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城市车联网的路由技术研究

城市车联网的路由技术研究

作者：张益静电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,城市机动车辆使用量保持高位且呈快速增长趋势,这对城市车联网中的数据传输提出了更高的要求。针对城市车联网中的车辆通信设计高质量的路由策略是当前亟待解决的问题。由于其所应用的环境的特性,城市车联网路由设计面临着三大难... 详细信息

近年来,城市机动车辆使用量保持高位且呈快速增长趋势,这对城市车联网中的数据传输提出了更高的要求。针对城市车联网中的车辆通信设计高质量的路由策略是当前亟待解决的问题。由于其所应用的环境的特性,城市车联网路由设计面临着三大难点,一是车辆节点高移动性造成网络拓扑变化频繁,二是节点运动轨迹受道路拓扑、交通状况以及交叉路口的红绿灯的限制,三是车辆节点的无规律性移动造成了节点分布不均匀。此外,基础设施在城市环境中难以部署,因此通过部署大量基础设施来提高车联网通信质量是不可取的。针对城市车联网存在的这些问题,考虑到路由策略应根据通信对象的移动类型进行调整,本文将车联网中的通信分为了车辆与固定节点通信和车辆与移动节点通信两种,并结合城市车联网特点分别对这两种通信提出了相应的路由解决方案,旨在在有限的基础设施前提下降低端到端的延时并提高包传输率。本文的主要研究内容及创新如下所示:(1)针对城市车联网环境中车辆与固定节点的通信,鉴于城市公交车具有覆盖范围广、固定线路、规律性服务等优点,本文提出了一种基于公交车轨迹的路由策略。该算法首先根据公交车线路轨迹信息构建基于公交车线路的路由图,采用最短路算法来选取路由轨迹。在数据转发过程中,采用两层中继模式进行数据转发,其中公交车作为主要中继,承担着路由决策和数据转发任务,其他车辆作为辅助中继,用于为两个主要中继提供多跳通信。经仿真测试验证,该算法在包传输率和传输延迟等路由性能上有了显著的提升。(2)针对城市车联网环境中车辆与移动节点的通信,本文提出了一种基于交叉路口的分布式路由策略。该算法首先提出了交叉路口车辆雾的概念,其中等待在交叉路口的车辆组成车辆雾,充分利用交叉路口等待车辆的计算存储资源。交叉路口车辆雾先应式地建立相邻交叉路口间的多跳链路,能够减少消息在交叉路口间的传输延时;同时,交叉路口车辆雾周期性地评估相邻路段的路况,在路由决策时根据路段路况优先选择出车辆密度高的线路作为路由线路。根据目的节点的位置,交叉路口车辆雾动态地调整路由方向。经仿真测试验证,该算法能够适应动态变化的城市车联网环境并提高了路由性能。

关键词：城市车联网路由算法公交车轨迹交叉路口

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城市车联网中多跳广播协议的研究

城市车联网中多跳广播协议的研究

作者：王宁东北大学

学位级别：硕士

随着时代不断的发展,车辆早已成为了人们日常出行的交通工具。然而,车辆在带给人们便利的同时,也带来了许多困扰。在遇到紧急事故的情况下,由于人类大脑反应时间有限,处理不及时而带来交通事故。因此,如何快速的传递紧急消息、延长驾驶... 详细信息

