车路协同的城市车载网络数据传输机制研究

Data transmissions in urban vehicular networks have an important influence on the qualities of services in intelligent transportation systems, such as the safety warning and the congestion avoidance. However, the current data transmission schemes rely on the vehicle-to-vehicle communications, which restrict the transmission efficiency due to the vehicle mobility and hence the highly dynamic network topology. This project focuses on a data transmission scheme based on vehicle and roadside unit cooperation in urban vehicular networks, which explores the cooperation of vehicular nodes and roadside units in order to enhance the qualities of the online data transmission services and those of the safety message dissemination services. The main work is illustrated as follows. 1) In order to maximize the access ratio, we do research on a storage scheme of roadside units using the maximum bipartite matching theory, which returns an approximate optimal solution in polynomial time. 2) A stable-matching-based storage scheme helps to achieve a joint optimization of the access ratio metric and the access delay metric. 3) Based on the distributed storage of roadside units, we study a vehicle cooperative downloading scheme, utilizing the vehicle-to-vehicle and vehicle-to-roadside-unit communications to improve the performance of data access. 4) We design a two-way cooperative safety message dissemination policy, which makes full use of the vehicles in two directions and the roadside units to expand the warning scope and shorten the warning latency. 5) We synthesize the research innovations and construct a simulation platform for urban vehicular networks. Since this project provides technical support for the safe travel and the smooth traffic in cities, it is of important theoretical significance and application value.

城市车载网络的数据传输对智慧交通系统的服务质量有重要影响，例如：安全预警、拥塞避免等。然而，现有的传输机制基于车车通信实现，车辆运动使得网络拓扑高度动态，传输效率受限。本课题围绕车路协同的城市车载网络数据传输机制展开研究，拟通过车辆与路边单元协同工作，提升联网数据传输和安全消息分发的服务性能。主要工作包括：1）研究基于二部图最大匹配的路边单元存储方案，以最大化响应率为目标，在多项式时间内求得近似最优解；2）利用稳定匹配求解存储问题，实现响应率和响应时延指标的联合优化；3）以分布式存储为基础，研究车辆协同的数据下载机制，利用车车通信和车路通信，提升响应效率；4）研究双方向车路协同的安全消息分发策略，利用同向、反向车辆和路边单元的协同分发，扩大预警范围，缩短预警时延；5）集成上述研究成果，构建城市车载网络仿真实验平台。本课题旨在为安全顺畅的城市交通提供技术支持，具有重要的理论意义和应用价值。

随着智慧交通和无人驾驶等技术发展，车辆逐渐成为智能主体，车辆之间的信息传递需求越来越强。在城市车载网络中，如何利用车车通信和车路通信提高数据传输效率是近年来的研究热点。本课题研究车路协同的城市车载网络数据传输机制，主要研究内容和取得的成果如下：.1）基于二部图的数据分布式存储方案。针对数据在路边单元中的分布式存储问题，以车辆的数据请求和路边单元的存储单元为左右顶点，依据车辆与路边单元的相遇关系连边，构建二部图，通过求解二部图最大匹配，实现数据响应率的最大化；综合数据响应率和平均响应时延指标，以数据和路边单元为左右顶点，依据数据在路边单元中的分配将响应的请求个数以及响应时延，为左右顶点分别设置偏好序列，求解稳定匹配，实现对两项指标的综合优化。 .2）基于网络编码的数据分发机制。在应用网络编码的车载网络中，依据车辆的速度变化率、速度优化度和信道质量，采用模糊逻辑计算车载节点的传输能力值，选择传输能力值大的节点为骨干节点，构建骨干网络，实现数据高效传输；在传输调度中，发送方依据待选数据块的邻居译码率，优先传输邻居译码率高的数据块，从而提升网络中的数据包解码效率。.3）车辆协同的高效数据下载机制。采用方向约束、行驶范围约束和时序约束选择合适的合作者，利用车车通信提高大文件下载速度，通过调节数据块副本个数实现对数据传输优先级的控制；设计基于节点相关性的能量有效分簇算法以及基于感知重合度的数据聚合机制，降低数据在网络中传输的能量开销。.4）车路协同的安全消息多跳传播。设计事故车道车辆、反向车道车辆以及交叉路口处的路边单元协同的安全消息分发，提高消息扩散速度；针对节点通信半径不同的异构车载网络，设计基于非冗余通信半径的安全消息扩散方法，提升传输有效性。.5）车路协同的城市车载网络数据传输仿真实验平台。为车载节点和路边单元设计通用的实体数据结构，并针对典型功能设置接口，在机会网络模拟器基础上，搭建车路协同的城市车载网络数据传输仿真实现平台，实现分布式存储、数据传输和消息分发等应用，验证并集成本课题各项研究成果。