车载无线自组织网MAC协议研究

论文摘要

随着人们生活水平不断提高,在享受车辆带来的方便快捷之余,人们希望汽车成为自己的“移动信息中心”—实现信息获取、远程办公和各种娱乐应用等,车载无线自组织网（Vehicular Ad Hoc Network,VANET）应运而生。它不仅可以提供车载娱乐、实时导航、Internet接入等服务,而且还能传递辅助驾驶和事故告警等实时信息,使出行更安全、高效、舒适。本文以研究VANET多媒体业务（包含数据业务）服务质量（QoS）为出发点,深入研究和分析了车载环境下MAC层采用IEEE802.11协议传输多媒体业务的QoS性能,找出存在的问题,提出了相应的改进机制,主要完成以下工作:第一、深入研究和分析了车载环境下采用标准IEEE802.11e EDCA机制传输多媒体业务QoS性能。研究发现,区分优先级的EDCA机制增强了DCF机制在多媒体业务QoS方面的性能。但网络处于重负载和车载节点相对高速移动时,无法有效降低多媒体业务的时延和时延抖动,不能满足多媒体业务QoS要求。第二、从MAC层信道竞争窗口调节机制入手,提出ACW-EDCA（Adaptive Contention Window EDCA,ACW-EDCA）自适应竞争窗口调节机制。该机制根据网络负载情况动态调节初始竞争窗口和当前竞争窗口值,减少实时业务信道接入时延和时延抖动。仿真表明,ACW-EDCA在车辆处于相对静止时较标准EDCA机制减少了约30%的平均时延、约25%的平均时延抖动。但车辆高速移动时,音、视频业务时延和时延抖动性能较差。第三、针对ACW-EDCA机制在车辆节点高速移动时,仍无法满足音、视频业务的QoS要求,在ACW-EDCA机制基础上,进一步提出了带无线帧突发功能（Wireless Frame Burst,WFB）的ACW-EDCA机制,即WFB+ACW-EDCA机制。该机制在站点获得信道占用权时,连续传输多个短音频帧,从而有效减小音频业务的平均时延和时延抖动。仿真表明,车辆处于相对静止或相对高速移动时,较标准EDCA协议减少了约40%的平均时延和时延抖动。第四、针对ACW-EDCA机制以牺牲数据业务吞吐量为代价,来提高音、视频业务的QoS,在ACW-EDCA机制基础上,进一步提出了MAC层发送能力主动通告机制（Active Notify EDCA,AN-EDCA）,即AN+ACW-EDCA机制。该机制根据发送站点MAC层发送能力动态调节TCP层注入网络的数据量,从而提升数据业务的平均吞吐量。仿真表明,在相对静止和相对高速移动时,数据业务平均吞吐量较标准EDCA协议约有30%的提升。第五、对NS2中标准EDCA仿真模块进行了研究和系统分析,在此基础上,开发了本文提出的ACW-EDCA、WFB-EDCA和AN-EDCA改进机制的仿真模块。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 交通领域信息化发展
• 1.1.2 无线数字通信技术发展
• 1.1.3 车载无线网络技术介绍
• 1.2 车载无线自组织网国内外研究现状
• 1.2.1 车载无线自组织网研究面临的问题
• 1.2.2 车载无线自组织网MAC 协议研究现状
• 1.3 本文主要工作与章节安排
• 1.3.1 本文主要工作
• 1.3.2章 节安排
• 1.4 本章小结
• 第2章 车载无线自组织网络概述
• 2.1 车载无线自组织网的相关应用
• 2.2 车载无线通信系统
• 2.2.1 车载无线通信系统
• 2.2.2 车载无线通信系统的结构
• 2.2.3 车载无线通信系统的特点
• 2.3 车载无线自组织网VANET
• 2.3.1 VANET 体系结构
• 2.3.2 VANET 关键技术
• 2.3.3 VANET 的特点与研究面临的挑战
• 2.4 车载环境下的无线接入协议WAVE
• 2.4.1 WAVE 体系结构
• 2.4.2 WAVE 关键技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 车载无线自组织网 MAC 协议研究
• 3.1 车载无线自组织网络MAC 机制
• 3.1.1 IEEE802.11 DCF 机制
• 3.1.2 IEEE802.11e EDCA 机制
• 3.2 车载无线自组织网络MAC 机制性能分析
• 3.2.1 非饱和条件下DCF 机制性能分析
• 3.2.2 非饱和条件下EDCA 机制性能分析
• 3.3 典型DCF 改进机制及性能分析
• 3.3.1 冲突分解机制及性能分析
• 3.3.2 网络负载自适应（NSAD）机制及性能分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 车载无线自组织网 QoS 及其改进机制研究
• 4.1 车用自组织网络QoS 分析
• 4.1.1 数据业务
• 4.1.2 实时业务
• 4.2 自适应竞争窗口调节机制研究与分析
• 4.2.1 改进机制基本思想
• 4.2.2 算法描述
• 4.2.3 仿真实验及性能分析
• 4.3 无线帧突发机制研究与分析
• 4.3.1 改进机制的基本思想
• 4.3.2 算法描述
• 4.3.3 仿真实验及性能分析
• 4.4 车载节点数据业务发送能力主动通告机制研究与分析
• 4.4.1 改进机制的基本思想
• 4.4.2 算法描述
• 4.4.3 仿真实验及性能分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 车载无线自组织网改进机制仿真模块开发
• 5.1 NS2 中EDCA 仿真模块分析
• 5.1.1 NS2 简介
• 5.1.2 EDCA 仿真模块分析
• 5.2 ACW 机制仿真模块开发
• 5.3 WFB 机制仿真模块开发
• 5.4 AN 机制仿真模块开发
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 后续研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的科研项目