CN103458482B - Vanet中解决rsu接入问题的演化博弈方法 - Google Patents
Vanet中解决rsu接入问题的演化博弈方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于移动通信技术领域,公开了一种VANET中解决RSU接入问题的演化博弈方法。首先确定研究问题为高速移动的车辆在RSU的有限通信范围内,如何选择接入RSU才能保证车辆获得Qos较高的服务。其次确定研究过程为考虑VANET车联网网络拓扑频繁变化、RSU分布不均匀、RSU通信范围有限、RSU覆盖范围内的车辆数较多等特点,本发明提出采用演化博弈论的方法约束车辆在VANET特殊网论环境下车辆无序竞争RSU带宽资源造成的问题。本发明的效果和益处是根据提出的博弈方法选择接入合适的RSU,保证VANET拓扑频繁变化的情况下车辆请求服务的高效性。
Description
技术领域
本发明属于移动通信技术领域;针对VANET(vehicleAdHocNetwork,车联网)中快速移动的车辆在经过覆盖范围有限的RSU(RoadSideUnit,路边单元)时,根据演化博弈模型解决车辆向RSU请求服务时的QoS(QualityofService,服务质量)低效问题;
背景技术
VANET中车辆经过RSU时,首先通过接入RSU来请求服务,而在车辆接入RSU时主要存在两方面的问题:
问题一:由于车辆的高速移动性使得车辆和RSU间端到端的连接维持困难;
问题二:带宽、信道资源有限导致车辆无序竞争RSU带宽资源;当车辆在多个RSU的重叠覆盖区域时,存在车辆选择RSU的问题,如果RSU的选择策略不当可能导致多辆车同时接入同一个RSU,这会导致网络吞吐量的下降,降低网络性能;为了解决这个问题,研究人员提出了许多方案;
现阶段提出的解决上述两个RSU接入问题时主要存在以下几个挑战:
1、不符合VANET高移动性等特点;VANET是一种特殊的移动自组网,有车辆高速移动、RSU分布不均匀、车辆移动轨迹受限等特点,因此提出的解决方案应该考虑这些特性;(IEEE802.11接入网中AP选择博弈的稳定性和公平性,Li-HsingYen,Jia-JunLi,andChe-MingLin,“StabilityandfairnessofAPselectiongamesinIEEE802.11accessnetworks”,IEEETransactionsOnVehicularTechnology,Vol.60,pp.1150-1160,2011)假定场景中的节点是长期静止的,这显然不符合VANET的移动特定;
2、VANET中的车辆用户都是有限理性群体,如人类、组织等,而现在提出的一些方法往往假定用户是完全理性的;(IEEE802.11无线局域网中的联合博弈,OzgurErcetin,“AssociationGamesinIEEE802.11WirelessLocalAreaNetworks”,IEEETRANSACTIONSONWIRELESSCOMMUNICATIONS,VOL.7,NO.12,2008)提出的博弈模型要求研究对象是完全理性的;
3、研究RSU接入问题时,不应只考虑RSU的收益状况,还要从车辆的角度考虑这个问题(无线网络中利用细胞呼吸技术解决负载均衡问题,YigalBejerano,Seung-JaeHan,”CellBreathingTechniquesforLoadBalancinginWirelessLANs”,IEEETransactionsonMobileComputing,Vol.8No.6,June2009)着重考虑的是RSU的负载状况,而没有考虑车辆的收益;
发明内容
本发明要解决的技术问题是在VANET中,提供一种解决VANET节点快速移动、节点数目众多且分布不均匀等实际问题的RSU接入方法;
具体的演化博弈模型如下:
参与者:在双RSU和多RSU场景下,RSU覆盖范围内所有需要与RSU通信的车辆;
群体:RSU覆盖范围内,所有策略集相同的车辆组成一个群体;
策略集:每个参与者接入RSU的概率,即j=1,2,…,n表示RSU1,RSU2,…,RSUn,xj表示车辆接入RSUj的概率,保证所有车辆最终策略不再改变的集合即为ESS(EvolutionaryStableStrategy,演化稳定策略);
收益:收益函数为该函数是车辆接入RSU获得吞吐量和所需付出代价之差;
本发明分别针对双RSU和多RSU场景提出基于演化博弈的技术方案,具体方案如下;
1.双RSU场景博弈模型
在双RSU场景下,如图2所示,当车辆首先进入S1时,此时车辆只能选择接入RSU2,当进入RSU1和RSU2的重叠覆盖区域S2时,如果车辆的请求服务还未完成,当车辆切换RSU改为选择RSU1,根据效用函数,车辆还需要支付切换代价;如果车辆在RSU2的通信服务已经结束,此时在重叠覆盖范围内重新进行服务请求,车辆需要根据GPS获得的地理位置、RSU带宽条件、文件大小、服务类型、车辆在RSU覆盖范围内的行驶时间、车辆请求文件所需传输时间等因素计算能否在S2范围内完成服务请求,如果不能完成的话则需要考虑支付切换代价;如果在S2内能完成,则根据效用函数进行车辆的选择接入;