随着时代不断的发展,车辆早已成为了人们日常出行的交通工具。然而,车辆在带给人们便利的同时,也带来了许多困扰。在遇到紧急事故的情况下,由于人类大脑反应时间有限,处理不及时而带来交通事故。因此,如何快速的传递紧急消息、延长驾驶员反应时间是目前车联网研究的热点。本文针对具有直路和交叉路口的城市道路环境下紧急消息的传输,提出城市车联网多跳广播协议(Urban VANET Multi-hop Broadcast Protocol, UVMBP),该协议在缺少节点拓扑信息、节点密度等参数的条件下,针对发送节点位置的不同提出三种紧急消息的广播策略：首先,针对紧急消息的第一跳传输,采用发送节点直接广播紧急消息,接收节点在接收到紧急消息后,经过一系列的迭代过程,最终选出一个距离发送节点最远的区域,在该区域内通过竞争广播RTS (Request To Send)帧的方式选出一个节点作为紧急消息转发节点,完成第一跳广播的过程;其次,针对紧急消息在直路上单向传输,采用RTS/CTS (Clear To Send)帧握手的方式,发送节点首先发送RTS帧,接收节点在收到RTS帧后,经过一系列的迭代过程选择一个距离发送节点最远的区域,处于该区域内的接收节点通过竞争回复CTS帧的方式选出一个节点作为紧急消息转发节点,发送节点在收到CTS帧后广播紧急消息,从而完成紧急消息的一跳传输过程;第三,针对紧急消息在交叉路口位置的多向传输,采用与紧急消息的第一跳广播相似的方式,完成节点位于交叉路口环境下的广播过程。通过对比目前车联网中比较流行的几个算法,UVMBP在直路上和交叉路口环境下的平均一跳时延、转发节点与发送节点的平均距离、紧急消息的传输速率、帧的交付率等性能都要好于流行的算法。因此,UVMBP更加适用于城市车联网中紧急消息的广播过程。

关键词：城市车联网广播协议多跳传输紧急消息最远窄区域

IEEE 802.11p协议在城市车联网中传输距离取值范围的研究

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IEEE 802.11p协议在城市车联网中传输距离取值范围的研究

作者：曹汀上海交通大学

学位级别：硕士

IEEE802.11p协议是根据汽车通信的特殊环境而设计的无线短距离通信标准，但现有的针对IEEE802.11p协议的研究并未对其设定的传输距离是否满足车联网应用的通信要求进行分析。本文基于离散化的车联网道路模型，提出传输距离的有效性和必... 详细信息

IEEE802.11p协议是根据汽车通信的特殊环境而设计的无线短距离通信标准，但现有的针对IEEE802.11p协议的研究并未对其设定的传输距离是否满足车联网应用的通信要求进行分析。本文基于离散化的车联网道路模型，提出传输距离的有效性和必要性的概念，并且在车辆等距分布和近似泊松分布的条件下对传输距离满足有效性和必要性的概率取值进行了公式推导和理论分析。随后，我们根据城市车联网的实际情况选取参数，对概率取值的理论公式进行了程序实现。程序结果说明，在车辆近似服从泊松分布的条件下，传输距离满足有效性和必要性的概率取值主要和车辆密度相关;IEEE802.11p所规定的最大传输距离远远超出了满足有效性所需要的传输距离取值。

关键词： IEEE802.11p协议城市车联网传输距离有效性必要性

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用于城市车联网的非正交多址调度方案研究

用于城市车联网的非正交多址调度方案研究

作者：王必成苏州大学

学位级别：硕士

城市车联网在智能交通系统中占据重要地位,并因其对低时延、超可靠和高速率等服务质量的要求,而对资源调度方案提出了严峻挑战。利用非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）系统实现资源调度,可拓展传统多址方式的通信... 详细信息

城市车联网在智能交通系统中占据重要地位,并因其对低时延、超可靠和高速率等服务质量的要求,而对资源调度方案提出了严峻挑战。利用非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）系统实现资源调度,可拓展传统多址方式的通信自由度,从而改善车联网服务质量。因此,研究基于NOMA的城市车联网调度方案意义重大。本文设计城市交通模型下基于NOMA的用户调度和资源分配算法,其目的是提高用户平均谱效率,改善包接收率下界,以及缩短半静态调度（Semi-Persistent Scheduling,SPS）周期。研究内容包括:1)研究数字预编码与用户调度的联合优化策略。NOMA系统在总吞吐量最优化情况下,存在中心用户与边缘用户的谱效率公平性问题,因此引入全双工协作式NOMA。为了平衡中心用户与边缘用户的空间滤波性能,设计一种基于各NOMA簇信道矢量质心的预编码方案。接着,提出一种启发式用户调度算法,以提高车辆分布不均情况下NOMA分簇的灵活性。仿真结果表明,提出的策略与典型方案相比,具有更高的平均谱效率和更好的用户公平性。2)研究功率分配与用户调度的联合优化策略。首次引入毫米波NOMA以缩短半静态调度周期。首先,建立联合功率分配与用户调度的SPS周期最小化问题,并通过简化为顶点着色问题证明它为NP-hard问题。为取得多项式复杂度,将其解耦为功率分配与用户调度两个子问题,并迭代求解。对于第一个子问题,提出一种各时隙内包接收率下界最优的功率分配算法,以保证传输可靠性;对于第二个子问题,提出一种波束划分和用户分簇算法,并通过双边多对多匹配解决具有同伴效应的用户调度问题。最终,给出稳定性、复杂度和收敛性分析,并通过仿真验证所提出的SPS策略优于现有的典型方案。

