車(chē)聯(lián)網(wǎng)V2I通信媒體接入控制技術(shù)研究.pdf

1、我國(guó)是全球最大的汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，車(chē)輛已成為城市的重要組成部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市人口不斷增加，在百萬(wàn)人口以上的大城市里，交通擁堵、車(chē)輛事故、環(huán)境污染已成為日常生活中一道亟待解決的難題。目前，世界各國(guó)都在積極探尋提高交通效率，使城市交通向智能化演進(jìn)的解決方案。在這樣的背景下，車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這種無(wú)線通信技術(shù)可以使車(chē)輛實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交通信息獲取、路線規(guī)劃、變換車(chē)道預(yù)警、碰撞預(yù)警、互聯(lián)網(wǎng)接入等智能駕駛功能，從而改變傳統(tǒng)的駕駛概念，在現(xiàn)

2、有城市規(guī)劃的基礎(chǔ)上提高城市交通的運(yùn)行效率。簡(jiǎn)而言之，車(chē)聯(lián)網(wǎng)將通信技術(shù)融入了車(chē)輛、交通工程領(lǐng)域，通過(guò)環(huán)境感知、信息交互、信息整合實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)的跨越式發(fā)展。
　　車(chē)聯(lián)網(wǎng)是以約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行無(wú)線通信和信息交換的網(wǎng)絡(luò)。目前，學(xué)術(shù)領(lǐng)域主要將車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為兩類(lèi)：車(chē)輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施（V2I，Vehicle to Infrastructure）的通信和車(chē)輛間（V2V，Vehicle to Vehicle）的通信。其中，V2I通信

3、允許車(chē)輛在行駛過(guò)程中與路邊基礎(chǔ)設(shè)施（RSU，Road Side Unit）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以獲得所處區(qū)域乃至整個(gè)城市的交通信息，在信息總體整合的基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)終端提供相應(yīng)的駕駛指導(dǎo)和預(yù)警服務(wù)，在支持業(yè)務(wù)種類(lèi)方面比V2V通信更具有優(yōu)勢(shì)。因此，V2I通信一直是智能交通的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，近年來(lái)得到了大量關(guān)注。基于上述考慮，本文的研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)V2I通信。
　　無(wú)線通信的媒體接入控制子層（MAC，Media Access Control s

4、ublayer）提供媒體接入控制功能，并對(duì)物理層（PHY，PHYsical layer）起到向下控制作用，媒體接入控制協(xié)議決定了能否對(duì)信道資源進(jìn)行高效的調(diào)度，保障服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Service）。V2I通信的PHY層和MAC層采用IEEE802.11p協(xié)議實(shí)現(xiàn)。然而，IEEE802.11系列協(xié)議的設(shè)計(jì)初衷主要面向室內(nèi)低移動(dòng)性用戶，提供盡力而為型通信服務(wù)。如果將其拓展到車(chē)載通信領(lǐng)域，現(xiàn)有的MAC層協(xié)議存在諸多問(wèn)題，

5、并且無(wú)法提供 QoS保障。針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì) V2I通信的MAC層媒體接入控制技術(shù)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)著眼于V2I通信速率控制、基于多用戶多速率場(chǎng)景的MAC層 DCF性能建模以及引申的RSU部署策略、稀疏部署RSU場(chǎng)景下安全類(lèi)業(yè)務(wù)QoS保障的自適應(yīng)接入控制。
　　本文首先研究了IEEE802.11p協(xié)議PHY及MAC層的關(guān)鍵技術(shù)，為后文的工作提供了理論基礎(chǔ)。對(duì)于PHY層，主要研究了基于OFDM的八種多載波調(diào)制編碼方式的空口參數(shù)，并分

