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道路交通事故是一个严重的社会问题，为全球范围内人口死亡和残疾的主要原因之一。车辆之间相互通信能够传递车辆行驶状态和动向信息，有效降低道路交通事故的发生频度和严重程度，并且在提高道路通行效率、改善人们驾乘体验等方面有着广泛的应用。随着无线通信技术和汽车行业的快速发展，这种通信方式逐渐成为可能，并已发展出一种车载环境下的无线自组织网络——车载自组网(Vehicular AdHocNetworks，VANET)。VANET能够以自组织、分布式方式运行。但是，车辆高速移动、网络拓扑结构的频繁变化、路边基础通信设施的缺失、不同的通信需求等使得VANET正面临着很多挑战。
MAC协议直接控制着数据包在信道上的收发过程，对无线网络性能起着决定性作用。IEEE802.11系列协议无法满足VANET安全应用对通信时延和可靠性的严格要求，不能提供有效的信息广播服务，从而不能很好地适应VANET应用场景。分布式TDMA(Distributed TDMA,DTDMA)协议能够较好地适应VANET安全应用的通信要求，并且在信道利用率、网络吞吐量和协议公平性等方面也表现出较好的性能。然而，考虑到车辆高速移动、车辆和路旁建筑物对无线信号的阻挡等作用，车载环境下的信道条件相对于一般的无线通信环境会更差，以至于通信可靠性问题严重制约着VANET的推广和应用。由于信道资源受限，单纯地从点到点无线链路来寻求网络性能的提升会面临诸多瓶颈，而作为现代无线通信的一种重要技术手段，协作通信能够通过节点间的协作来有效提高通信可靠性。但是，传统的TDMA协作通信方法大都需要基础通信设施的支持，不能很好地适应VANET特点。为此，本文将DTDMA协议与协作通信技术相结合，针对VANET应用场景提出一种MAC层协作通信框架，力求从节点协作方面来着手提高其中的通信可靠性。提出的协作通信框架不依赖基础通信设施、能够适应网络拓扑结构的频繁变化、系统实现简单、网络开销小，为应对VANET所面临的挑战提供一个可能的解决方案。本文主要工作如下:
1)提出基于DTDMA协议节点空闲时隙的协作通信方法——协作DTDMA方法Ⅰ(Cooperative Distributed TDMAⅠ,CoDTDMA-Ⅰ)。
DTDMA协议基于包头携带的时隙分配信息工作，节点获得时隙后，就会一直占用时隙。即使节点不需要发送实际应用数据，也要在自身时隙内发送实际数据为空的伪包，以便与其他节点交换时隙分配信息，同时表明对时隙的占有。上述工作方式产生了节点空闲时隙问题。为了利用这类空闲时隙提高VANET通信可靠性，针对VANET无中心节点且网络拓扑结构频繁变化的特点，提出基于DTDMA协议节点空闲时隙的协作通信方法CoDTDMA-Ⅰ，从而在数据传输失败时，邻居节点能够利用这类空闲时隙协作重发数据。该方法充分结合DTDMA协议内在工作机制，在不发送控制包、不在时隙内切换无线通信收发方式的情形下实现了协作数据重发过程。上述协作数据重发产生了一定的协作时延，为此，设计一种协作通信选择重传策略加以改善。建立数学模型分析CoDTDMA-Ⅰ方法，并推导出数据包发送成功概率与丢包率的闭式表达式。分析和仿真结果表明，CoDTDMA-Ⅰ方法能够显著提高数据包发送成功概率，有效降低丢包率。
2)建立DTDMA协议协作通信队列模型。
由于CoDTDMA-Ⅰ方法采用一种协作通信选择重传策略，源节点和执行协作通信的节点能够同时发送不同的源节点数据包，并且有些数据包在它们之间以串联方式被发送，从而Pollaczek-Khinchin公式不再适用于分析该方法。通过对CoDTDMA-Ⅰ方法源节点通信队列与源节点正在发送的数据包数量和的二阶矩分析和推导，证明该数量和决定于系统处于4个特殊状态的概率。分析系统4个特殊状态之间的转移关系，列出转移方程式，解出这4个特殊概率。在此基础上推导出上述数据包数量和、源节点通信队列中数据包数量、正在发送的数据包数量、数据包等待时延和数据包传输时延等，建立一种DTDMA协议协作通信队列模型，用于分析上述协作数据重发方法。仿真验证了分析模型，并与其他协议做了性能比较。分析与仿真结果表明，CoDTDMA-Ⅰ方法能够显著降低数据包等待时延和传输时延。
3)提出基于DTDMA协议未分配时隙的协作通信方法——协作DTDMA方法Ⅱ(Cooperative Distributed TDMAⅡ，CoDTDMA-Ⅱ)。
VANET网络成员和拓扑结构在不断地变化，当两跳传输范围内没有足够的网络成员使用帧内所有时隙时，帧内就会存在未分配出去的空闲时隙。针对VANET无中心节点且网络拓扑结构频繁变化的特点，提出基于DTDMA协议未分配时隙的协作通信方法CoDTDMA-Ⅱ，以利用未分配时隙协作重发传输失败的数据。该方法实现一种网络握手协议来确定执行协作通信的节点和用于协作通信的未分配时隙，并采用信息搭载机制传递控制信息，在不发送控制包、不在时隙内切换无线通信收发方式的情形下实现了协作数据重发过程。基于协作通信选择重传策略解决CoDTDMA-Ⅱ方法产生的协作时延问题。建立数学模型分析CoDTDMA-Ⅱ方法，并推导出数据包发送成功概率、丢包率和数据包传输时延的闭式表达式。分析和仿真结果表明，CoDTDMA-Ⅱ方法能够显著提高数据包发送成功概率，有效降低丢包率和数据包传输时延。