关键词：城市车联网非正交多址接入协作通信毫米波半静态调度

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基于城市车联网管理的车载单元设计与实现

基于城市车联网管理的车载单元设计与实现

作者：纪金生中国科学院大学（工程管理与信息技术学院）

学位级别：硕士

城市的车辆越来越多,造成大量的城市交通拥堵,交通状况越来越糟糕,城市环境污染日益严重。同时,随着停车资源、道路资源的日益紧缺,占道停车、恶意欠费的现象日渐普遍。由此,城市针对车辆联网管理的需求日益强烈。在此大背景下,城市的... 详细信息

城市的车辆越来越多,造成大量的城市交通拥堵,交通状况越来越糟糕,城市环境污染日益严重。同时,随着停车资源、道路资源的日益紧缺,占道停车、恶意欠费的现象日渐普遍。由此,城市针对车辆联网管理的需求日益强烈。在此大背景下,城市的车辆如何实现精细的联网管理成为本论文研究的主要课题。本论文的目标就是充分考虑城市车辆联网管理的具体需求和特点,利用现有的嵌入式系统、无线通信、微波通信、差分定位、信息安全等相关技术设计一个基于城市车辆联网管理应用的车载单元。同时提出了城市车辆联网管理的整体框架,以此解决城市车辆联网、通信、收费、稽查等各种管理问题,实现城市车辆的精细管理,实现城市的交通优化和节能减排。本论文主要考虑车辆在城市中的自身定位、拥堵收费、违法稽查、缴费管理、信息安全等各个方面应用的需求,详细分析并设计车载单元的软硬件系统,最后做了系统功能的测试与验证。同时,本论文主要以车载单元为应用核心,充分考虑城市车辆联网管理的需求,提出了城市车辆联网管理系统的整体架构。完成的主要工作如下： (1)根据城市车联网的整体需求提出了以车载单元为核心的系统框架;(2)详细分析了车载单元的功能、性能、安全设计等需求;(3)实现了车载单元主处理和辅助处理的双处理系统创新设计;(4)结合城市车联网应用创新设计了稽查、缴费软件流程;(5)完成了室内和室外的系统测试和验证。本论文详细研究了城市车辆精确联网管理的技术方法,通过车载单元的详细设计和验证证明了该车辆联网管理系统的技术方法是可行的。它为城市车辆的精确管理提供了一套可行的技术方案,为未来城市智能交通建设提供了一定的参考。

关键词：城市车联网车载单元智能交通拥堵收费车辆稽查

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数据驱动的实时可靠车联网通信研究

数据驱动的实时可靠车联网通信研究

作者：张文中国科学技术大学

学位级别：硕士

车联网通信,即在车辆和车辆、车辆和设施之间进行数据交换的通信技术。近期由于车联网通信技术给智能交通系统的发展做出了巨大的贡献,车联网通信开始备受人们关注。因为城市车联网中车辆实体具有高移动性、网络拓扑结构动态变化、车联... 详细信息

