摘 要

车联网理论知识的完善、4G移动蜂窝网络的不断普及、云平台的日渐成熟，让传统的车联网架构焕发出更大的活力，也给新型的车联网架构提供了理论基础。传统的车联网架构基于专用短程通信协议（DSRC）进行车辆之间的信息交互，该架构一方面传输距离较短，无法及时将消息传递给远方的车辆；另一方面采用了多跳路由协议进行消息的携带转发，在消息携带转发的过程中，由于城市复杂的交通环境，容易造成消息的丢失，从而消息的传递会有较大的时延。而新型的车联网架构是基于云辅助技术进行消息的传递，该架构的核心思想在于将一些复杂的难以处理的信息交给云端处理，云端处理完后将处理结果发送给目标区域。

本文基于该新型架构进行了数据分发方法的设计，即基于位置的数据分发方法，其重点在于对网关服务者的选取和针对不同类型的消息的不同处理。最后，在理论分析的基础上，借助OMNET ，SUMO，VEINS等仿真软件对基于该新型架构的数据分发方法进行了验证。实验结果表明：通过LTE接口和IEEE802.11p接口能够较好的实现车辆与车辆之间的信息交互，并且具有较低的时延。

关键词：车联网架构；专用短程通信协议；云辅助技术；网关服务者

Abstract

The improvement of vehicle networking theory knowledge, the continuous popularization of 4G mobile cellular networks, and the maturity of cloud platforms have made the traditional vehicle networking architecture more dynamic, and also provided a theoretical basis for the new vehicle networking architecture. There's a comparison of the two architectures, and the traditional vehicle networking architecture is based on the dedicated short-range communication protocol (DSRC) for information exchange between vehicles. On the one hand, because the transmission distance is short, the message cannot be transmitted to the distant vehicle in time; on the other hand, owing to the multi-hop routing protocol, the message is carried and forwarded. In the process of carrying and forwarding the message, owing to the complicated traffic environment of the city, the message is easily lost and it has a large delay. The new vehicle networking architecture is based on cloud-assisted technology for message delivery. And the core idea of the method is to hand over some complex and difficult-to-handle information to the cloud for processing. After the cloud is processed, the processing result is sent to the target area.

Based on the new architecture, this paper designs the data distribution method, that is the location-based data distribution method, which focuses on the selection of gateway servers and different processing for different message types. Finally, on the basis of theoretical analysis, the data distribution method based on the new architecture is verified by simulation software such as OMNET , SUMO, VEINS. The experimental results show that the information exchange between the vehicle and the vehicle can be better realized through the LTE interface and the IEEE 802.11p interface, and has a relatively low delay.

Key Words：vehicle networking architecture; dedicated short-range communication protocol; cloud-assisted technology; gateway server

