面向车队的无线信道访问控制机制研究

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在车用无线自组织网络(VANETs)研究过程中,诞生了许多相关网络协议标准,现目前应用最广泛的是IEEE推出的WAVE协议。WAVE协议针对于车辆这种高速移动的网络节点而设计,其中的短消息符合车辆在复杂拥堵的交通环境中的通信需求。但目前的WAVE协议比较缺乏对于车队这种特殊形态的研究,车队由数个车辆线性排列而成,在良好的同步机制下可以作为一个整体进行无线信道的接入。车队不仅涉及到对外通信,还包括其内部的成员间的通信,如何为车队设计特殊的协议交互,使整个车队的传输效率以及吞吐量达到更好的效果,是目前VANETs的一个研究热点。本论文的研究内容将围绕车队这一特殊形态,提出具体的无线信道访问控制机制。包括面向车队的MAC协议,以及基于p坚持的头车竞争算法和面向混合车辆类型的多信道分配算法。在本论文提出的面向车队的MAC协议中,将在帧周期中新增重传时隙(REI),利用头车来进行必要信息备份,重传时隙到来时,头车再把所备份的信息在控制信道上进行广播,车队成员则跳转到控制信道上接收,在其余时间,车队成员就可以停留在服务信道上进行业务数据的收发,这样便能让车队成员充分利用在传统帧周期的控制信道时隙中处于闲置状态的服务信道资源,使得服务数据的收发效率得到极大的提升。基于p坚持的头车竞争算法用于解决多个车队的头车于重传时隙竞争发送信息的问题,该算法将根据车队的规模对头车进行优先级的划分,并为其设置相应的AIFS大小,使得规模越大的车队的头车拥有越高的通信可靠性,能够让交通场景中更多的车辆接收到头车的备份信息,同时根据安全告警信息的特殊性,车队内的成员可以接受任意头车发送的安全告警信息,与各头车独自负责其成员的情况相比明显减少了信息的延迟。在面向混合车辆类型的多信道分配算法中,将采取控制信道竞争接入,业务信道无竞争的模式。场景内所有车辆在控制信道中竞争发送服务信道申请报文,而车队整体的服务信道申请将由其头车进行发送,这样便极大程度减少了控制信道中报文的数量,冲突概率便更小。同时根据头车所代表的服务信道申请数量,设置相应通信参数保证头车与RSU通信的可靠性较普通车辆更高,使得车队整体的信道需求优先满足,从而使得网络中的信道分配效率得到提高。本论文的研究内容通过ns3网络仿真平台进行验证。吞吐量的仿真结果表明本论文的车队MAC协议较传统的WAVE协议拥有28%左右的提升,同时在时延方面头车的广播结束时间较传统协议也缩短了将近9%。此外在采用车队为整体进行信道申请的策略中,车队中每个成员申请到的服务信道接入时间较普通车辆有206%左右的提升。这些结果表明本论文的研究内容对于存在车队的网络的各项性能有着明显的提升,对于以后有关车队的研究也有一定的借鉴意义。
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