6、析了信道條件對(duì)誤碼率、誤包率、通信傳輸速率的影響。針對(duì)MAC層，主要研究了幾種重要的MAC層數(shù)據(jù)單元的幀結(jié)構(gòu)以及幾種常用的信道訪問(wèn)機(jī)制?？紤]到本文研究主要建立于仿真分析，無(wú)線信號(hào)的傳輸模型是否準(zhǔn)確至關(guān)重要。傳統(tǒng)的針對(duì)IEEE802.11協(xié)議信道建模的研究中，通?？紤]通信節(jié)點(diǎn)處于靜止或低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。應(yīng)用于V2I通信場(chǎng)景時(shí)，由于終端具有較高的移動(dòng)性，信號(hào)的頻率選擇性衰落、多普勒頻移和多徑傳輸?shù)葐?wèn)題勢(shì)必對(duì)信號(hào)傳輸帶來(lái)額外的影響。因此，本文對(duì)V

7、2I通信場(chǎng)景下的信號(hào)傳輸進(jìn)行了路測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)數(shù)信號(hào)模型可以較好地反映V2I通信場(chǎng)景的信號(hào)傳輸特性，為后文的仿真提供了理論依據(jù)。
　　IEEE802.11p協(xié)議中對(duì)PHY層提供了多速率支持，以保障不同信道條件下的通信質(zhì)量，但并沒(méi)有指定MAC層速率選擇及切換的方案。V2I通信場(chǎng)景中通信節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較高，信號(hào)具有快速時(shí)變特性。另外，受限于IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小，通信節(jié)點(diǎn)駐留時(shí)間往往較短。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在接近繼而遠(yuǎn)離路邊

8、基站的過(guò)程中，接收信號(hào)強(qiáng)度在經(jīng)歷短時(shí)間的逐步上升后將馬上轉(zhuǎn)為衰落趨勢(shì)。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種具有快速信道響應(yīng)特性的速率控制算法，解決了現(xiàn)有速率控制算法應(yīng)用于V2I通信時(shí)難以兼顧信道響應(yīng)速度及通信誤碼率的問(wèn)題。仿真結(jié)果從吞吐量、時(shí)延、誤包率三個(gè)方面綜合論證了本文提出的速率控制算法比現(xiàn)有的主流算法更加適用于V2I通信。
　　根據(jù)IEEE802.11p MAC層的共享信道機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)性能與在網(wǎng)用戶數(shù)直接相關(guān)。V2I通信的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)當(dāng)

9、在滿足安全類(lèi)業(yè)務(wù) QoS需求的前提下充分利用無(wú)線資源，避免頻譜資源的浪費(fèi)。因此，如何設(shè)計(jì)高效的V2I通信網(wǎng)絡(luò)RSU部署方案，使車(chē)載終端能夠無(wú)縫接入，并保障業(yè)務(wù)的QoS需求具有重要的實(shí)際意義。針對(duì)這一問(wèn)題，本文首先推導(dǎo)了V2I通信在多用戶多速率場(chǎng)景下的時(shí)延及吞吐量的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，本文提出了極限交通流密度條件下QoS保障的RSU接入半徑理論界，進(jìn)而提出了面向安全類(lèi)業(yè)務(wù)的RSU無(wú)縫覆蓋部署策略，解決了V2I通信的QoS保障問(wèn)題。

10、>　　考慮到在城市非熱點(diǎn)地區(qū)，RSU必然不能大規(guī)模部署。隨著交通流密度的上升，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載勢(shì)必會(huì)急劇增大，導(dǎo)致接入控制問(wèn)題隨之凸顯。因此，對(duì)于稀疏部署RSU場(chǎng)景的V2I通信網(wǎng)絡(luò)，制定合理的接入控制策略具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于模糊 Q學(xué)習(xí)的V2I通信接入控制算法，解決了稀疏部署RSU場(chǎng)景下V2I通信安全類(lèi)業(yè)務(wù)的QoS保障問(wèn)題。該算法具有自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力，不需要添加信道模型、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、交通參數(shù)等先驗(yàn)知識(shí)，具有優(yōu)秀