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基于交通流密度的VANET广播技术研究

作　者: 周连科
导　师: 崔刚
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: VANET 网络密度广播协议分簇网络容迟网络
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

VANET(Vehicle Ad-hoc NETwork)是一种由在道路上行驶的车辆组成的临时性的开放式无线自组织网络,它具有自组织、无中心、多跳传输以及节点高速移动等特点。VANET的主要应用方向为交通安全类应用和交通状况告知类应用。VANET的作用主要是实现将交通安全信息或交通状况信息快速发送至一定区域内尽量多的节点。广播是VANET信息分发的主要方式,然而道路交通中车流密度的巨大变化会大大影响VANET广播的性能。为满足在不同交通流密度环境下的VANET广播服务性能要求,提高广播效率,本文对VANET广播技术进行了研究,以交通流相关理论为基础,设计了一系列VANET多跳广播协议。在交通阻塞状态下,节点密度达到饱和状态,网络中的“广播风暴”会阻塞网络,大大降低VANET的广播效率,因此,本文提出了一种用于交通阻塞中节点密度饱和状态下的基于概率转发的多跳VANET广播协议NPPB。在该协议中,通过设计幂参数对转发概率进行调节,限制节点的转发次数,从而减小信道发生冲突与竞争的概率。理论分析和仿真实验表明,在节点密度饱和的VANET环境下采用NPPB方法进行多跳广播不仅能够保证广播的可靠性,也可以有效地减小“广播风暴”对网络性能的影响,大大提高在节点密度饱和状态下VANET多跳广播的效率。在非饱和的自由交通流环境中,VANET节点密度会发生变化,此时若采用基于固定参数的方法进行数据广播无法取得良好的效果。对此,本文提出一种基于节点覆盖信息的VANET广播协议TDABP,通过使用冗余转发节点增强协议的可靠性,实现了对关键节点故障和关键链路失效的容忍。该协议采用分布式和按需通信的策略来获得节点的连通性信息,并据此选择转发节点而不受密度变化的影响,有效地避免了“广播风暴”的产生。理论分析和仿真实验结果表明,TDABP协议能够在不同交通流密度的场景下保证广播的可靠性,有效地降低了高密度场景下由“广播风暴”引起的传输时延、网络负载和通信开销,提高了广播效率,广播的可靠性也得到了增强。在车辆集团跟驶的交通流环境中,节点分布自然成组,适合采用分簇的方法进行数据广播。针对这种特点,本文提出一种基于综合权的VANET分簇广播协议VWCP。协议采用了综合加权的簇首选举算法,将VANET网络中车辆节点的交通特性纳入考虑,将节点的交通行为计入权值的计算中,以产生适合VANET公路交通场景下的稳定分簇结构。在设计仿真实验时,将交通流理论中关于车头间距与行驶速度关系的相关理论引入移动模型的设计中,生成了切合实际的仿真场景。实验结果表明,采用VWCP生成的分簇网络结构简单、稳定性好、控制开销小,同时具有很高的广播覆盖率,能够满足车流呈波状分布的VANET数据广播的可靠性要求。传统的广播协议多基于网络能够连通的假设,然而在道路交通环境中,许多时候车流密度很低以至于无法保证网络连通,此时无法有效进行广播服务。对此,本文提出了一种VAENT容迟广播协议DTBP。协议在网络断连时采用基于综合加权中继节点的选择策略来选择中继节点,在发生接触时设计了转发时机选择策略来选择合适的重广播时机。仿真实验结果表明,DTBP协议能够在不同密度条件下获得较高的广播覆盖率,能够有效地在发生断连的VANET网络中提供有效的广播服务。协议能够以较少的控制开销和时延将广播信息分发给广播区域内的节点。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-30
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  13-15
  1.2 VANET 概述  15-22
    1.2.1 车用网络的结构  15-16
    1.2.2 VANET 技术的发展  16-19
    1.2.3 VANET 的特点  19-21
    1.2.4 VANET 的主要应用  21-22
  1.3 VANET 广播技术  22-25
    1.3.1 VANET 广播的特点  22-23
    1.3.2 VANET 广播技术的研究现状  23-24
    1.3.3 网络节点密度对广播性能的影响  24-25
  1.4 交通流相关理论  25-26
    1.4.1 交通流理论的发展  25
    1.4.2 交通流基本参数  25-26
    1.4.3 交通流形态划分  26
  1.5 OPNET Modeler 网络仿真软件简介  26-28
  1.6 本文主要研究内容与组织结构  28-30
第2章交通流密度饱和状态下的VANET 广播  30-45
  2.1 引言  30-31
  2.2 相关工作  31-32
  2.3 NPPB 协议  32-34
    2.3.1 NPPB 协议原理  32-34
    2.3.2 NPPB 协议实现  34
  2.4 NPPB 协议性能分析  34-37
    2.4.1 基于冗余面积的对比分析  34-35
    2.4.2 基于节点广播度的对比分析  35-37
  2.5 仿真实验及结果分析  37-43
    2.5.1 仿真参数与场景设置  37-38
    2.5.2 实验结果分析  38-43
  2.6 本章小结  43-45
第3章自由交通流中的VANET 广播  45-62
  3.1 引言  45
  3.2 相关工作  45-47
  3.3 TDABP 协议  47-56
    3.3.1 相关定义与假设条件  47
    3.3.2 TDABP 协议原理  47-48
    3.3.3 TDABP 协议的实现  48-52
    3.3.4 TDABP 协议分析  52-54
    3.3.5 增强TDABP 可靠性的扩展策略  54-56
  3.4 仿真实验及结果分析  56-61
    3.4.1 仿真参数与场景设置  56-57
    3.4.2 实验结果分析  57-61
  3.5 本章小结  61-62
第4章集团跟驶交通流形态下的VANET 广播  62-83
  4.1 引言  62
  4.2 相关工作  62-65
  4.3 VWCP 协议  65-74
    4.3.1 考虑节点交通特性的综合加权算法  65-67
    4.3.2 VWCP 协议原理  67
    4.3.3 VWCP 协议实现  67-74
  4.4 仿真实验及结果分析  74-82
    4.4.1 移动模型及节点分布  74-75
    4.4.2 仿真参数与场景设置  75-76
    4.4.3 实验结果分析  76-82
  4.5 本章小结  82-83
第5章网络断连状态下的容迟VANET 广播  83-98
  5.1 引言  83
  5.2 相关工作  83-85
  5.3 DTBP 协议  85-92
    5.3.1 基于综合加权的中继节点选择算法  85-86
    5.3.2 发生接触时的重广播时机选择算法  86-87
    5.3.3 DTBP 协议原理  87-88
    5.3.4 DTBP 协议实现  88-92
  5.4 仿真实验及结果分析  92-97
    5.4.1 仿真参数与场景设置  92-93
    5.4.2 实验结果分析  93-97
  5.5 本章小结  97-98
结论  98-100
参考文献  100-110
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  110-113
致谢  113-114
个人简历  114

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