交通cps环境下车辆主动式安全通信性能分析与协议优化

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：交通CPS环境下车辆主动式安全通信性能分析与协议优化作者：姚远学科专业：计算机应用技术指导教师：周兴社二零一五年一月Title:AnalysisandOptimizationofVehicleSafetyCommunicationintheTransprotationCyberPhysicalSystemEnvironmentByYaoYuanUndertheSupervisionofProfessorZhouXing-sheADissertationSubmitt

2、edtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofComputerScienceXi’anP.R.ChinaJanuary2015摘要摘要道路交通事故一直以来是全球性最重要的公共安全问题之一，给人类社会带来了巨大的生命和财产损失。为了避免交通事故的发生，在过去三十多年中，各大汽车研究机构都在积极研发车辆主动式安全应用，以提高行车安全。由于传统交通系统的计算过程和物理环

3、境之间缺乏广泛的互连互通，大多数主动安全技术还是基于单一车辆实现，使得交通系统安全控制未达到充分的整体协调优化。而信息物理融合系统（CyberPhysicalSystem,CPS）概念的出现，为上述问题开辟了新的解决途径。交通信息物理融合系统（TransportationCyberPhysicalSystem,T-CPS）是CPS在交通领域的应用，通过将传感、计算、控制和通信等技术，有效集成运用于交通运行管理系统，形成信息化、智能化、人性化的新型交通运输系统。为了达到交通信息系统和交通物理系统的深度融合，需要

4、一种适用于道路环境下的通信技术来实现两者的广泛互连互通。在这种需求背景下，车载无线自组网（VehicularAdHocNetwork,VANET）应运而生。通过车与车（Vehicle-to-Vehicle,V2V）和车与路边基础设施（Vehicle-2-Infrastructure,V2I）两种通信方式，使得驾驶者可以及时获取视野范围外的潜在威胁信息并作出预判。研究表明，车载无线自组网能够提供比传统安全技术更为全面和有效的安全保障。因此，各国政府、研究机构和汽车厂商都开始致力于研究基于车载无线自组网的车辆主动

5、式安全通信（VehicleSafetyCommunication,VSC）技术。由于车辆主动式安全应用对于通信性能的要求较高，因此，现有协议是否能够满足此类应用的实时性和稳定性需求，是协议设计和参数制定的关键问题。本文采用数理分析模型的方法，建立了基于IEEE802.11p的车载无线自组网在典型行车环境下的协议模型，并提出了协议实时性与稳定性分析方法。结合模型分析结果，进一步讨论与协议兼容的优化方案，设计了车辆主动式安全通信环境下自适应速率控制协议以提高通信的稳定性。本文的主要贡献如下：第一，本文结合车辆主动

6、式安全通信的特点，考虑高速公路环境下车辆分布、信道衰落等影响，运用数学模型分析的方法，建立了车辆主动式安全通信网络综合模型。与大多数无线通信网络模型仅仅只对通信环节中单一层级进行建模不同，本文研究的模型涵盖了环境模型、信道模型、IEEE802.11p协议的物理层模型以及MAC层模型，并详细刻画了隐藏节点、虚拟冲突、非饱和网络状态等问题，更接近真实的通信环境。该模型是目前车辆主动式安全通信环境下较为有效的综合模型，对于深层次理解协议存在的问题、分析网络各项性能指标和协议改进与优化提供了很好的研究基础；第二，提出

7、了车辆主动式安全通信实时性与稳定性分析方法。考虑到通信节点缓存能力限制，本文研究了有限队列长度下的协议性能指标。建立M/G/1/K队列模型，分析I西北工业大学博士学位论文了标准IEEE802.11p协议在典型行车环境下的平均延时，并采用区域划分的分析方法估算了平均丢包率。仿真结果证明，本文提出的实时性与稳定性分析模型的理论值与仿真值基本一致，平均计算误差小于5%，具有较高的准确性。进而采用该模型详细分析了各种外部因素、系统参数对于通信实时性与稳定性的影响。分析结果表明标准IEEE802.11p协议可以很好的满

8、足车辆主动式安全通信实时性需求，但不能达到其对稳定性的要求；第三，设计和实现了适合车载环境下主动安全应用的自适应通信协议VSCRA。目前，尚无针对单跳广播的自适应速率控制协议相关研究，本文率先提出了适用于单跳广播的自适应速率控制跨层协议框架。该优化协议解决了车辆主动式安全通信环境下自适应速率控制的两个重要问题：第一，在单跳广播通信缺乏反馈信息的条件下，发送节点如何在本地进行信道状态估计；第二，在车流