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车联网中城市环境下的同向协助下载技术研究(优).rar

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    编号:20180914220230120    类型:共享资源    大小:1.15MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    联网 城市环境 同向 协助 下载 技术研究
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    二 ○ 一 四 届 毕 业 设 计车联网中城市环境下的同向协助下载技术研究学 院:电子与控制工程专 业:自动化姓 名:茹敬佩学 号:3201100308指导教师:李 刚完成时间:2014 年 6 月 11 日二〇一四年七月II摘 要VANET(Vehicular Ad Hoc Network)即基于 Ad Hoc 网络的车载自组网。VANET 不仅在行驶安全,导航和智能交通方面表现良好,而且在娱乐、新闻、视频会议等在内的其它信息服务有更好的发展前景,已经成为一个研究热点。然而现实情况是车辆在行驶过程中移动速度快,而路边接入点 AP(Access Point)的通信范围有限,分布比较稀疏,不能完全覆盖道路上行驶的车辆,存在通信盲区,使得车辆节点在一个 AP 区域不能完成下载任务时,只能等待下一次连入 AP 后再进行下载工作,延迟较大。本文针对 AP 通信范围有限、文件不能持续传输的问题提出了一种解决方案,即用户在一个 AP 通信范围内不能完成下载任务时,选择一组协助车辆来携带用户所需数据并传给用户,从而改变车辆不在 AP 通信区域时无信息传递的局限性。本文首先介绍了 VANET 的相关知识和技术,然后针对 VANET 网络的特点和应用需求,提出了一种通过 AP 以及同向行驶车辆预存储车辆所需数据进行协助下载的机制。在该机制中,设计了带冗余的车辆选择算法,使得车辆在行进过程中,如果在一个 AP 通信范围内不能完成文件下载时,选择一组同向行驶的车辆作为协助车辆来预存储目标车辆所需的数据,并在盲区之内根据车辆速度的不确定性,充分利用超车或被超等相遇的机会实现数据的传输,从而改变车辆不在 AP 通信范围之内时无法下载文件的局限性。为了在一种真实的场景下验证以上所提出的机制的有效性,更加真实的反映道路拓扑情况及车辆的运行轨迹,利用交通仿真软件 VanetMobiSim,充分考虑到道路的拓扑结构、交通标志、驾驶员行驶过程中的加速、减速、十字路口和红绿灯时的行为,在 VanetMobiSim 生成近似真实的 Trace 文件,并在网络仿真工具 NS2 中进行仿真研究。仿真结果表明,本文提出的机制性能更优,提高了文件下载的吞吐量。关键词:车联网,协助下载,车联网移动仿真平合IIIAbstractVANET (Vehicular Ad Hoc Network) is a type of mobile Ad Hoc networks consisting of vehicles and AP (Access Point), which is basis of inter-vehicle network, international vehicle network and vehicle-mounted mobile Internet and proceeds wireless communication and information exchange between vehicle-vehicle and vehicle-Internet, according to the contract standard communication protocol and data interaction. It is an extension of things technology in the field of intelligent transportation systems. VANET performs well not only in terms of driving safety, navigation and intelligent transportation, but has better prospects for development in some other information services including entertainment, news and video conferences, which has become a hot research topic. However, in VANET vehicles move fast and the limited communication range of AP, there must be dark area between the adjacent AP where vehicles cannot communicate with AP directly and so vehicles cannot download files from AP continuously. In this paper, in order to solve the problem of file cannot being sustain transfer; we present a cooperative download scheme. When downloading task cannot be completed in one AP communication range, selecting a group of vehicles to carry the required data to the user, thus the information transfer limitations out of the AP communication of users is changed. In this paper, we first introduce the knowledge and technology of VANET, and for the characteristics of VANET and application requirements, a cooperative download scheme with the same direction as users is proposed. In this scheme, this paper designs redundant vehicles selection algorithm. When a vehicle does not finish the downloading task in the communication range of an AP, it will choose a group of cooperative vehicles in the same direction, and pre-store the requested files in these cooperative vehicles when they are in the communication range of the AP. Once the vehicle meets cooperative vehicles in the dark