近年来,随着机动车保有量的剧增,交通安全问题日益突出。车载自组织网络(Vehicular Ad hoc Network,VANET)作为能够解决交通安全问题的一种有力技术手段,将在未来智能交通系统中发挥重要作用。VANET支持车辆之间、车辆与路边基础设施之间以及车辆与行人之间的信息交换,提供安全预警业务,从而增强驾驶安全等级。高效的介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议是支持道路安全消息实时可靠传输的关键。然而,VANET面向高速行驶的车辆,其网络拓扑结构和节点密度具有高度动态变化的特性。这导致传统无线自组织网络的MAC协议无法满足道路安全业务低时延高可靠传输的需求。因此,MAC协议一直是VANET领域中的研究热点。现有研究证明时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)MAC能够有效保障业务传输的时效性和可靠性,因此一直是VANET MAC协议研究中的重点方向。然而,如何对现有TDMA MAC的时效性和可靠性进行理论评估;以及如何根据VANET高速移动和网络拓扑多变等特征,来设计更高效的TDMA MAC协议是现在亟待解决的两个问题。本文将从建模分析和协议设计这两点出发研究面向道路安全业务低时延高可靠传输的TDMA MAC协议。研究内容包含四个部分:(1)端到端传输时延性能理论分析;(2)基于车辆移动信息的冲突避免机制;(3)可变帧长度的TDMA MAC协议;(4)混合网络架构下的TDMA MAC协议设计。第一部分针对现有研究当中缺乏有效端到端时延分析模型的问题,将包排队、冲突检测、时隙获取等不利因素考虑在内,构建用于评估TDMA MAC传输时延的理论分析模型。与传统模型相比,所构建的分析模型更符合TDMA MAC协议实际运行机制,可以揭示影响端到端时延的关键因素,为最优系统参数配置和协议的进一步优化提供了理论依据。第二部分研究内容根据第一部分时延分析结果所揭示的优化方向,即降低由车辆移动性带来的冲突,研究基于车辆移动信息的TDMA MAC冲突避免机制。在该机制中,临时中心节点实时搜集车辆移动信息,并基于所搜集的信息进行冲突预测和时隙分配,达到降低冲突概率的目的,从而提升道路安全业务传输的可靠性与实时性。第三部分研究内容面向传统TDMA协议的固定帧长度配置无法适应车流密度动态变化的问题,提出可变帧长度TDMA协议。该协议所包含的自适应帧长度调整算法会基于端到端时延的解析表达式调整帧长度,达到提升业务时效性的目的。仿真结果显示所提出的可变帧长度协议能够在车流密度动态变化的情况下保证低时延传输。第四部分关注集中式和分布式网络并存的混合式网络架构,研究该架构下的TDMA MAC协议设计问题,提出帧映射机制以解决位于不同区域(即,路边单元(Road Side Unit,RSU)覆盖区域内外)节点之间的冲突问题。该协议采用动态帧结构调整算法降低车辆跨区切换所带来的接入时延。仿真结果显示该协议在混合式网络架构下仍然能够提供更低的跨区切换时延,为车辆随时在线和及时广播道路安全业务提供保障。