车联网接入选择问题研究

摘要

车联网（Internet of Vehicle，IoV）以车辆为通信载体，通过传感技术、专用短程通信技术（Dedicated Short Range Communications，DSRC）、海量数据处理技术和数据整合技术等，实现在信息网络平台上为所有车辆提供不同种类的网络综合服务。IoV系统可支持车辆与车辆间通信（Vehicle to Vehicle Communication，V2V）、车辆与路旁基础设施间通信（Vehicle to Infrastructure Communication，V2I）以及车辆与行人间通信（Vehicle to Pedestrian Communication，V2P）。由于乘客在车辆中对多媒体业务需求的不断增加，考虑到IoV系统具有快速变化网络拓扑、严重衰落的无线信道、受限的信道带宽和车辆运行轨迹可预测等特性，如何在严峻的网络环境中提高 IoV传输链路的可靠性，保障端到端时延（Quality of Service，QoS）需求，合理地为乘客选择接入子网完成无线通信，是IoV发展过程中亟待解决的问题。为此，本文以IoV接入选择问题为研究对象，从链路可靠性分析、网络排队性能分析、接入子网选择和调度策略四个方向，分别围绕中断概率、多跳端到端上鞅时延边界、乘客与路边接入点（Trackside Access Point，TAP）的关联均衡策略以及业务调度策略等问题展开研究。本文的主要工作和贡献概括如下：
　　第一部分针对如何在降低计算复杂度的同时提升 IoV中继节点选择实时性的问题，提出了一种基于放大转发（Amplify-and-Forward，AF）的双向中继协作（Amplify-and-Forward-based Two-Way Relaying，TWR-AF）系统的部分中继选择算法，通过IoV车辆中继的协助，完成了汽车与路边接入点的无线通信。首先，由于接入点（Access Point，AP）-移动中继（Mobile Relay，MR）-汽车的通信过程中可能经历的严重的衍射现象，其信道环境衰落非常恶劣，提出采用混合的 Nakagami-m和‘double’ Nakagami-m衰落模型分别描述固定终端对移动终端通信模式（Fixed-to-Mobile，F2M）信道和移动终端对移动终端通信模式（Mobile-to-Mobile，M2M）信道；其次，提出部分中继选择法，根据部分信道信息选择最优的中继节点，并计算出系统中断概率的下界，继而获得分集增益、编码增益和平均误符号率（Symbol Error Rate，SER）的表达式；然后，提出最优候选中继节点定理，可判定在不同信道参数集条件下所需的中继候选节点个数，并同时减小中继选择的复杂度；最后，通过计算机仿真验证本文的理论结果，为该场景下的实际系统设计提供重要的理论指导。
　　第二部分针对多跳 IoV网络不同种业务的端到端排队性能边界的求解问题，提出基于多跳V2V通信的串联服务系统的建模方法，当源节点与目的节点之间无法建立直接通信链路时，需要构建接入子网借助多跳V2V通信协助消息转发。首先，在系统模型中，本章采用‘double’Nakagami-m衰落描述具有严重衰落的高动态M2M信道环境，并且考虑随机到达的业务特性；其次，基于随机网络演算（ Stochastic Network Calculus, SCN）理论和鞅理论（martingale），分别在静态优先（Static Priority， SP）、先入先出（First In First Out，FIFO）和最早截止期限优先（Earliest Deadline First， EDF）调度策略下分析时延敏感型业务和时延容忍型业务的多跳端到端时延上界，探讨多跳传输对网络排队性能的影响；最后，仿真采用在无线网络环境中测得的三种实际的无线数据轨迹：网络语音电话业务（Voice over IP，VoIP）、游戏（gaming）和UDP业务，仿真结果表明本章所提出的端到端时延上界与实际数据的测量结果拟合的很好，且多跳端到端排队性能随着接入网跳数的增加而显著增大。根据端到端排队性能边界合理选择接入网范围可为IoV的实际系统设计提供重要的理论指导。
　　第三部分针对乘客是选择接入 TAP完成数据传输还是保持在蜂窝网基站（Base Station，BS）的问题，提出基于异构IoV网络环境的高铁无线通信系统的乘客与TAP的关联机制。由于TAP能提供比BS大的多的数据传输速率，且为了分担蜂窝网的业务负荷，可将TAP视为BS的补充结构。首先，基于排队论和博弈论，考虑到乘客的收益函数与系统对乘客的奖励与代价有关，以最大化乘客自身的收益值为目标提出了一种对称博弈模型。然后，根据系统状态信息，其中包括业务排队的队长和乘客是否在 TAP的覆盖范围内，在全已知、半已知和全未知系统状态信息的四种场景下分别研究业务的平均时延性能，以及乘客是否选择关联到 TAP的均衡策略。最后，仿真结果表明本章所提出的理论结果与实际的仿真结果拟合的很好，使用关联策略所获得的网络排队时延远低于传统的最大信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR）策略。
　　第四部分针对不同种业务对端到端时延具有不同需求的问题，提出基于异构IoV网络环境的高铁无线通信系统的满足接入网适配的业务调度策略，火车在高速运动过程中依次接入到TAP和BS内完成数据传输。首先，提出一种以最小化端到端时延为目标的服务调度问题，将该问题建模为无限期时间平均的受限的马尔科夫决策过程（Constraint Markov Decision Process，CMDP）模型。其次，基于鞅理论，分别计算出在 FIFO和 EDF调度策略下的时延敏感型业务和时延容忍型业务的单跳端到端时延边界。然后，基于传统调度策略和最小化排队时延的服务调度算法，为了满足不同业务的时延需求，提出一种系统混合调度策略。最后，仿真结果首先表明 CMDP算法在端到端排队时延性能的最优性，然后证明端到端上鞅时延边界的理论值与实际仿真结果拟合得很好，最后验证混合调度策略的可行性，即当业务时延增加时，服务由传统的调度方法FIFO转为端到端时延最小的CMDP调度方法。

目录

声明

插图索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 IoV通信架构

1.3 IoV技术架构

1.4 IoV通信技术面临的问题

1.5 IoV接入选择问题的研究现状

1.6 本课题研究问题描述

1.7 论文的主要贡献和结构安排

第二章 IoV接入子网的中继节点选择

2.1 引言

2.2 系统模型

2.3 中断概率分析

2.4 分集和编码增益分析

2.5 平均SER分析

2.6 仿真结果与分析

2.7 本章小结基于移动中继路边TWR-AF系统，

第三章 IoV接入子网的多跳端到端时延分析

3.1 引言

3.2 系统模型

3.3 多跳IoV的端到端积压队长和时延边界分析

3.3 仿真结果与分析

3.5 本章小结

第四章 异构IoV高铁系统乘客与接入网关联机制研究

4.1 引言

4.2 系统模型

4.3 排队性能分析和乘客关联的均衡策略

4.4 性能分析与讨论

4.5 本章小结

第五章 异构IoV高铁系统满足接入网适配的业务调度策略

5.1 引言

5.2 系统模型

5.3 受限的马尔科夫决策过程

5.4 基于鞅理论的单跳端到端时延边界分析

5.5 仿真结果与分析

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介