车联网通信,即在车辆和车辆、车辆和设施之间进行数据交换的通信技术。近期由于车联网通信技术给智能交通系统的发展做出了巨大的贡献,车联网通信开始备受人们关注。因为城市车联网中车辆实体具有高移动性、网络拓扑结构动态变化、车联网规模庞大以及车辆间通信连接时常间断等特点,在一个城市级范围内构建一个实时可靠的车间通信系统是一项具有挑战的任务。已有的有关车联网车间通信的研究要么假设一个人工合成的路网,例如曼哈顿网格路网,它假设所有车辆在路网中自由行驶;要么通过公共车辆来分析有限范围的交通模式,例如分析出租车、公交车轨迹。近些年来人们关注的焦点主要集中在对公共车辆交通流的分析,用数据驱动的方式来研究车联网通信。然而,这些方法都忽略了城市私家车的交通模式,而私家车又是城市车联网的主要参与者,导致了对城市车联网车间通信的狭隘认识。已有的方法不仅没有充分利用真实的城市车联网特点,而且很难满足那些对通信数据的精度和可靠性有极高要求的应用,例如高清地图信息在自动驾驶中的应用。为了解决这些缺陷,本文通过分析城市车辆的交通模式,提出了一种数据驱动的城市车联网通信算法。本文的工作是基于对摄像机监控交通数据的广泛且多方面的数据分析,可以全面覆盖车联网中各类车辆的行驶模式。本文在此基础上首先提出了一种新颖的延迟丢失混合模型,综合考虑了数据包传输丢失和数据传输延迟,并估计所有可能路径的期望传输延迟。延迟丢失混合模型既选择了路段期望延迟最小的路径来传输数据包,又降低了数据包的丢失率,实现了实时可靠的车联网通信。本文接着又提出另一种模型来评估车辆在特定时间把数据包传输到特定地点的传输能力,该模型首先利用城市车辆历史轨迹分析车辆的驾驶模式,然后计算车辆对数据包的辅助传输能力,选择辅助传输能力最强的车辆来传输数据包。本文集成上述两个模型,进而设计了一种车间通信路由系统,可以在城市层面实现高效可靠的车辆间通信。最后,使用真实的苏州工业园区数据集来评估本文提出的城市车联网通信算法。利用840400辆苏州工业园区常驻车辆,跨度3个月的轨迹数据来进行城市车联网通信模拟实验。结果表明,本文提出的城市车联网通信算法在数据传输到达率和时间延迟方面明显优于已有的解决方案。本文提出的算法比已有最新的车间通信算法GPSR、VADD、TBD和V2VR在数据包传输成功率上分别提升了28.32%、29.34%、25.44%和 19.61%。

关键词：数据驱动城市车辆车联网城市车联网车间通信

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基于停车场内车辆辅助的通信网络性能分析

基于停车场内车辆辅助的通信网络性能分析

作者：孙莹莹华中科技大学

学位级别：硕士

在城市车联网中,路边单元(Road Side Units,RSUs)作为内容分发节点、中继转发节点等可以提高网络性能。然而部署RSUs通常需要大量投资和精心设计,导致不能广泛部署。在城市地区存在大量停放车辆,这些停放车辆可以被看作静态节点加入车... 详细信息