area, they can transmit pre-stored packets between each other. Thus, the limitation that vehicles cannot download file in the dark area is changed.IVIn order to verify the effectiveness of the proposed mechanism in a real scene and a more realistic reflection of the topology of the road and the running track of the vehicles, we use the traffic simulation software VanetMobiSim. We take into account the topology of the road, traffic sign, acceleration, deceleration and the behavior of the crossroads and traffic lights, generating approximate real trace files, and then use network simulation tool NS2 to simulate the scheme. The results show the presented scheme can effectively extend the valid downloading area and improve the throughput of downloading files.Key words: VANET, cooperative downloading, VanetMobiSimV目 录摘 要 .............................................................................................................................IIAbstract.......................................................................................................................III目 录 .......................................................................................................................V第一章 绪论 ................................................................................................................11.1 研究的背景和意义 .........................................................................................11.2 当前国内外研究现状 .....................................................................................31.3 论文结构 .........................................................................................................4第二章 车联网及其路由协议 ....................................................................................62.1 Ad Hoc 网络概述 ............................................................................................62.1.1 Ad Hoc 网络概念 .................................................................................62.1.2 Ad Hoc 网络的特点 .............................................................................72.1.3 Ad Hoc 网络的应用 .............................................................................82.1.4 Ad Hoc 网络的管理问题 .....................................................................92.2 车辆自组织网络(VANET) .......................................................................92.2.1 车辆自组织网络概述 ..........................................................................92.2.2 车辆自组织网络的通讯方式 ............................................................102.2.3 车辆自组织网络的特点 ....................................................................112.2.4 车辆自组织网络面临的问题 ............................................................132.2.5 车辆自组织网络的应用 ....................................................................132.3 目前车辆网络的路由协议 ...........................................................................152.3.1 GPSR 路由协议 ..................................................................................152.3.2 AODV 路由协议 ................................................................................152.3.3 DSDV 路由协议 .................................................................................172.3.4 LAR 路由协议 ....................................................................................182.4 本章小结 .......................................................................................................20VI第三章 VANET 多源同向协助下载 .......................................................................213.1 引言 ...............................................................................................................213.2 相关工作 .......................................................................................................213.3 多源同向协助下载思想 ...............................................................................223.4 系统模型 .......................................................................................................243.5 同向协助下载 ...............................................................................................253.5.1 请求下载阶段 ....................................................................................253.5.2 协助车辆选择阶段 ............................................................................253.5.3 车辆动态任务分配 ............................................................................283.5.4 车辆冗余算法 ....................................................................................293.6 本章小结 .......................................................................................................29第四章 车辆移动拓扑文件的生成 ..........................................................................304.1 VanetMobiSim 简介 ......................................................................................304.2 VanetMobiSim 的移动特征 ..........................................................................314.3 VanetMobiSim 生成车辆移动拓扑文件 ......................................................324.4 本章小结 .......................................................................................................35第五章 仿真实验与结果分析 ..................................................................................365.1 仿真环境设置 ...............................................................................................365.2 仿真结果及分析 ...........................................................................................365.3 本章小结 .......................................................................................................39结论 ..............................................................................................................................41参考文献 ......................................................................................................................42致谢 ..............................................................................................................................451第一章 绪论1.1 研究的背景和意义随着社会经济的发展,机动化水平逐渐提高,汽车在人民生活中起到越来越重要的作用。随之而来的行驶安全问题,道路交通拥堵问题,环境污染问题成为了研究人员关注的重点。同时,人们对汽车的需求也并不局限于“代歩” ,更多的信息化需求如交通信息服务、电子收费、紧急救援和多媒体服务等应用也相应的被提出,作为智能交通系统(Intelligent Transport System,ITS) [1]重要组成部分的车联网(或车载自组织网络) (Vehicle Ad Hoc Networks,VANET)就是在此背景下提出的。车辆自组织网络 VANET( Vehicular Ad Hoc Networks)是移动 Ad Hoc 网络 MANET( Mobile Ad Hoc Networks)一个重要的研究分支,已成为无线网络和智能交通等领域的新热点 [2]。VANET 作为未来智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)的核心部分,通过车辆间通信(Inter-Vehicle Communication,IVC)或车辆与路边节点间通信(Roadside-to-Vehicle Communication,RVC)为驾驶者提供实时的道路交通信息和应急交通诱导信息,在降低交通事故、减轻交通拥堵和提高交通效率等方面具有其他无线或有线网络不可替代的优势 [3]。随着交通运输业的迅速发展,路网中的车辆数目逐年增加,尤其在举办大型活动,或发生紧急事件时,道路上的车辆数目必然会在一段时间内出现大幅波动,并带来交通拥堵问题,从而给交通监管部门带来巨大的压力 [4]。