基于SDN的VANET的精确即时定位及可靠实时通信关键技术研究

Vehicular Ad-hoc Network (VANET) based on software defined networks (SDN) is proposed through combining SDN with VANET. The flexibility of SDN can match the dynamic attribute of VANET, which will be the crucial innovation of VANET. It is a challenge to deal with instant accurate localization and reliable real-time communication due to the characters of VANET. So in this research, localization algorithm, mechanism of channel access and network-layer parameters optimization will be investigated. The main contents are as follows: 1) A localization algorithm combined signal subspace projection and gridding computation is proposed. For difficult type of vehicles, single-base-station fingerprint matching localization and cooperative multi-vehicles iterative localization are used to obtain the instant accurate localization data of the whole vehicles. 2) A mechanism of channel access based on dynamic multi-protocol-sequences is proposed. Through creating virtual nodes, coarse-grained sequence candidate set distribution among RSUs and fine-grained interactive allocation of sequences among vehicles are used to depict the sequences subset mapping. So the virtual nodes with different types and priority will be distributed dynamically with multi-protocol sequences. 3) A method of network-layer multi-objective parameter optimization is proposed for optimal network reconfiguration. To achieve this goal, the property of network is depicted by metric matrices with “communication link section”. And then, the objective function of network delay is constructed according to the mobility of vehicles and diversity of data services. In addition, the objective function of network overhead is also constructed according to the optimization of flow table operation rules.

将软件定义网络(SDN)与车载自组织网(VANET)结合，提出基于SDN的VANET，以SDN的灵活性匹配VANET的动态性，解决VANET中精确即时定位及可靠实时通信关键问题，重点拟对其中的节点定位、信道接入以及网络层参数优化等方面展开研究。具体内容为：1)提出信号子空间投影与网格化计算相结合的定位算法。针对不同类别车辆进行单基站指纹匹配定位和协作式多车迭代定位，以获取全网车辆的精确即时定位数据；2)提出基于动态多协议序列的信道接入机制。构建虚拟节点，再将粗粒度的路边节点序列候选集分配与细粒度的车辆节点交互分配相结合，通过描绘序列子集图谱，实现不同类型及优先级虚拟节点的动态多协议序列分配；3)提出多目标网络层参数优化方法。采用“链路段”的方式，通过度量参量矩阵描述网络属性，从车辆移动性及数据多样性构建时延目标函数，从流表规则操作最优化构建网络开销目标函数，实现网络资源的优化重配置。

本项目将软件定义网络(SDN)与车载自组织网(VANET)结合，提出基于SDN的VANET，以SDN的灵活性匹配VANET的动态性，解决VANET中精确即时定位及可靠实时通信关键问题，重点对节点精确即时定位、信道接入控制以及网络层参数优化等方面展开研究。主要研究内容为：1）提出基于到达时间(TOA)和到达方向(DOA)的车辆定位算法、最优车辆节点选择算法及最优路边节点布置算法以提高车联网中节点的定位精度；基于正交频分复用调制的可见光通信指纹匹配定位算法，算法在室内视距环境以及多径环境下可以取得厘米级定位精度；2）基于空分-时分多址（SD-TDMA）的VANET信道接入算法研究，通过用户检测过程减少传输冲突，使大多数用户可以无冲突地访问服务通道；根据地理位置和时隙之间的映射获取时隙的基于协议序列802.11p的信道接入算法研究，将“基于调度”与“基于竞争”的信道接入结合，完善802.11p MAC层协议，该机制与UI模式及802.11p模式相比，实现了用户平均吞吐量和平均数据分组发送延迟性能的权衡；针对车载自组织网络中协议序列分配严重依赖于路边单元的缺点，以及由于一对一方案而浪费大量序列资源的缺点，提出了矩形单元(R-C)方案，使相邻节点在直线上不重叠占用序列，在此基础上，提出了六边形单元(H-C)方案来处理城市道路上的序列分配问题，这两种方案能充分利用序列资源，在序列利用率和吞吐量方面都显示出优势；3）提出了双向多车道场景下可自适应于车辆密度的紧急消息广播机制，通过优先采用基于优先级排序的同向中继节点筛选策略快速传输紧急消息，减少转播跳数、降低时延和丢包率；提出基于软件定义网络(SDN) 的多参数数据调度算法SDDS，相比请求数目优先算法(MRF) 和协作数据分发算法(CDD) ，SDDS 能显著提高调度系统的服务效率和质量；提出一种可自适应于车流密度变化的VANET功率控制算法，能够有效根据车辆密度自适应调整发射功率、降低信道占用率并提高直接邻居数据包投递率，从而保证安全信息的有效传输。此外，还开展了5G通信关键技术、可见光通信、异构网融合通信、无人机组网等研究。