混合车联网架构下基于连通性的路侧单元部署与频谱共享技术研究

In order to realize intelligent transportation, the vehicle ad hoc network technology has become one of the hot research spots in the world, and it is an important technical to achieve intelligent transportation in the future 5G or even 6G networks. The hybrid VANET architecture will become the mainstream choice for the future development of vehicle network because of its superior expansibility. However, there is no much theory research related on the performance analysis under existing hybrid VANET architecture. On the basis of the above case, the project focuses on the following topics. Firstly, by considering the high dynamic network topology characteristics of the highway scenario, such as linear two-way, multi-lane, high speed, and multiple entrances and exits, we build connectivity analytical model of the highway scenario. Secondly, on the basis of the previous model, we find out the optimal method of deploying the RSUs under several parameters, such as network delay, energy consumption and cost, to ensure the network delay and connectivity when the data is not burst. Finally, we design spectrum sharing mechanism under service classification for different data types, which can reduce the additional delay in the outbreak of data and improve network performance. Through in-depth theoretical analysis, computer simulation and experiments, the project can provide theoretical reference for building connectivity analytical model and improving spectrum efficiency which are urgent solving problems in the actual highway scenario under hybrid VANETs architecture.

为实现智能交通，车联网技术已经成为世界范围内的研究热点之一，是实现未来5G甚至6G网络中交通更加智能化的重要技术手段，而混合网络架构车联网由于其优越的扩展性将成为未来车联网发展的主流选择。针对现有的车联网混合网络架构下与性能分析相关的理论问题研究较少的情况，本项目在混合网络架构的背景下，重点研究以下内容：首先对线性双向、多车道、高车速、多出入口等高动态网络拓扑结构特征的高速公路场景进行网络连通性分析和建模；其次，在前面建立的模型基础之上，寻找延时、能耗与成本可接受的最优路侧单元部署方法，保证数据非爆发时的网络延时和连通性；最后，建立业务分级下的频谱共享机制，降低数据爆发时的附加延时，提升网络性能。通过深入的理论分析、计算机仿真及实验，为目前车联网混合网络架构高速公路场景下亟待解决的网络连通性、延时和频谱效率等方面的问题提供理论依据。

车联网技术是实现智慧交通的重要保障技术之一，针对现有的车联网混合网络架构下网络性能和频谱共享相关的理论问题，本项目在混合网络架构的背景下，从以下几个方面做了一些研究。①利用概率论的方法对带有出入口的高速公路场景下的网络连通性问题和路侧单元部署问题进行了研究，综合考虑了诸如车辆到达率、车辆移动速度、车辆通信半径、路侧单元(RSU)通信范围、高速公路长度以及车辆通过出入口的概率等因素和参数，分析了网络连通性的显示表达式和包括中断概率、数据包出错概率、数据包平均丢失概率等多个参数的网络性能指标。②分别对城市和郊区场景下成本受限的路侧单元的部署和节能问题进行了建模和优化，在分析问题的过程中，引入了中心性的概念，并基于该概念，分别考虑了度中心性和中介中心性两种情况下的路侧单元部署问题。提出了一种路侧单元全局调度机制和一种休眠调度算法也称为最近最快算法。该分配方案可以有效降低路侧单元的总消耗，为解决道路连通性差的情况下路侧单元的部署提供了参考依据。③提出在频谱共享系统中采用智能反射面来协助从用户进行通信，波束赋形的优化可以从收发机两端的预编码以及智能反射面上的相位阵联合进行，在不增加对主用户干扰和系统总能耗下提高了从用户系统吞吐率。④在智能反射面辅助的频谱共享系统中基于有界信道误差模型和统计信道误差模型的主用户相关信道的鲁棒性波束成形进行设计。联合优化了从用户的发射机的发送预编码矩阵和反射相移阵，以最大程度地降低总发射功率，利用逐次凸逼近和符号定性原则来处理这些信道误差约束，并提出了有效的算法。⑤在智能反射面辅助辅助的车联网中对基于V2V和V2I共享频谱时的主被动波束成形进行了设计。综合考虑了V2V的传输速率要求、信号发送总功率限制以及反射相移模约束等条件，以最大程度提高V2I用户速率为目标，联合优化了车联网基站发送端预编码、反射相移矩阵，提高了用户频谱效率。