环境敏感的车载自组网自适应通信机制研究

The emergence of Vehicular Ad Hoc Network (VANET) concept opens up new solutions for vehicle safety applications, meanwhile, the multi-channel operation can also provide non-safety services such as driving assistance and media entertainment. Therefore, VANET has great application value and broad commercial potential. In order to guarantee the precondition of reliable vehicle safety communication, and maximize communication performance of non-safety applications, this project intends to establish VANET integrated model and analyze the influence of environment aspects and communication parameters to the network performance. Based on this model, we design the adaptive communication for environment-sensitive vehicular ad hoc network, and implement multi-channel dynamic coordination and communication parameter adaptation. Finally, the proposed model and methods will be validated by simulation and real-world experiment, the prototype system will also be developed.

车载自组网为车辆主动式安全应用开辟了新的解决途径，其多信道操作模式又能同时提供行车辅助和媒体娱乐等非安全类应用服务，具有巨大的应用价值和商业潜力。为了在保障车辆安全应用稳定性的前提下，尽可能提高非安全应用的通信质量，本研究拟构建车载自组网综合模型，分析不同环境因素和通信参数对网络性能的影响。基于此模型，设计环境敏感的车载自组网自适应通信机制，实现多信道动态协调和通信参数自适应调整方法。最后，通过仿真和实验平台对所提出的模型和方法进行验证，并开发车载自组网自适应通信原型系统。

车载无线自组网通过车与车和车与路边基础设施两种通信方式交换安全消息，使得驾驶者可以及时获取视野范围外的潜在威胁信息并作出预判。因此，其能够提供比传统安全技术更为全面和有效的安全保障。由于车辆主动式安全应用对于通信性能的要求较高，因此，现有协议是否能够满足此类应用的实时性和稳定性需求，是协议设计和参数制定的关键问题。本项目采用数理分析模型的方法，建立了基于IEEE 802.11p的车载无线自组网在典型行车环境下的协议模型，并提出了协议实时性与稳定性分析方法。结合模型分析结果，进一步研究跨层优化协议设计，搭建车载无线自组网仿真系统和实车验证平台，对所提协议模型和算法进行验证。具体包括如下4个方面：（1）结合车辆主动式安全通信的特点，考虑高速公路环境下车辆分布、信道衰落等影响，运用数学模型分析的方法，建立了车辆主动式安全通信网络综合模型。模型涵盖了环境、信道、物理层以及MAC层模型，并详细刻画了隐藏节点、虚拟冲突、非饱和网络状态等问题，更接近真实的通信环境；（2）基于综合模型，提出了车辆主动式安全通信实时性与稳定性分析方法。研究了有限队列长度下的协议性能指标，并采用区域划分的分析方法估算了平均丢包率。基于JOSM、SUMO和NS2构建仿真系统验证所提出的模型和算法；（3）本项目率先提出了适用于单跳广播的自适应速率控制跨层协议框架，设计和实现了基于自组织模糊神经网络自适应速率选择算法。仿真结果证明，优化协议能够在车流密度变化的环境中大大提高通信稳定性。基于IWCU-OBU 4.2车载通信单元搭建了实验平台，验证基于节点相对距离的信道衰落丢包估计；（4）提出了一种灵活的多信道动态协调机制，在保障控制信道安全消息发送及时、可靠的前提条件下，通过预约多个节点对服务信道的使用，最大化服务信道非安全消息的吞吐量。.综上所述，本项目对车载无线自组网在车辆主动式安全通信中涉及的科学问题进行了深入研究，有助于车载环境下标准协议的制定与性能改善。