车载网车辆间协作通信跨层优化关键技术研究

摘要

车载网（VANETs，Vehicular Ad Hoc Networks）是移动自组织网络和传感器网络在交通领域的重要应用，也是智能交通系统的重要组成部分。随着车载应用需求的不断升级和车载应用业务的不断拓展，人们对车载网络的通信性能也提出了更高的要求。然而，车载网中车辆的高速移动性不仅导致网络拓扑的频繁变化，造成恶劣的通信环境，也为路边基础设备的布设增加了难度，这些特性都使得车辆间通信面临相当大的挑战。因此，针对车载网车辆间协作通信跨层优化关键技术进行深入研究具有重要理论指导意义和实践应用价值。本文根据车载网车辆间通信时面临的问题和现状，重点研究车载网通信跨层优化的关键技术及实现方法，主要的研究成果总结如下：
　　（1）研究车载网物理层关键技术，从信道模型入手，分析多射频多信道技术、协作通信技术、网络编码技术的研究现状及其对车载自组网通信性能改善的影响，并通过相应的系统模型构建相关算法对其通信性能进行分析。通过所构建的M2M协作移动中继系统模型，对协作通信技术对系统的中断概率、信道容量等性能的影响进行分析。针对基于物理层网络编码的双向中继系统，提出了一种基于移动中继动态节点选择方案，并分析了其对系统性能的影响。
　　（2）研究车载网协作通信的资源分配方法，重点分析子载波分配、中继选择和各节点的功率分配方法，提出了一种适用于VANETs协作中继网络的最优中继节点集合选择和子载波分配及配对的资源联合分配算法。通过最优中继节点集合选择算法选择最优节点集合，保证系统通信的中断概率满足系统需求，通过子载波分配及配对算法，实现用户传输速率最大化。并通过蒙特卡洛数值仿真和对比验证所提出方案的可行性，分析结果表明所提出算法可以改善系统性能。
　　（3）研究一般情形和动态模式下的车载网信道资源分配问题，分析一般条件下的无线车辆节点的非协作行为，将限制条件下的信道资源分配问题拓展到通用条件下，并对其单级多射频信道分配博弈的收敛结果进行理论分析。提出了一种强制激励机制完成对非协作行为节点的检测，并在发现非协作节点后采取相应的惩罚策略保障系统中节点的协作性，进而实现系统性能优化。利用 QualNet设计仿真环境进行验证，结果表明，该措施具有较好的可行性，能够有效提高系统吞吐量。
　　（4）研究基于QoS的车载网跨层协作路由设计方法。针对VANETs网络的协作路由问题，分析QoS路由参数，构建系统模型，提出基于LET和有效带宽双重约束的最佳路径选择策略（LETB-AODV算法）的跨层协作路由方案。通过最优协作路经的选择，使通信链路稳定性更高。并给出了跨层协作 QoS通信系统的设计过程。对系统路由方案的仿真验证表明了该方案的可行性，分析结果表明该方案可有效降低系统路由开销和丢包率，优化网络性能。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 车载自组网技术基础

1.3 车载自组网跨层设计

1.4 本文主要工作及章节安排

第2章 车载自组网物理层关键技术研究

2.1 引言

2.2 车载自组网信道模型

2.3 多射频多信道技术

2.4 协作通信技术

2.5 网络编码技术

2.6 本章小结

第3章 基于协作节点的车载自组网资源分配方法研究

3.1 引言

3.2协作通信网络资源分配技术性能分析

3.3 系统模型

3.4 算法设计

3.5 仿真结果及分析

3.6 本章小结

第4章 基于非协作节点的车载自组网资源分配方法研究

4.1 引言

4.2 系统模型和博弈论架构

4.3 强制激励机制（EIM）

4.4 仿真结果与性能分析

4.5 本章小结

第5章 基于QoS的车载自组网跨层协作路由设计

5.1 引言

5.2 QoS路由设计参数

5.3 系统模型及问题描述

5.4 LETB-AODV路由算法设计

5.5 跨层协作QoS通信系统的设计

5.6 性能仿真及分析

5.7 本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及获得的科研成果奖励

附录A：缩略词表

附录B：主要符号表