VANETs中面向交通状态的车辆主动探测方法研究

摘要

车载自组织网络(Vehicular Ad-hoc Networks，VANETs)是智能交通系统的重要组成部分。近年来，随着车载无线通信技术与传感技术的飞速发展，基于VANETs的智能交通技术也逐渐成为物联网的一大研究热点。VANETs不仅能够提升车辆在行驶过程中的主动安全与辅助驾驶能力，还可以为驾驶者提供便捷的交通引导服务。利用VANETs所提供的道路交通状态信息，驾驶者能够合理地规划行车线路，避开拥塞路段，顺利地到达目的地。为了建立方便、快捷的交通引导系统，首先必须对道路的交通状态进行及时、准确地探测。VANETs赋予了车辆之间、车辆与路边通讯单元(Road Side Unit，RSU)之间无线通信的能力，为道路交通状态探测提供了新的技术支持。
　　 本文围绕VANETs中面向交通状态的车辆主动探测方法展开工作，分别从数据传输与探测方案两个方面进行了深入的研究。本文的主要研究成果包括以下四个方面：
　　 第一、本文讨论了在车辆与RSU的通信模式下面向交通状态探测的车辆主动广播方法。针对l跳广播与2跳广播的不足，本文提出了一种受限2跳广播方法。该方法在Nakagami无线传输模型的基础上限定了状态信息被再次广播的区域，减少了网络中冗余信息的数量，在T窗口可靠性不低于75％的情况下将RSU的有效探测范围从1跳广播的300米扩展至450米。针对受限2跳广播无法合理分配再次广播机会的问题，本文还提出了一种基于概率的受限2跳广播方法。该方法在假设交通探测应用的目标接收率为R’的前提下计算各路段状态信息需要被再次广播的概率。与受限2跳广播相比，基于概率的受限2跳广播将300至450米路段的再次广播比率平均提高了8.5%。
　　 第二、本文针对GPSR路由协议应用于交通状态探测场景的不足，提出了一种车辆主动的受限多跳广播方法。该方法在GPSR路由协议贪婪转发思想的基础上引入了最大传输距离的限制，保证了车辆状态信息在每一跳步传输的接收率，将RSU接收率不低于60%的路段范围从受限2跳广播的350米扩展至400米。本文在受限多跳广播的基础上提出了两种捎带传输策略：即时捎带与周期捎带。经过数学建模分析与模拟实验比较，即时捎带策略能够帮助受限多跳广播更好地利用无线带宽资源，使RSU接收到更多来自远距离路段的状态信息，在T窗口可靠性不低于75%的情况下将RSU的有效探测范围从受限2跳广播的450米扩展至550米。
　　 第三、本文针对之前交通状态探测方案大多基于车辆之间通信的缺陷，提出了一种基于车辆与RSU通信的探测方案。该方案将十字路口的等待队列长度L作为衡量交通状态的重要指标，并提出一种借助队尾车辆主动广播的探测方法。在平均计算误差不大于5米的情况下，L的探测精度能够达到92.8%。本文还将十字路口的通行能力纳入交通状态的考察范围，提出一种基于车辆排队位置的探测方法用于计算一个绿灯期内通过路口的等待队列长度△l。在车辆运动学模型的基础上，本文进一步研究了路口最大通行能力Max(△l)的计算方法。根据L、△l以及Max(△l)的结果，本文引入了交通指数α的概念。实验证明，α的数值很好地描述了十字路口的交通状态，能够为下一代智能车载导航系统提供可靠的决策依据。
　　 第四、本文针对之前基于VANETs的交通状态探测方案大多要求所有车辆参与其中这一缺陷，提出了一种基于公交车主动广播的探测方案。该方案将公交车选为交通状态的“探针”，在车辆与RSU通信的基础上研究了公交车通过指定路段时间△t的计算方法，进而根据道路服务水平评价体系与△t的动态数值判断被测路段的交通状态。为了降低个体因素与外界环境因素对探测结果的影响，本文提出了两种公交车平均通行时间的计算方法：T窗口平均与N窗口平均。实验证明，T窗口平均算法保证了探测结果的时效性，在路面公交车流平均密度为80辆/小时且窗口大小等于5分钟的情况下，计算结果的平均延迟仅为2.5分钟；而N窗口平均算法保证了探测结果的普适性，在路面公交车流平均密度为80辆/小时的情况下，RSU能够在5分钟内成功收集7辆公交车的状态信息。基于公交车主动广播的探测方案很好地反映了被测路段的交通状态，能够为未来智能公交调度系统提供动态的数据支持。