目前,交通部门主要是以历史数据作为基础,利用路边探测器或携带 GPS 的车辆收集交通信息并加以整理,实现对未来一段时间内交通状况的预测。VANET 可以在基础设施并不完善的情况下,通过车辆间的自组织通信,使驾驶者能够获得超视距范围内其它车辆的行驶信息和实时路况信息,从而帮助车辆及时调整行驶路线,实现动态路劲选择,提高行驶效率。也可以通过车辆与路边节点的信息交互,将收集到的信息汇总至交通控制中心进行分析和处理,并将结果反馈给驾驶人员。除此之外,VANET 还在行驶安全预警,分布式信息发布,互联网接入服务方面有广泛应用。2在智能交通系统中,车载自组织网络 VANET(Vehicular Ad Hoc Networks)可谓是非常关键的技术,它具有高速运动、节点数量大、跟随路径移动以及通信的质量受复杂的环境影响等特点,因此其研究重点及网络体系结构跟常规的无线自组织网络有很大的区别。它是在道路上构建一个自动组织、高效模拟突发交通状况、位置布置开放的车辆间的通信网络。VANET 着重应用于智能交通系统(Intelligent Transport System, ITS) [1]中,它将非常先进的IT 技术、信息实时更新技术、车辆跟踪技术、计算机处理技术以及电子设备控制技术等高速地集成运用于整个交通运输系统中,并且及时有效地解决交通运输中的问题,保证交通的顺畅,提高交通系统的承载能力,改善驾驶的疲劳情况。车载自组网是 Ad Hoc 无线网络技术在智能交通系统中与车辆制造领域的综合应用,是一种节点快速运动无线通讯网络。其基本原理是车辆通过自身的传感器,在一个固定的通信范围内,相互交换彼此的状态。例如车辆速度、车辆位置等信息。利用车辆传感器感知的数据,自动连接组建起一个可以移动的网络。每个节点既可以是一个端点也可以充当网络中路由器,所以可以采用多跳的模式把数据传递给更远的车辆,而一般节点单跳的通信范围仅可以从几百米到一千米。车载自组网使行者、车辆、道路密切配合,能够有效的提高交通通行效率,解决交通阻塞,减少交通事故的发生和经济损失。车载自组网已经引起全世界各国科研机构的密切关注,逐渐成为无线网络领域和智能交通汽车研究领域备受欢迎的研究课题。车载自组网的研究目的就是要研发一套更先进更适合现实交通环境的车辆通讯系统。不仅能有效利用交通流,提高交通效率还能够提高乘客的安全性和行车舒适度。在基于基础设施的车联网应用中,本文主要研究的是协助下载。事实上,车辆协助下载的研究已经引起了各个研究团队的兴趣,但是大多数研究对高速公路场景感兴趣,对城市场景下的车联网协助下载涉及较少。我们考虑了一种基于城市场景下,车里的用户对来自 Internet 中服务器的多媒体等容量较大的文件比较感兴趣,但是 AP 通信范围有限,车辆速度较快,使得车辆与 AP 之间的交互时间过短,无法完整下载用户所需的文件。因此利用道路上的众多车辆作为协助车辆,帮助携带用户车辆无法下载完的文件片段,在行驶过程中传给3用户,是值得研究的课题,有一定的现实意义。1.2 当前国内外研究现状关于车辆自组织网络的研究方面,最早始于 20 世纪初八十年代末的日本,随后美国也启动了大量的研究,2002 年 ASTM(American Society for Testing and Materia 链路状态)组织确定了 DSRC 规范 E2213-02,将 5.9GHz 纳为规格制定方向,IEEE802.11a 则被采用作为物理层传输技术。目前主要致力于该项目研究的机构大体有这样一些:日本的先进安全车辆(ASV) ,Smartway 项目,智能型公路系统(AHS) ;美国的短程通信 DSRC,IntelliDrive 项 H 车辆安全通信(VSC ) ,车辆与基础设施集成(VU) ;欧洲的 FleetNet 项目,CarTalk2000项目,PReVENT 项目,车车通信(C2C-CC) ,智能汽车,I-WayCVIS 项目等。C2C-CC[5], “Car2Car Communication Consrotium”是由BMW、DaimlerChrysler 等 6 家欧洲汽车制造商组织成立的。其目的是为Car2Car 通信建立一个欧洲标准,使各家制造商的汽车可以相互通信。CarTalk2000[6]项目从 2001 年开始,为期三年。目的是开发一种基于VANET 的辅助驾驶系统,提升驾驶人员的安全性和舒适度。该系统由 8 部分构成,分别用于解决交通拥堵,行车安全等问题。FleetNet[7], “Internet on the Road”,该项目的目的是为了进一步推进车辆间通信。项目为期 3 年,进行了一系列实验,为其后续工程在车辆间通信协议和数据安全性方面的研究,提供了宝贵的数据。WILLWARN[8], “Wireless Local Danger Warning”是 PReVENT 项目的子项目,主要研究道路安全与预警。目标是当道路出现安全隐患,或与安全相关联的情况时,可以及时向驾驶人员告警,避免发生意外事故。国内对车载通信技术的研究起步比较晚,但近几年许多科研机构和高校对VANET 的研究也取得了一定的进展,研究成果主要涉及到 MAC 层、路由层、仿真模拟和可信框架等方面的研究。周克秦等人分析了四种由转发节点决策的基于位置的路由协议,并提出了基于邻居节点竞争的路由机制 [9]。陈立家等人使用分析和比较的方式讨论了各类无线传输协议应用于 VANET 网络时存在的4问题,针对 VANET 网络的特点指出传输控制协议的设计目标和设计要素,并进行了展望 [10]。安建伟等人提出了适合于 VANET 网络的 MAC 层的安全体系结构,并对该领域的研究方向进行了展望 [11]。刘江永等人提出了较为真实的VANET 仿真模型,并在 NS2 中与城区移动模型和无线信号传播模型分别对DSR 路由协议的性能进行了比较 [12]。张国庆等人使用西安城区卫星地图构造了逼真的城市场景,并利用此场景使用仿真软件 QuaNet 对AODV、DSR、DYMO 和 FSR 四种协议进行了性能评估,仿真结果表明这四种协议都难以满足真实的城市环境中的通信需求 [13]。韩波针对在城市场景的十字路口存在的网络拓扑不稳定的情况,对 GPSR 路由协议做了改进,提出了在十字路口增加固定节点的机制,并对周边转发模式下产生的路径冗余做了改进 [14]。王嘉等人提出了一种基于 QoS 的 VANETs 多路径路由协议,该协议通过用熵值定量描述链路的稳定性,综合考虑带宽和链路稳定性两个通信指标,将它们作为服务质量度量的参数得到最佳路径选择策略 [15]。白翔宇等人提出了通过小范围内的应用层组播汇总获取实时的车辆交通流信息,并给出了一种根据车流状况评价道路可用度的方法来生成动态的源路由信息的路由策略,同时进行了仿真实验的验证 [16]。李天南等人为提高车辆容迟网络的吞吐率,提出了基于最大流的车辆容迟网络路由算法 [17]。1.3 论文结构全文内容安排如下:第二章主要介绍了本文中涉及的车联网的基本概念和一些相关技术,如简要分析了车联网的体系结构、基本特点、典型应用,以及车联网中常用的路由协议,深刻理解这些协议所取得的进展和存在的问题,为本文研究协助下载的方法提供有益的思路。第三章主要针对城市场景下车载网络环境中 AP 通信范围有限、文件不能持续传输的问题,对同向车辆协助下载进行了研究,提出了带冗余的同向协助下载选择算法,利用同向行驶的车辆协助转发的方式延伸了 AP 的通信范围,有效提高用户下载数据的吞吐量。第四章对基于 Java 平台的微观交通仿真软件 VanetMobiSim 进行了简单描
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