基于車載無線自組網(wǎng)絡(luò)的高速公路安全信息傳輸機(jī)制研究.pdf

1、車載無線自組網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad hoc NETworks，VANETs)近年來在高速公路安全應(yīng)用場景中顯示出巨大的研究潛力和應(yīng)用價(jià)值，成為智能交通系統(tǒng)乃至物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在高速公路上，車-車(Vehicle-to-vehicle，V2V)通信和車-路(Vehicle-to-infrastracture，V2I)通信是安全信息傳輸?shù)膬煞N實(shí)現(xiàn)方式。路邊單元RSU(Road Side Uni

2、t)是一種高速公路基礎(chǔ)設(shè)施，通過V2V和V21相結(jié)合的傳輸方式能夠?qū)崿F(xiàn)RSU高效收集道路交通信息的目的。RSU能夠?qū)⑹占男畔⑦M(jìn)行集中處理和反饋。一方面，這些信息能夠用于車輛運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)RSU通過對數(shù)據(jù)特征的挖掘發(fā)現(xiàn)潛在交通異常后，能夠及時(shí)為車輛提供預(yù)警，防止交通事故的大規(guī)模發(fā)生。另一方面，如果已經(jīng)出現(xiàn)交通事故等特殊狀況，RSU獲取信息后能夠盡早提出應(yīng)對策略，為事故救援和恢復(fù)正常通行爭取寶貴的時(shí)間。因此，研究高速公路安全應(yīng)用場

3、景中的信息傳輸機(jī)制具有重要的科研價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。
　　 本文即圍繞這個(gè)目標(biāo)對高速公路VANETs關(guān)鍵技術(shù)展開研究，對車輛之間以及車輛和RSU之間的信息傳輸性能和效率進(jìn)行深入的研究和探討，主要工作包括以下幾個(gè)方面：
　　 第一，本文通過數(shù)學(xué)模型和理論分析的方法，根據(jù)高速公路上車輛速度服從正態(tài)分布這一事實(shí)，推導(dǎo)出相鄰簇頭節(jié)點(diǎn)之間保持穩(wěn)定通信的概率公式和一維簇頭鏈狀網(wǎng)絡(luò)保持穩(wěn)定通信的概率公式。分析結(jié)果為后續(xù)簇頭選擇協(xié)議和中斷恢

4、復(fù)協(xié)議奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　 第二，本文以數(shù)學(xué)分析作為基本出發(fā)點(diǎn)，提出一種RSU輔助簇頭選擇協(xié)議。該協(xié)議以RSU作為簇頭選擇過程的發(fā)起者和執(zhí)行者，從自身的信息傳輸范圍內(nèi)依次選擇速度最接近于高速公路平均速度的車輛作為簇頭節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而形成穩(wěn)定性更高的一維簇頭鏈狀網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)RSU的高效信息傳輸和信息采集。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，相對于隨機(jī)簇頭選擇方式，該協(xié)議能夠使RSU對于探測數(shù)據(jù)包的接收率具有最高19.00％的提升，信息收集范圍能夠?qū)?/p>

5、現(xiàn)900米的延長。
　　 第三，為了提高一維簇頭鏈狀網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性并擴(kuò)展RSU的信息收集范圍，本文提出一種與簇頭選擇協(xié)議相適應(yīng)的中斷恢復(fù)協(xié)議。在中斷發(fā)生時(shí)，檢測到中斷的簇頭節(jié)點(diǎn)將發(fā)起中斷恢復(fù)流程，并在合理范圍內(nèi)選擇速度最接近于高速公路平均速度的車輛作為新的后備簇頭節(jié)點(diǎn)。通過對中斷恢復(fù)等待時(shí)間進(jìn)行合理的設(shè)置，該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)RSU信息收集范圍2800米的延長，并將中斷恢復(fù)的錯(cuò)誤率維持在較低的數(shù)值水平上。
　　 第四，本文提

6、出一種自適應(yīng)的探測數(shù)據(jù)包重傳方案，以提高簇頭節(jié)點(diǎn)的信息接收率進(jìn)而提升RSU對于探測數(shù)據(jù)包的接收率。該協(xié)議能夠根據(jù)無線信道環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化計(jì)算并設(shè)置探測數(shù)據(jù)包重傳的概率。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，以中斷恢復(fù)等待時(shí)間2秒為例，該協(xié)議能夠使得RSU對于探測數(shù)據(jù)包的接收率具有平均7.11%和最高22.53%的提升。
　　 第五，本文對高速公路安全應(yīng)用場景中需要收集的信息按照其屬性和處理方式進(jìn)行了詳細(xì)的歸類。進(jìn)而根據(jù)信息類型和重要程度的不同提出基于

7、優(yōu)先級的探測數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議和概率式帶寬節(jié)約方案，以降低高優(yōu)先級探測數(shù)據(jù)包到RSU的傳輸時(shí)間延遲和帶寬消耗。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于優(yōu)先級的探測數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議能夠有效降低高優(yōu)先級探測數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間延遲，當(dāng)事故發(fā)生的地點(diǎn)距離RSU4000米時(shí)，該事故信息能夠在0.18秒之內(nèi)被RSU所獲取。同時(shí)，本文提出的概率式帶寬節(jié)約方案能夠有效降低未經(jīng)數(shù)據(jù)融合的高優(yōu)先級探測數(shù)據(jù)包總數(shù)，同不采用該方案相比，在保證RSU的探測數(shù)據(jù)包接收率的前提條件下，仿真實(shí)