车载容迟网络中数据转发机制及保障技术研究

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车载网络由道路上行驶的车辆利用车载短距离无线通信设备自组成网,提供安全预警、交通管理、商业和娱乐信息共享与发布等服务。由于城市规模较大,而车辆密度在大部分情况下相对稀疏,使得网络中很少存在能保持连通的端到端多跳传输路径,因此传统的无线自组网络技术很难支撑大规模的车载网络运行。针对数据收集与信息共享等延迟容忍类应用(如数据收集类应用),学术界提出了基于“存储-携带-转发”传输模式的组网形式。这种情况下,车辆间相遇带来的传输机会是网络中最重要的网络资源之一。本文将研究基于“存储-携带-转发”传输模式的车载容迟网络。本文分析了现有工作在协议开销、网络资源利用方面存在的不足,以降低网络平均投递延时和优化网络资源利用率为目标,研究并提出了多种逐跳数据转发机制及可靠传输技术。本文的主要创新性工作和贡献如下:  1.基于稀疏部署中继节点的数据转发机制。针对车载网络中路口处相遇通信机会严重受限的特性,提出了使用稀疏部署的中继节点协助网络中的消息传输,并提出了基于稀疏部署中继节点的数据转发机制SRR。在SRR中,中继节点部署在部分路口位置,能够为车辆缓存待转发的消息。SRR重点关注车辆借助路口位置的中继节点的转发消息的决策过程。本文基于局部路面交通状态和车辆行驶规律计算中继节点能为消息减小投递延时的联合概率。在路口处的车辆会基于该概率选择是否将消息发往中继节点。此外,本文还针对SRR中消息转发的特性提出了中继节点优化部署机制,使通过部署有限数量的中继节点能最大程度的减小消息平均投递延时。仿真结果显示,SRR相比现有路由协议能显著减小消息的端到端投递延时,并能取得较高的消息投递成功率。  2.使用局部实时交通信息的数据转发机制。在车载网络中,路段上的交通信息是建立端到端投递延时估计模型的基础。本文针对城市中实时交通信息获取代价过高的问题,提出了使用局部实时交通信息的数据转发机制RPPI,结合使用局部实时交通信息和全局统计交通信息转发消息。RPPI将城市地图划分为局部区域和外部区域,在局部区域内使用实时交通信息,在外部区域中使用交通统计信息,因此显著降低了路由信息的收集与分发开销。同时RPPI使用路段上的双向行驶车流转发消息,本文在此基础上给出了了基于双向车流的端到端延时估计模型。仿真结果显示,在利用少量局部区域上的实时交通信息后,RPPI相比现有基于全局统计交通信息的路由协议,在投递延时以及投递成功率性能方面有明显提升。  3.基于车辆协作的大数据传输增强机制。针对车载网络下基于地理位置的贪婪路由中存在的大数据转发不完全问题,提出了基于车辆协作的大数据传输增强机制 COBRA,在路口位置使用同向行驶的车流在路口上协作的转发消息,以车流转发取代车辆转发,增加沿不同向行驶车辆间的通信机会。COBRA机制使用擦除编码机制使消息能被更可靠的发往相邻的路段。COBRA机制,可以与大部分现有基于地理位置的贪婪路由相结合,进一步缩短后者的平均消息投递延时。仿真结果显示,当网络中传输数据量较大且带宽受限时,COBRA机制能以较低的开销提升典型地理位置贪婪路由协议的传输延时与可靠性能。  4.基于网络状态估计的自适应洪泛路由机制。针对现有路由协议对车载网络中通信机会利用效率不高的问题,本文提出了基于网络状态估计的自适应洪泛路由机制TAF。TAF用于单播路由,通过利用空闲的网络资源发送冗余消息拷贝,以提高消息传输可靠性并缩短传输延迟。TAF机制基于路段转发消息拷贝,使消息拷贝能沿更多的路径转发,并能根据网络负载自适应的调节消息拷贝转发策略。当网络负载增加,车辆会减小转发拷贝的数量,使冗余拷贝的传输不会影响到正常的消息传输。仿真结果显示,在多数情况下,TAF相比现有的传染病路由有更好的性能表现。
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