针对VANET应用场景，本文利用DTDMA协议节点空闲时隙和帧内未分配时隙进行协作通信，构建了一个新的协作通信框架，在不增加频谱资源、不增加硬件设备和不影响网络正常数据传输业务的情形下，显著提高了通信可靠性。
MAC协议直接控制着数据包在信道上的收发过程，对无线网络性能起着决定性作用。IEEE802.11系列协议无法满足VANET安全应用对通信时延和可靠性的严格要求，不能提供有效的信息广播服务，从而不能很好地适应VANET应用场景。分布式TDMA(Distributed TDMA,DTDMA)协议能够较好地适应VANET安全应用的通信要求，并且在信道利用率、网络吞吐量和协议公平性等方面也表现出较好的性能。然而，考虑到车辆高速移动、车辆和路旁建筑物对无线信号的阻挡等作用，车载环境下的信道条件相对于一般的无线通信环境会更差，以至于通信可靠性问题严重制约着VANET的推广和应用。由于信道资源受限，单纯地从点到点无线链路来寻求网络性能的提升会面临诸多瓶颈，而作为现代无线通信的一种重要技术手段，协作通信能够通过节点间的协作来有效提高通信可靠性。但是，传统的TDMA协作通信方法大都需要基础通信设施的支持，不能很好地适应VANET特点。为此，本文将DTDMA协议与协作通信技术相结合，针对VANET应用场景提出一种MAC层协作通信框架，力求从节点协作方面来着手提高其中的通信可靠性。提出的协作通信框架不依赖基础通信设施、能够适应网络拓扑结构的频繁变化、系统实现简单、网络开销小，为应对VANET所面临的挑战提供一个可能的解决方案。本文主要工作如下:
1)提出基于DTDMA协议节点空闲时隙的协作通信方法——协作DTDMA方法Ⅰ(Cooperative Distributed TDMAⅠ,CoDTDMA-Ⅰ)。
DTDMA协议基于包头携带的时隙分配信息工作，节点获得时隙后，就会一直占用时隙。即使节点不需要发送实际应用数据，也要在自身时隙内发送实际数据为空的伪包，以便与其他节点交换时隙分配信息，同时表明对时隙的占有。上述工作方式产生了节点空闲时隙问题。为了利用这类空闲时隙提高VANET通信可靠性，针对VANET无中心节点且网络拓扑结构频繁变化的特点，提出基于DTDMA协议节点空闲时隙的协作通信方法CoDTDMA-Ⅰ，从而在数据传输失败时，邻居节点能够利用这类空闲时隙协作重发数据。该方法充分结合DTDMA协议内在工作机制，在不发送控制包、不在时隙内切换无线通信收发方式的情形下实现了协作数据重发过程。上述协作数据重发产生了一定的协作时延，为此，设计一种协作通信选择重传策略加以改善。建立数学模型分析CoDTDMA-Ⅰ方法，并推导出数据包发送成功概率与丢包率的闭式表达式。分析和仿真结果表明，CoDTDMA-Ⅰ方法能够显著提高数据包发送成功概率，有效降低丢包率。
2)建立DTDMA协议协作通信队列模型。
由于CoDTDMA-Ⅰ方法采用一种协作通信选择重传策略，源节点和执行协作通信的节点能够同时发送不同的源节点数据包，并且有些数据包在它们之间以串联方式被发送，从而Pollaczek-Khinchin公式不再适用于分析该方法。通过对CoDTDMA-Ⅰ方法源节点通信队列与源节点正在发送的数据包数量和的二阶矩分析和推导，证明该数量和决定于系统处于4个特殊状态的概率。分析系统4个特殊状态之间的转移关系，列出转移方程式，解出这4个特殊概率。在此基础上推导出上述数据包数量和、源节点通信队列中数据包数量、正在发送的数据包数量、数据包等待时延和数据包传输时延等，建立一种DTDMA协议协作通信队列模型，用于分析上述协作数据重发方法。仿真验证了分析模型，并与其他协议做了性能比较。分析与仿真结果表明，CoDTDMA-Ⅰ方法能够显著降低数据包等待时延和传输时延。
3)提出基于DTDMA协议未分配时隙的协作通信方法——协作DTDMA方法Ⅱ(Cooperative Distributed TDMAⅡ，CoDTDMA-Ⅱ)。
VANET网络成员和拓扑结构在不断地变化，当两跳传输范围内没有足够的网络成员使用帧内所有时隙时，帧内就会存在未分配出去的空闲时隙。针对VANET无中心节点且网络拓扑结构频繁变化的特点，提出基于DTDMA协议未分配时隙的协作通信方法CoDTDMA-Ⅱ，以利用未分配时隙协作重发传输失败的数据。该方法实现一种网络握手协议来确定执行协作通信的节点和用于协作通信的未分配时隙，并采用信息搭载机制传递控制信息，在不发送控制包、不在时隙内切换无线通信收发方式的情形下实现了协作数据重发过程。基于协作通信选择重传策略解决CoDTDMA-Ⅱ方法产生的协作时延问题。建立数学模型分析CoDTDMA-Ⅱ方法，并推导出数据包发送成功概率、丢包率和数据包传输时延的闭式表达式。分析和仿真结果表明，CoDTDMA-Ⅱ方法能够显著提高数据包发送成功概率，有效降低丢包率和数据包传输时延。
针对VANET应用场景，本文利用DTDMA协议节点空闲时隙和帧内未分配时隙进行协作通信，构建了一个新的协作通信框架，在不增加频谱资源、不增加硬件设备和不影响网络正常数据传输业务的情形下，显著提高了通信可靠性。