车联网中基于可见光通信技术的信道接入机制的研究

摘要

近年来，由于道路发展不足以适应日益增长的车辆数目，高速公路和普通道路都变得越来越拥挤，从而导致了交通事故，交通堵塞和相关的环境污染问题的出现。为了减少事故和堵塞的发生，提供更加平滑的交通流，智能交通控制系统（Intelligent Traffic Control System，ITCS）和车联网通信作为智能交通系统领域的研究趋势引起科研工作者的广泛关注。随着第五代移动通信技术（5th-Generation，5G）、大数据及云计算技术的快速发展，车联网通信对安全消息的传输时延和通信速率提出了更高的要求。基于发光二极管（Light Emitting Diode，LED）的可见光通信（Visible Light Communication，VLC）技术因其无需无线频谱认证，高速数据传输能力，超高带宽（可以缓解射频频谱匮乏的现状）等显著优点引起了国内外学者对可见光通信在车联网中的应用的研究热潮。 每个共享的无线通信信道都需要媒体访问控制（Media Access Control，MAC）层信道接入协议来使多个节点通过竞争信道，最终能无冲突地进行数据传输。目前，车联网中应用广泛的IEEE802.11p标准主要采用载波侦听多路访问/冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）接入协议。但是，CSMA/CA在可预见性和公平性方面存在一定的问题，而且在一个分布式网络场景中，节点可能会有经历无限时延的可能，不能保证严格意义上的实时通信。而可见光通信作为车联网中现有无线通信技术的补充给本文研究接入协议带来了很多启发。 本文在车辆自组网（Vehicular Ad hoc Networks，VANETs）应用环境下提出了基于VLC的MAC层信道接入协议。首先针对不同类型的光发射机和光接收机的优缺点，选择车辆和路边设施中一切可利用的光源作为光发射机，选择基于PD的光接收机并对其位置进行了设置。在此基础上本文构建了车与车（Vehicle to Vehicle，V2V）和车与路边设施（Vehicle to Infrastructure，V2I）相对位置关系的数学模型，对车联网中的可见光信道的信道直流增益和噪声衰减进行了量化分析，并分析了V2V和V2I的通信链路可靠性。然后，本文将时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和光码分多址（Optical Code Division Multiple Access，OCDMA）进行结合提出了一种以VLC为主，射频（Radio Frequency，RF）辅助的混合车辆自组网的MAC层信道接入协议。它将时序分为控制信息传输子帧和数据传输子帧，接入过程分为邻居发现、时序获取和数据传输三个阶段，并且针对V2I接入中存在的小区切换问题进行了研究。最后，对本文提出的协议针对平均接入时延，切换时延和网络吞吐量进行了理论分析，并基于ns-3网络仿真平台进行了协议仿真。仿真结果表明，本文提出的MAC层信道接入协议有很好接入时延和切换时延性能。此外，通过使用光正交码（Optical Orthogonal Code，OOC）进行数据传输，也可以提高网络的吞吐量性能。

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ABSTRACT

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缩略语对照表

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1可见光通信的研究现状

1.2.2车联网中可见光通信的研究

1.3论文的主要工作和内容安排

第二章车联网场景中的可见光通信信道及链路可靠性分析

2.1可见光通信系统概述

2.1.1通信系统的基本框架

2.1.2可见光通信的优势

2.2可见光通信标准的介绍

2.2.1系统框架

2.2.2MAC层协议规范

2.3.1可见光信道直流增益模型

2.3.2基于可见光通信的V2V和V2I通信模型

2.3.3可见光通信信道中的噪声与衰减

2.4基于可见光通信的车联网通信链路可靠性分析

2.4.1V2V通信链路

2.4.2V2I通信链路

2.5本章小结

第三章车联网中基于可见光通信的信道接入协议设计

3.1现有的MAC层信道接入协议概述

3.2信道接入协议设计

3.2.1时间同步

3.2.2时序和数据帧结构设计

3.2.3信道接入协议流程

3.2.4小区切换问题的研究

3.3.1接入时延

3.3.2切换时延

3.3.3网络吞吐量

3.4本章小结

第四章协议仿真与性能分析

4.1网络仿真平台的选择与简介

4.2.1新模块创建

4.2.2网络仿真场景与参数设置

4.2.3性能指标设计

4.3仿真验证和结果分析

4.4本章小结

第五章总结和展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

致谢

作者简介

1.基本情况

2.教育背景

3.攻读硕士学位期间的研究成果

3.1发表学术论文

3.2参与科研项目及获奖