目 录

第1章：绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究的目的和意义 1

1.4 本文主要工作及章节安排 2

第2章：车联网相关理论和技术 3

2.1 IEEE 802.11p协议 3

2.2.1 简介 3

2.2.2 物理层标准 3

2.2.3 MAC层标准 3

2.2 基于DSRC的多跳路由协议 3

2.2.1 DSRC协议简介 4

2.2.2 基于DSRC的多跳路由协议研究 4

2.3 云辅助技术相关理论 4

2.4 本章小结 5

第3章：基于云辅助技术的数据分发方法 6

3.1 理论分析与算法设计 6

3.1.1 云辅助技术简介 6

3.1.2 网关车辆注册算法 6

3.1.3 网关选择算法 8

3.1.4 数据分发方法 9

3.2 实验仿真 10

3.2.1 仿真平台介绍 10

3.2.2 仿真模型建立 11

3.2.3 主要算法 15

3.2.4 仿真模型实现 15

3.3 实验结果分析 18

3.3.1 数据流向分析 18

3.3.2 传输时延分析 19

3.3.3 实验结果截图及分析 23

3.4 本章小结 24

第4章：结论 25

参考文献 26

致谢 28

第1章：绪论

1.1 研究背景

城市交通环境中，随着车辆的大量涌入,平均每分钟都有数起交通事故的发生，人员伤亡情况严重，造成了大量的经济损失。在如此严峻的交通状况下，随之兴起的车联网技术成为实现智能交通，降低交通事故发生率的关键技术。车联网指的是由车辆，道路基础设施，云端等通信主体组成的庞大的网络体系。而传统的基于专用短程通信协议（DSRC）的数据传输方式，即只通过雷达进行短距离的信息交互，这种方式具有很大的局限性。其中的一个局限性在于当进行远距离通信时由于大量的携带转发会造成较高的时延。为了解决该问题，本文提出了一种基于云辅助技术的通信技术，其核心在于车辆周期将道路上的交通信息通过基站传到云端，云端处理后传递给目标区域的车辆，其优势在于减少了数据传输过程中中继网关的个数，从而大幅减少了传输时延，从而有效的减少交通安全事故的发生。

1.2 国内外研究现状

国际上总体来讲，车联网技术还处于初步发展阶段，目前车联网相关技术只是处于试验阶段，由于各种局限性的存在，尚未进行大规模的商用。当前车联网主要技术有环境感知技术、中央决策技术、底层控制技术三大技术[1]。环境感知技术基于各种传感器实现，中央决策技术为对不同突发情况进行决策，底层控制技术实现对车辆自身的控制。而车联网技术发展的困境^[2]在于（1）国家政府对车联网技术的研究重视程度不够，（2）汽车行业之间缺乏有效的数据共享机制，因此不同型号的车辆无法进行通信。由于技术上的局限性^[3]，如传统的DSRC技术和 LTE-V技术的局限性，导致当前的车联网产业链尚不完整。而车联网产业链由感知层，通信层，应用层，平台层四大服务层和整车集成组成^[4]。但随着车联网技术的不断发展，车联网技术具有整车硬件的联网化，整车硬件的联网化，车联网功能服务方式的多样化的趋势^[5]。

近些年,国内外车联网技术处于高速发展中,车联网这一概念首次在2010年中国国际物联网博览会上提出，在车联网概念提出之后，有一段时间发展并不迅速，原因在于互联网接口的昂贵。直到4G通信技术成熟之后，车联网技术开始蓬勃发展。2017年中国车联网用户规模达到1780万人，已成为全球最重要的车联网市场。截止到2018年下半年,大部分汽车已搭载了4G网络,具有更强的娱乐功能和导航功能。在无人驾驶领域，无人公交车首次在2018年3月亮相于美国加州，并且在道路上成功完成测试，而在我国，百度和长安等企业走在了无人驾驶技术的前列。随着车联网大会的不断举行和新产品新技术的不断研发,车联网技术正在持续进步中。相信随着车联网技术的不断发展与成熟,智能交通的不断普及,国家政策的鼓励,无人驾驶将不再是一个梦,而是可以预想到的未来。

1.3 研究的目的和意义

为了满足日渐增长的数据传输质量需求和减少交通安全事故的发生，国家相继提出了智能交通，安全交通等概念。这些年来，5G技术的发展为数据传输提供了高通信速率的保障，云计算技术的成熟和不断建立能够及时快速的处理复杂的交通数据。而本次课题的研究目的在于研究云计算技术在新型车联网架构中的作用，即基于云辅助技术的数据分发方法。由于当前越来越多的车辆配备有无线设备，可以通过其无线设备连接到网络，从而连接到云端，由云端接收数据并处理数据后再发送给目标区域。这样的好处在于，一方面减少了远程通信时车辆携带数据携带转发的过程，从而有效的降低了传输时延；另一方面将交通数据分析等复杂的操作交给云端处理，能够大幅降低移动网关车辆的负载，从而能够将信道资源充分用于传输数据，提高信道利用率。本文基于此想法详细设计了网关车辆选择算法和网关车辆注册算法。

1.4 本文主要工作及章节安排

本文基于802.11p接口和LTE接口实现了云端，网关服务者，网关消费者之间的信息交互，在此基础上，设计了基于位置的数据分发方法，解决了数据传输过程中网关服务者的选择问题，降低了传输时延。