车载自组织网络MAC协议研究

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车载自组织网络(Vehicular Ad Hoc Network,VANET)是由车辆和路侧单元构成的一种特殊的移动自组织网络。在车载自组织网络中,车辆和路侧单元都属于网络中的节点,它们以自组织的方式构建车载网络。车载网络可以实现车辆之间的短距离通信,车辆通过车载网络收集到的信息可以实现交通安全、交通管理和网络娱乐等不同类型的应用,不仅可以减少交通安全事故的发生,还可以提高交通效率和行驶过程中的服务体验。因此,车载自组织网络引起了极大的研究兴趣。与传统的移动自组织网络不同,由于车辆的高移动性,车载网络的拓扑结构频繁地发生变化。这种特征对车载自组织MAC协议的设计提出了更高的要求,而现有的移动自组织网络MAC协议不能直接被应用在车载网络中。因此,设计适合车载网络的高效可靠的MAC协议是亟待解决的一个问题。本论文主要研究车载自组织网络的MAC协议。基于现有的一些相关MAC协议,提出了三种改进性MAC协议:基于节点密度的MAC协议—D-VeMAC、基于节点密度的自适应MAC协议—A-VeMAC和基于时隙占用率的MAC协议—SO-MAC。论文首先提出了—种基于节点密度的MAC协议—D-VeMAC。该协议在时隙预约过程,不再固定地从帧中间划分时隙集,而是根据左右方向的节点密度是否均匀来确定可预约的时隙集。如果左右方向的节点密度均匀,则采用划分时隙集策略;如果左右方向的节点密度不均匀,则允许节点密度高的方向中的节点可以预约所有时隙集中的时隙。仿真结果表明,与VeMAC协议相比较,D-VeMAC协议不仅能够适用于均匀的网络场景,在非均匀的网络场景中同样能够获得较好的性能。针对D-VeMAC协议性能提升有限的问题,本文又提出了一种基于节点密度的自适应MAC协议一A-VeMAC。该协议引入一个离散随机变量表示网络中的节点密度,通过该变量判断左右方向上的节点密度是否均匀,然后根据判断结果决定是否自适应调整当前的时隙集划分。仿真结果表明,A-VeMAC协议不仅能够适用于均匀的网络场景,同样能适用于非均匀的网络场景。在非均匀的网络场景中,A-VeMAC协议比D-VeMAC协议能够获得更好的性能。针对在稀疏场景中,每个节点仅允许占用一个时隙的MAC协议所获得的信道利用率很低的问题,本文提出了一种基于时隙占用率的MAC协议—SO-MAC。该协议在节点占用一个主时隙之后,根据当前的时隙占用率确定预约副时隙的概率。当时隙占用率超过限定值时,节点释放掉所有占用的副时隙。仿真结果表明,不论是在高速公路场景,还是城市道路场景中,SO-MAC协议均能够较高的信道利用率,尤其是在网络负载较小的情况下。
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