在5G时代,车联网将提供更加多样、泛在、可靠、智能的服务。为此,车联网的媒体接入控制层协议应当充分利用所有已授权的通信频道,提供高速率、低延时、高可靠的数据传输。由于车联网的自组织特性和节点快速移动特性,车联网媒体接入控制层协议设计面临着很多挑战,尤其在大量节点并发接入、协议可伸缩能力、点对点通信协商等方面,现有协议还有较多不足,存在接入时延长、信道利用率低、协议的环境适应能力差等问题,无法满足未来车联网通信的各类需求。因此,设计高效的车联网媒体接入控制层协议依旧是车联网从理论走向实用的关键环节。本文将详细阐述车联网媒体接入控制层的多频道操作协议设计。对控制频道,主要研究低延时、高可靠、可伸缩的信令传输机制;对服务频道,主要研究高速点对点通信机制,设计高速率自适应服务频道协议。具体创新点总结如下:1)为应对大量节点的信道并发接入问题,提出基于正交频分复用的分组竞争控制频道协议(OGCMAC)。该协议采用基于正交频分复用的控制频道架构,并引入多载波竞争机制。借助于信道的频分特性,OGCMAC可大幅降低竞争窗口的资源消耗。为缩短节点获取资源的时延,OGCMAC引入了分组竞争机制,将时间帧分割成多个组。在给定多载波竞争的基本参数后,时间帧内分组结构的确定被建模成一个优化问题,通过最大化单个时间帧内成功分配的资源块比例来确定分组结构。仿真结果表明,OGCMAC能够显著降低节点的信道接入时延,且能保证信令的可靠传输。所提出的分组结构优化方法能够充分发挥竞争窗口和资源块随机选择技术的优势,在降低竞争强度的同时,减少资源浪费。2)针对车联网节点的快速移动特性,提出可伸缩的合作控制频道协议(SCMAC),用以支撑控制频道上的周期性信令广播。SCMAC主要考虑通信的可靠性和协议的可伸缩性。通信可靠性主要是由合作信令广播来保证。通过周期性地广播合作信令,节点能够实时获得信道资源状态,并在接入信道时,选择可用的资源并通过竞争来获取,以降低资源块竞争强度,避免碰撞。为增强SCMAC的可伸缩性,一方面在不影响新节点竞争接入的前提下,节点会尽可能使用较小的信令发送周期。当节点密度逐渐下降时,节点的信令发送周期也会随之缩短;另一方面,SCMAC会始终预留一小部分资源,用于新节点的竞争接入。随着新节点逐渐加入网络,节点的平均信令发送周期会逐渐上升,使所有节点都有获得发送信令的机会。仿真结果表明,SCMAC能够实现可靠的周期性信令广播,并能自适应节点密度变化,协议性能不会随着节点密度的变化而产生明显波动。3)针对服务频道上的点对点应用数据传输,提出高速率自适应服务频道协议(AHTMAC)。在AHTMAC的资源管理策略中,节点的服务频道传输半径小于控制频道的信令传输半径。节点只需接收一跳邻居的信令即可确定哪些资源是其自身与其一跳邻居共同可用的。进而AHTMAC可以保持很高的RTS成功率,即节点发送的RTS基本上都可以成功建立起点对点通信,以此提升传输速率。为增强协议的可伸缩能力,节点在申请资源时会根据AHTMAC的自适应资源共享机制一次性申请尽可能多的资源。当有其它节点需要资源时,拥有资源的节点会主动让出一部分资源,使其它节点也能有机会发送数据。该机制通过简洁的RTS/CTS信令交互实现,随节点的通信协商过程一并完成,所以AHTMAC能够适应节点密度的快速变化。仿真结果表明,AHTMAC能够维持较高的RTS成功率,达到更高的传输速率。此外,由于AHTMAC的点对点通信可靠性同时由RTS/CTS握手和资源管理机制保证,其通信可靠性也更高。综上所述,针对现有车联网多频道协议的不足,本论文在大量节点的并发信道接入、协议的可伸缩能力、点对点通信协商机制等方面作出了改进,降低了信道接入时延,提升了车联网通信的可靠性和传输速率,增强了协议的适应能力。