在城市车联网中,路边单元(Road Side Units,RSUs)作为内容分发节点、中继转发节点等可以提高网络性能。然而部署RSUs通常需要大量投资和精心设计,导致不能广泛部署。在城市地区存在大量停放车辆,这些停放车辆可以被看作静态节点加入车联网中辅助通信,成为一种新型的RSU。然而尽管停放车辆具有数量多,长期静止等特点,单个车辆依然具有随时离开和能量受限的特性。为了更好地整合停放车辆资源到现有的车联网网络架构中,停放车辆随时离开和能量受限的特性会对基于停放车辆辅助的通信网络性能造成哪些影响是亟待研究的。为了将车辆流动性引入基于停放车辆辅助的网络性能分析中,首先基于停车场内停放车辆辅助通信网络进行了系统建模。然后结合城市停车场内车辆到达时间模型和车辆停留时间模型,给出车辆离开概率的分布,并对停放车辆的耗电情况进行简要分析。在此基础上,推导了基于停车场内车辆辅助通信链路的中断概率、信道容量以及能量效率。与未考虑车辆随时离开和能量受限特性相比,中断概率等性能在一天的波动更大,而这些波动正是由于停放车辆的流动性所引起的。而随着信噪比阈值的增大,车辆离开行为的影响力度会逐渐变小。针对基于停放车辆辅助的通信网络中继节点选择问题,文章继续研究了城市停车场内车辆流动模型中车辆到达时刻和车辆已停留时长对网络性能的具体影响。通过蒙特卡洛仿真结果分析,车辆到达时刻对网络性能有较大的影响,可以近似认为选择越早到达的车辆辅助通信,其链路中断概率越低。而车辆已停留时长对网络性能的影响不大,几乎可以忽略不计。基于上述结论,文章在最大最小准则算法上进行改进,提出一种基于车辆离开概率和电量的中继节点选择策略,与随机选择策略和基于瞬时信噪比选择策略进行了对比,文章提出的策略在降低系统中断概率方面有更好的效果。

关键词：城市车联网城市停车场车辆流动模型性能分析中继选择

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车联网环境中安全车辆雾的构建技术

车联网环境中安全车辆雾的构建技术

作者：蔡帅电子科技大学

学位级别：硕士

如今,随着智能车辆的增多,城市车联网的规模越来越大,这使得车辆在行驶过程中,能够为驾驶员和乘客提供随时随地的信息访问。与此同时,网络中的通信用户对城市车联网安全的要求越来越高。由于车联网中车辆节点移动的随机性,网络拓扑的时... 详细信息

如今,随着智能车辆的增多,城市车联网的规模越来越大,这使得车辆在行驶过程中,能够为驾驶员和乘客提供随时随地的信息访问。与此同时,网络中的通信用户对城市车联网安全的要求越来越高。由于车联网中车辆节点移动的随机性,网络拓扑的时变性以及通信环境的复杂性,城市车联网面临众多安全问题,主要存在的问题有以下两点。一是在存在多种网络攻击的情况下,难以保证车辆节点身份识别的准确性;二是车联网在向用户提供云计算服务,方便用户进行数据获取的同时,增大了用户隐私信息被侵犯的风险。因此,在城市车联网环境下,如何对车辆的身份进行准确认证以及有效保障用户隐私安全有着重要的研究意义。针对城市车联网存在的以上安全问题,本文给出可行的解决方案。本文的主要研究内容和创新点如下:(1)针对城市车联网环境中存在节点破坏网络通信,特别是节点进行DDOS攻击,灰洞攻击和信息篡改,同时考虑此类节点之间存在合谋攻击的情况,本文提出基于图神经网络的恶意节点检测框架。考虑网络中车辆节点的社会属性,本文将节点间通信链接关系建模为社交网络拓扑,并定义节点间亲密度,表示节点间链接的权重值。本文将车辆的通信行为特征作为网络模型中节点的特征,根据节点特征的差异性以及节点间的亲密度关系,利用图神经网络对节点的属性进行预测。经仿真验证,该方法对车辆节点身份的识别准确性和对时变拓扑网络的适应性都有显著提高。(2)针对城市车联网环境中,网络在提供云计算服务时,可能存在的恶意节点频繁获取其他节点数据信息,侵犯用户隐私的行为,本文提出了基于云雾结合的车辆节点安全通信框架。该框架结合云服务器端与雾节点对网络中恶意节点进行入侵检测和管理。云服务器端利用卷积神经网络完成对正常的车辆节点进行身份授权和恶意节点的筛选,并利用长短期记忆网络实现对可疑节点的身份确认。在进行雾内通信的过程中,雾节点不断监视雾内车辆行为,判断节点传递消息的真实性,同时对节点进行信用评估,将可疑节点数据上传到云服务器端,以进行身份确认。经仿真验证,本文提出的基于云雾结合的车辆节点安全通信框架有效保障了用户隐私安全。

关键词：城市车联网神经网络车辆雾节点预测