构特点的基础上,针对节点移动性引起的信道访问不公平和拓扑结构的频繁变更导致网络丢包率增加的问题,提出了一种基于相对速度的自适应退避算法RSBA（Relative-speed-based Self-adaptive Back-off Algorithm）。该算法中每个车辆节点依据自身速度与其邻居节点平均速度的差值调整最小竞争窗口值,优化退避机制,以适应节点传输需求。模拟实验表明,RSBA算法减少了丢包率,改善了IEEE 802.11p协议的网络性能。其次,在分析IEEE 802.11p/1609协议标准特性的基础上,针对车载环境下紧急安全消息需要快速稳定传输的特点,提出了基于传输功率控制的紧急安全消息广播PCB（Power-control-based Broadcast）机制,通过调整传输功率和基于计数的方法减少一跳广播冲突和冗余,并依据广播信息的接受功率选取多跳中继节点以达到快速传播的目的。在城市交通场景中的模拟实验表明,与现有安全消息广播协议相比,PCB广播机制可以有效提高广播数据可达率,更快速地广播紧急安全消息,同时有效避免信道冲突。最后,通过设计并编写所需网络协议模块与车辆控制模块,实现了基于802.11e的车载网络模拟器,通过在NCTUns与NS-2模拟器中对相同场景进行模拟,验证了模拟器中各个模块工作的正确性,对两款车载网络模拟器的性能及可用性进行了对比分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 车载网络简介
• 1.1.1 车载网络的特性与应用
• 1.1.2 车载网络的研究意义
• 1.1.3 车载网络的研究现状
• 1.2 车载环境下无线接入（WAVE）
• 1.3 论文的研究内容
• 1.4 论文的章节安排
• 第二章 车载网络MAC 和广播协议相关研究
• 2.1 IEEE 802.11p/1609 协议标准
• 2.1.1 IEEE 802.11p 物理层特性
• 2.1.2 IEEE 802.11p MAC 层特性
• 2.1.3 IEEE 1609 系列标准概述
• 2.2 车载网络MAC 和广播协议相关研究
• 2.2.1 车载网络MAC 协议相关研究
• 2.2.2 车载网络广播协议相关研究
• 2.3 小结
• 第三章 自适应退避算法研究
• 3.1 面向IEEE 802.11p 标准的车载网络移动性分析
• 3.1.1 车载网络节点移动性相关研究
• 3.1.2 信道访问公平性问题
• 3.2 基于相对速度的自适应退避算法RBSA
• 3.3 模拟与结果分析
• 3.3.1 基本场景与参数设置
• 3.3.2 算法稳定性与应用性能验证
• 3.4 小结
• 第四章 紧急安全消息广播机制研究
• 4.1 车载网络中安全消息广播相关研究
• 4.2 基于传输功率控制的紧急安全消息广播机制
• 4.2.1 向前广播Forwarding
• 4.2.2 向后广播Backwarding
• 4.3 模拟验证
• 4.3.1 模拟场景描述
• 4.3.2 模拟实验数据
• 4.4 小结
• 第五章 车载网络模拟器研究
• 5.1 NCTUns 与NS-2 模拟仿真软件
• 5.1.1 NCTUns
• 5.1.2 NS-2
• 5.2 车载网络模拟器设计与实现
• 5.2.1 NCTUns 中模拟器设计与实现
• 5.2.2 NS-2 中模拟器设计与实现
• 5.2.3 模拟场景创建
• 5.3 车载网络模拟器验证结果与对比分析
• 5.3.1 模拟结果分析
• 5.3.2 模拟软件对比分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果