车载网络系统性能分析与组网部署研究

摘要

随着汽车工业和交通运输行业的迅猛发展，道路交通安全、城市交通拥堵等问题逐渐引起人们的重视，在这种情况下，车载网络(VANETs)应运而生。车载网络通过将无线通信技术应用于车辆间通信，大幅度提高道路行车的安全性与交通运输的有效性。为了确保安全预警信息与车流拥塞信息能够实时、可靠地传输，车载通信系统的整体性能必须得到提升。而车载网络的自身特性，诸如高速移动性、网络拓扑动态变化、车辆位置分布的随机性、无线信道的衰落特性等，都严重影响着通信系统性能，也对车辆间无线通信的可靠传输提出了严峻的挑战。因此，分析网络随机特性与无线传播环境等不同因素对车载网络系统性能的影响具有重要意义。
　　本文采用概率论与随机过程等数学工具，对高速公路场景下动态随机的车载网络进行理论建模，深入地分析了网络拓扑变化、车辆移动特性、无线衰落信道以及用户主观行为等不同因素对车载网络系统性能的影响，为车载通信系统的上层协议设计以及网络规划部署提供了理论指导。本文主要工作如下:
　　1)本文根据车载网络对数据业务持续传输的需求，对高速公路场景下的无中心车载网络进行建模，研究了网络拓扑变化对持续连通性能的影响。基于车辆到达服从泊松过程的假设，本文得到了车间距离与车辆相对速度的分布特性，进而推导出通信链路持续连通概率，并将链路连通性能扩展到全网性能分析中，得到了网络传输容量、全网连通概率、多跳通信中断概率以及节点孤立概率的解析表达式。
　　2)受车辆移动特性与无线传播环境的影响，通信车辆之间的无线链路容易被附近其他移动车辆所遮挡。针对这一情况，本文采用存在车辆遮挡的无线信道模型，分析了车辆移动特性以及实际信道模型对通信链路性能的影响。根据存在车辆遮挡的路径损耗模型与无线信道状态转移模型，本文推导出车间通信链路连通概率与任意车辆节点孤立概率的闭合表达式，并结合车辆节点的相对运动速度，得到了链路持续时间的分布特性，进而研究了无线信道参数、车辆移动特性以及相对运动情况对链路传输性能的影响。
　　3)针对驾驶员的主观行为对车载网络系统性能的影响，本文建立了基于车间协作通信的链路连通性能分析模型，采用能够准确描述信道衰落特性的无线信道模型，分别针对当网络中的干扰信号呈现独立同分布以及独立不同分布的两种情况，推导出车间协作比例与链路连通概率之间的关系。基于所建立的分析模型，本文分别在Nakagami与Rayleigh衰落信道下，得到了最优协作比例与不同系统参数之间的数值关系。分析结论揭示了车间协作比例对网络连通性的影响，为车载网络的规划与部署提供了理论依据。
　　4)本文借助路边基础设施和中继车辆来提升车载网络系统性能，针对基于基础设施和中继车辆的车载通信系统，提出了基于中继传输的网络性能分析方法。本文采用基于实际测试的双斜率分段路径损耗模型，通过叠加无线信道的小尺度衰落特性，分析了中继传输对基于基础设施的车载通信信道容量以及链路连通概率的影响。基于随机泊松点过程理论，本文分析了存在中继车辆节点的车载网络连通性，得到了中继节点比例与全网连通概率之间的数值关系，考虑发射功率限制以及系统干扰因素，进而研究了中继节点比例的配置问题。分析结论可以为车载网络设计与部署的参数配置提供理论指导。

目录

声明

致谢

摘要

插图索引

表格索引

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 网络连通性能分析研究现状

1．2．1 无线通信网络连通性能研究

1．2．2 车载网络连通性能研究

1．2．3 存在问题

1．3 主要工作与创新点

1．4 各章节安排

2 车载网络持续性数据业务传输性能研究

2．1 引言

2．2 系统模型

2．3 车间通信链路持续传输性能

2．3．1 初始车间距离分布特性

2．3．2 车辆相对速度分布特性

2．3．3 链路持续连通概率

2．4 网络传输容量分析

2．5 全网连通性能研究

2．5．1 全网连通概率与多跳通信中断概率

2．5．2 车辆节点孤立概率

2．6 仿真结果

2．7 本章小结

3 存在移动车辆遮挡的车载网络链路性能研究

3．1 引言

3．2 系统模型

3．2．1 车流移动模型

3．2．2 无线信道状态转移模型

3．2．3 无线电波传播模型

3．3 存在移动车辆遮挡的链路连通性能

3．3．1 信道状态转移的平稳分布

3．3．2 车间通信链路连通性能

3．3．3 任意车辆节点孤立概率

3．4 链路持续时间分布特性

3．5 仿真结果

3．5．1 链路连通概率

3．5．2 节点孤立概率

3．5．3 链路持续时间分布特性

3．6 本章小结

4 基于主观行为的车载通信连通性能与最优协作比例研究

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 用户主观行为与车载通信连通性能的关系

4．3．1 干扰独立同分布时的连通概率

4．3．2 干扰独立不同分布时的连通概率

4．3．3 最优协作比例下界

4．3．4 复杂度与收敛性

4．4 复杂多径衰落信道下的连通性能与最优协作比例

4．4．1 叠加噪声的Nakagami信道下连通性能分析

4．4．2 叠加噪声的Rayleigh信道下连通概率与最优协作比例分析

4．5 仿真结果

4．6 本章小结

附录

5 车载中继系统性能分析与网络部署研究

5．1 引言

5．2 基于基础设施的车载中继通信链路性能分析

5．2．1 系统模型

5．2．2 信道容量分析

5．2．3 连通性能分析

5．3 基于中继车辆的车载网络性能分析与部署

5．3．1 系统模型

5．3．2 车载中继网络连通性能

5．3．3 中继节点比例分析

5．4 仿真结果

5．4．1 基于中继传输的车载通信链路性能

5．4．2 车载中继网络连通性能

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 不足与展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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