车载自组织网络(Vehicular Ad Hoc Networks,VANETs)利用车-车之间、车-基础设施之间的信息交互,来提高道路上车辆行驶的安全性与舒适性。质量可靠的介质访问控制(Media Access Control,MAC)策略是满足在具体应用中各类消息不同传输需求的保障。但是,由于车辆节点的高速移动性、拓扑的快速变化、恶劣的通信环境、业务需求的各异性等,使得VANETs难以满足各种应用的服务质量(Quality of Service,QoS)需求。本文从VANETs的应用需求入手,对VANETs中的多信道MAC协议进行建模分析和优化设计,解决不同交通流密度环境下各类消息的高效传输、多信道协调与资源分配等关键问题。本文主要工作包括以下几个方面:(1)基于VANETs中车辆移动性、拓扑的时变性、业务需求的多样性,提出了一个车载自组织网络多信道综合模型。本模型涵盖了环境模型、IEEE 802.11p的物理层模型、IEEE 1609.4的多信道模型,并详细刻画了非饱和网络状态、虚拟冲突、隐藏终端、信道衰落、信道切换等问题,详细分析了数据包传输延迟、数据包接受率和吞吐量,更加接近真实的通信环境。给出的模型和结论(或观察)对于深层理解VANETs的多信道MAC协议中存在的问题、分析网络各项性能指标和对协议进行优化、改进提供了很好的研究基础。(2)提出了基于统计的车载自组织网络跨层多信道MAC协议AOCM。对来自应用层不同类型的消息进行实时统计,预测出最优控制信道间隔,确保控制信道上安全消息的及时、可靠传输,同时采用预约机制实现非安全消息在服务信道上面的无竞争传输,提高服务信道的吞吐量。解决了 IEEE 1609.4协议在支持延迟敏感或者是吞吐量敏感应用上存在局限性的问题。本协议适合饱和与非饱和的一般VANETs环境,具有较低的计算复杂度、扩展性较好。与现存的其他协议相比较,仿真结果证实了所提协议的优越性。(3)提出了可靠有效支持QoS区分的多信道MAC协议REQ-MAC。控制信道上,在路侧单元的协调下,节点无需交换额外的信息就可以预约传输安全消息的时隙,实现安全消息无竞争的传输,获得有界的传输延迟,同时也为非安全消息的信道协商与预约留出了更多的时间。转发机制的引入确保协调信息的可靠传输。服务信道上,非安全消息可以在整个同步周期内传输,解决了信道利用率低、信道资源浪费问题。同时,节点根据交通流密度,动态调整 WSA(Wireless Access in Vehicular Environments Service Advertisement)包的竞争窗口大小,以实现不同优先级的非安全包之间的预定义吞吐量比,解决了车辆密度高度变化下,非安全应用对数据的不同QoS通信需求问题。数学模型分析和仿真结果表明,REQ-MAC协议能够保证安全消息的可靠和及时的传输,在确保非安全应用的高饱和吞吐量和低传输延迟的基础上实现非安全消息的QoS区分。