基于分簇的车载网络频谱分配研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

从蒸汽时代到电气时代，再到如今进去21世纪的信息时代，全球的经济和工业水平都有了显著的提升，这也在一定程度上带动了人们的消费水平，于此同时，随着交通业的迅速发展，车在生活中越来越普及，公安部报告显示截至2019年全国汽车保有量达到2.6亿，可见汽车在我们的生活中起到了举足轻重的地位。而2019年9月8日，《道路交通运输安全发展研究报告（2018）》^[1]在北京正式发布。该报告指出了当前国内道路安全的现状和形势的考虑：目前，我国道路运输事故总量较大、高位运行，反弹压力较大。我国生产安全的重特大事故从2004年的55起下降到2018年的5起，但道路运输事故总数和较大事故数仍占我国各类生产安全事故总量的约77%和60%左右，我国道路运输安全形势尚未得到根本好转。此外，当前城市交通面临着交通拥挤、交通事故频发等困扰，车辆数量的不断增长使城市交通管理面临着愈加严峻的挑战，为解决上述交通问题提升我国道路运输安全水平，任重而道远。因此，加快发展智能交通系统的步伐刻不容缓^[2]。其中，车载自组织网络是智能交通系统中的一项关键技术，主要功能是为车辆与车辆之间以及车辆与路边单元之间的信息通信提供服务。本文基于分簇结构来研究车载网络的频谱分配机制，当某用户在网络重载或者超重载时，通过频谱的检测机制感知周围的空闲频谱，在保证其他用户不受影响的前提下使用检测到的空闲频谱。簇间采用基于交通拥堵优先级定价的频谱分配方式，簇内采用基于车联网中信息优先级的均衡价格分配算法。根据此分簇的车载网络频谱研究，在确保安全传输的前提下，提高了频谱利用率，降低了算法的复杂度和开销。

从1980年起，汽车开始装用网络。从最早的丰田公司的光缆车门控制系统实现多个节点的连接通信，到美国汽车工程师学会（sae）提出的j1850，再到后来的更大的网络most及ieee1394等，车载自组网展开的研究正在如火如荼的进行，每个国家都渴望能够有更加前沿的技术出现来改善交通系统的安全性和智能性。近年来，车联网虽得到了越来越广泛的关注，但车联网中的某些关键技术仍处于研究阶段，其中有限的可用频谱资源 极大地限制着车联网的快速发展^[3-5]。目前认知无线电的分配方法主要分为基于图论的^[6]、基于频谱交易的^[7]、基于拍卖^[8]的和基于博弈论的^[9]。国外方面，p.fazio，c.sottile^[10]等人研究了如何利用动态分配 dsrc 频谱资源这一优势， 降低移动节点所受的干扰， 保证移动节点所需服务的 qos。文章提出的 vanet 中信道分配方案结合了干扰预测的路由协议。r.e.irwin,a.b.mackenzie^[11]等人研究分析了信道分配过程经历的两个阶段：单接口多信道网络的信道分配和多接口多信道网络的信道分配。多接口多信道下的多跳无线网络中的频谱分配问题起始于静态无线自组网中的信道分配，后来拓展到车载自组网的频谱分配问题，文章指出了车辆无线通信网络的研究方向是多信道多射频车载网络技术。在多信道工作模式下，两个相邻节点如果要建立通信，必须将射频接口调整到相同信道上，因此对于信道同步接入有较高的要求。国内方面，张西和苏航^[12]教授等人提出一种基于车辆分簇的多信道分配方案，首先提出了一个大概的分簇方法，按照车辆的行驶方向，将行驶方向相同的车辆群划分作为一簇。文章提出的分簇结构以及信道分配方案旨在保证实时业务的 qos 以及提高非实时业务的吞吐率。文章提出的基于分簇思想的网络结构，不考虑路边基础设施单元，只考虑车与车之间通信，整个网络由多个簇组成，每个簇有一个簇头和多个簇成员。将 dsrc 划分的 7 个信道划分成四类。ch178 作为簇头与簇头之间通信的控制信道（inter-cluster controlchannel，icc），用于簇头之间交换安全类信息； ch174 作为簇头与簇头之间通信的业务信道（inter-cluster data channel， icd），用于簇头之间传递非实时性信息，以及簇头与簇成员之间传递非实时性信息； ch172 作为簇内通信的控制信道（cluster range control channel， crc），用于簇头向簇成员收集发送安全类信息，以及协商分配簇成员的业务信道； 剩下四个信道 ch176、 ch180、ch182、 ch184 作为簇内通信的业务信道（cluster range data channel， crd），用于簇内成员之间的通信。

但是目前的现状是问题尚未得到解决，从移动车载通信环境下车辆无线接入和信道资源分配角度^[13]，车辆在行驶过程中和路边单元要频繁切换连接，车辆之间通信的稳定性也难以维持很长时间，通信链路的可靠性难以维持，相应业务的服务质量也难以保证，因此研究和设计高效的车辆无线网络接入机制亟待解决。随着车辆数量的急剧增加，无线频谱资源的有限，而且移动通信环境中网络拓扑变化较快，导致车载无线网络中无线射频资源分配调度并不理想，尤其是在车辆密度比较高或通信环境复杂的情况下，射频资源的竞争导致车辆的接入性能得不到保障，网络公平性严重下降，因此，根据现有的分簇思想，去应用在车载网络中的频谱分配问题是当务之急。

2. 研究的基本内容与方案

本文研究内容是基于分簇的思想设计一个车载网络频谱分配的方法，研究目的是达到在保证车联网中安全消息的优先传输下，能到达提高频谱利用率，降低算法的复杂度和算法开销的目标。根据以上分配方法及车联网的特点进行分析和比较，针对目前传统的车载无线网络中频谱竞争的现状及存在的问题^[14]，在本次设计研究中提出了基于分簇结构的三步式认知频谱分配机制，即主用户之间的频谱分配，簇首结点间（簇间）的频谱分配，簇内的各用户之间的频谱分配，分别采用负载优先分配、拥堵优先分配、信息等级优先分配的方式跟传统的平均分配方式比较。

3. 研究计划与安排

第1-3周：完成题目调研，查阅参考资料，设计大致框架，撰写开题报告；第4-5周：学习有关车载网络信道分配的概念及其相关策略，完成论文开题；第7-8周：研究基于分簇的车载网络信道分配方案；第9-10周：对分配策略进行仿真实现与比较分析；第11-13周：总结毕业设计，撰写毕业设计论文初稿；第14-15周：完成并提交毕业设计论文；第16周：完成答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 科学网.《道路交通运输安全发展研究报告（2018）》

[2] kui l p,luo g l,research status and developmentof internet of vehieles[j].china science and technologyinformation,2015(z4):118-120(in chinese)

[3] eze j,zhang s,liu e,et al.cogitive radio-enabled internet of vehicles: a cooperative sprctrum sensing and allocation for vehicular communication[j].iet networks,2018,7(4):190-199.