车联网MAC层协议中多信道信息传输机制研究

作     者：贾舟 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：关新平

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0838[工学-公安技术] 

主      题：车联网 频谱渗透 多信道 MAC层协议 混合排队模型 正交频分复用 

摘      要：保证出行安全,提高交通效率,是车联网(Internet of vehicles,IoV)以及车载自组织网络(Vehicle Ad-hoc Network,VANET)发展的两大推动力,然而车载网络的很多特性给车联网通信协议的设计带来了许多新的挑战。如何根据车载网络环境的特点设计具有高吞吐量,低延迟的通信协议与通信系统,特别是物理层与MAC层多信道协议标准的设计与规范化,一直是车联网在通信这一领域研究的重点。本文针对现有车联网底层协议在信道利用率以及多信道信息延迟等方面的不足,提出了基于频谱渗透传输机制的多信道MAC(SPBM)协议,并且针对该协议开展了较为深入的研究,取得的成果主要有以下三个方面。(1)以现有WAVE协议栈中的MAC协议及其多信道协作机制为基础,设计了第Ⅰ类信息的频谱渗透机制,实现信息的跨信道传输,从而在取得高信道利用率的同时保证安全应用相关信息能够及时传输。利用第Ⅱ类信息和第Ⅲ类信息的信道分配算法,解决渗透介质缺失的问题,保证不同类型的数据在不同信道以及不同的同步间隔能够有效传输。在此基础上,结合三类信息的不同特点,设计了 SPBM协议的整体运行方案。(2)结合SPBM协议的特点,提出了马尔可夫混合排队模型,将第Ⅱ类,第Ⅲ类信息的归一化服务强度作为关键参数,给出不同类型信息总量平稳分布,不同信道利用以及分配概率,进一步得到了第Ⅰ类信息的冲突概率,第Ⅲ类信息排队时延等重要协议参数的理论分析结果。对比结果表明我们的模型和仿真结果具有很好的一致性。(3)通过仿真与实验,验证了 SPBM协议机制及其算法的可行性与有效性。与其他协议的对比仿真表明我们的协议对于非安全信息的吞吐量以及安全信息传输的可靠性都有了很大的改进。我们提出的SPBM协议有着很高的信道利用率,对于不同交通密度场景也有着很强的适应性。在实验中,我们通过USRP 2920与PXI软件无线电平台,利用Lab VIEW开发环境实现了包括OFDM通信,信道估计频域均衡,频谱感知在内的多项关键技术,最终搭建起了基于正交频分复用(OFDM)技术的V2V/V2I(Vehicle to Vehicle/Vehicle to Infrastructure)车联网通信系统,并对协议机制的可行性进行了验证。综上所述,本文针对车联网MAC协议中多信道信息传输的特点,设计了 SPBM协议以满足不同类型信息的传输需求,在建立理论模型的基础上进行了仿真与实验验证。论文的研究为车联网技术特别是其中的通信机制以及相关通信标准设计与改进提供了参考,有助于推进车联网的技术发展与实际应用。