车联网跨层设计基础理论与关键技术

Internet of Vehicles (IoV) technologies are proved to be the key influence on road transportation management, in which assurance of road safety and boost of traffic efficiency serve as the main purpose. In high-speed freeways, where grave traffic accidents usually occur, both phases of vehicles, channel state and network topology frequently changes, resulting in great difficulty of satisfying reliability and real-time demands of safety applications. What’s more, increase in vehicle possession introduces heavier traffic congestion in urban transportation system, leading to another unsolved problem of efficient transfer of multi-demand applications through multi-link channel environment. It is impossible for the original hierarchical architecture of IoV to fulfill the requirements in diverse traffic scenarios. Therefore, cross-layer design has to be employed in IoV from the following aspects. Firstly for the freeway scenario, this research will analyze channel characteristics, establish queue model for different applications, calculate coupled transferring delay between layers, and design a distributed cross-layer scheduling and distributing mechanism, to provide rapid, reliable transfer of safety application messages. Then for the urban traffic scenarios, mobile channel characteristics will be estimated from the network perspective, adaptive medium access control will be optimized through combination of application demands and medium cognition, adaptive handover and cooperative wireless resource management will be implemented in multi-interface links, to offer highly efficient transfer for diverse applications. Last but not least, a simulation environment of macro and micro mobility interaction will be established for both transportation and communication procedures, where traffic behavior models, designed algorithms and communication protocols will be verified via hardware-in-loop simulation.

保障交通安全、提高通行效率是交通管理中最核心的目标，也是车联网需要具备的关键功能。在重大安全事故易发的高速公路环境中，信道类型演变多样，网络拓扑频发突变，如何保证安全消息的强实时性和高可靠性传输面临困难；此外，城市日益增加的车辆保有量易导致道路拥堵，如何保障各种车联网业务在复杂环境下的高效传输也面临挑战。车联网原有分层结构很难满足不同环境下的传输要求。因此，本课题首先针对高速公路进行信道特征分析，建立业务队列模型，研究层间传输延迟的耦合关系，设计分布式的跨层调度方法和分发机制，实现安全消息的快速可靠传递；针对城市路网分析网络级的信道特征，提供自适应的信道接入控制和业务感知相结合的跨层优化机制，实现多链路下的自适应切换和协同资源管理，保障多样化车联网业务的高效传输。同时，模拟宏——微移动相交互的交通及通信过程，构建虚实相结合的验证平台，再现交通行为和通信机理的可信特征，为算法验证提供科学判据

多年来高速公路恶性交通事故频发、城市交通拥堵、环境污染恶化等成为当前世界各国面临的共同问题。保障交通行车安全、提高城市道路通行效率是智能交通管理的核心内容。在此时代背景下，车联网成为解决这些问题的关键技术，并已经上升为国家发展战略。. 课题从跨层优化的角度出发，面向车联网信息传播环境随时间和空间快速变化、网络拓扑结构高速动态改变、业务类型复杂多样等独有特征，针对低延时、高可靠、高效率的车联网跨层传输技术展开了深入研究。针对多种典型的高速公路快速移动环境，对宽带无线电波传播信道进行了广泛的主动与被动测量，通过分析海量样本数据，利用智能算法提取复杂特征，首次构建了传播信道时变统计模型；联合上层业务需求和下层信道状态，设计了一系列能够保证传输实时性的跨层优化和分布式调度算法；提出了保证传输可靠性的车联网消息分发机制；针对城市路网多链路、多业务时变环境，对多种典型道路和驾驶场景各种复杂的无线信道进行了实地测量，建立了传播信道统计模型，创造性地设计了一系列环境与业务感知和资源调配相结合的保证多样化车联网业务高效传输的自适应拥塞控制、移动管理、多域资源优化和异构网络协同的跨层方法；建立了虚实结合、交通与通信结合的半实物仿真评估和验证平台，规划设计和建设了可用于多种V2X场景验证分析和传输性能测试的真实外场。.研究成果为充分运用车联网技术实现安全、高效的智能交通系统提供关键理论支持和技术方案，具有重要的科学价值。课题共发表学术论文114篇，其中SCI期刊论文44篇，包括IEEE Transactions/Magazine论文25篇；申请国家发明专利24项，申请软件著作权4项，提案7项；出版著作4部，获省部级科技进步奖2项。研究成果产生了重要的应用价值和社会效益，组织科普活动20次，做科普报告16次，组织了包括APEC车联网会议在内的3次专题研讨会，发布了APEC车联网白皮书，与欧盟等进行了多项国际合作项目，产生了重要的国际影响。