表1双RSU场景车辆收益矩阵表
双RSU场景下演化博弈是一个单群体演化博弈,即在同一个群体中所有参与者的策略集是相同的;根据上面描述的车辆在RSU覆盖范围内移动过程中对RSU接入操作,列出收益矩阵如表1所示;
令x和y分别代表接入RSU1、RSU2的概率,则1-x-y表示车辆既不选RSU1也不选RSU2的概率;θ1表示车辆向RSU1申请服务成功时的收益;P1表车辆接入RSU1时需要付出的资源代价,P2表示车辆接入RSU2需支付的资源代价,h1表示车辆接入RSU1后如果进行RSU切换需要付出的切换代价,h2表示车辆接入RSU2后如果需要切换需要付出的切换代价,表RSU的拥塞程度,即当参与者和其他竞争参与者都选择接入同一个RSU时,RSU的拥塞系数增大;
车辆接入RSU1获得的收益为:
车辆接入RSU2获得的收益为:
RSU1和RSU2都不选的收益为0;
则平均收益为
动态演化博弈是一个重复博弈,在博弈的每个阶段,参与者根据其他参与者的收益通过学习、变异不断调整自己的收益,以保证自己获得的收益尽可能的高,最终当所有参与者的策略不变时,即获得ESS;控制收敛速度的参数μ被称为收敛因子;根据效用函数(1)(2)(3),单群体演化博弈的动态复制方程为:
2.多RSU场景博弈模型
在多RSU场景下,属于不同覆盖区域的车辆策略集不同;如图3,区域1是RSU1和RSU2的重叠通信区域,区域2是RSU1、RSU2和RSU3的重叠通信区域;区域1和2分别是两个不同群体,群体1的策略空间为{RSU1,RSU3}而群体2的策略空间为{RSU1,RSU2,RSU3},所以图3描述的多RSU场景为两群体演化博弈;多群体内的车辆选择接入RSU时,首先群体内部车辆彼此之间进行竞争,然后再进行群体之间竞争,基于双RSU场景分析,多RSU场景下车辆根据自己的收益和代价不断进行策略调整,直到所有车辆的策略都不再改变,此时达到ESS;
群体i接入RSUj的收益
所有RSU都不选的收益为0
群体i的平均收益为
群体i的动态复制方程为:
其中
表示车辆i接入RSUj时获得的吞吐量;
表示车辆i在RSUj的覆盖范围内的时间长度;
是车辆接入RSU的通信延迟;
是车辆i和RSUj之间的传输速率;
代表车辆i接入RSUj时需要付出的资源代价;
是车辆i完成自己的服务请求需要与RSUj的通信时间,车辆占用RSU带宽资源时间越长,所需付出的代价就越高;
αi是车辆i请求文件的重要度,文件重要度越高,类似发邮件中的加急邮件,此时需要付出的费用也相应越高(αi>2时为紧急事故信息:1<αi<2表明此时存储的是路况等信息,αi<1,表明此时车辆请求的是音视频流等娱乐信息;
Nj表示所有接入RSU的车辆数;根据演化博弈知,不同群体不同比例的车辆选择接入RSU,因此即为群体1、群体2到群体m选择接入RSUj的总车辆数;
是车辆i的切换代价;
tleft指已经完成传输的请求文件;
Tleft是指车辆在RSU的覆盖范围内已经行驶的距离;当车辆请求的文件较小,在一个RSU覆盖范围内即完成时,切换代价为0;
公式中具体参数如表2
表2参数列表
附图说明
图1是车辆接入RSU模型示意图;
图2是双RSU场景模型示意图;
图3是多RSU场景模型示意图;
图4是利用车辆移动仿真工具VanetMobisim生成的实际仿真场景图;
图5(a)是数据包大小size对ESS影响图;
图5(b)是速度大小v对ESS影响图;
图5(c)是群体内车辆数大小N对ESS影响图;
图6(a)是双群体下群体2内车辆数位100时ESS演化图;
群体1中车辆接入RSU1的概率
群体1中车辆接入RSU2的概率
群体2中车辆接入RSU1的概率
群体2中车辆接入RSU2的概率
群体2中车辆接入RSU3的概率
图6(b)是双群体下群体2内车辆数位70时ESS演化图,线条涵义如图6(a);
图7(a)是群体内车辆数对吞吐量的影响图;
车辆接入RSU1时获得的吞吐量
车辆接入RSU2时获得的吞吐量
车辆接入RSU3时获得的吞吐量
图7(b)是服务类型对吞吐量的影响图,线条涵义如图7(b);
图8是不同群体内车辆数对平衡指数的影响图;
两个团体群体数量相同时的RSU负载均衡指数;
两个团体群体数量不同时的RSU负载均衡指数
图9是收敛因子对收敛速度的影响图;
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施例;
为了研究RSU接入的动态演化过程以及ESS对网络性能的影响,我们设置参数如下:Φ=0.1,β=0.15,δ=0.1,γ=2,S/N=30dB,R=1000;我们主要通过以下三个方面研究基于演化博弈的RSU选择问题:ESS的稳定性、ESS的收敛性、ESS对网络性能的影响;
VANET中,由于车辆节点运动往往受道路、相邻车辆、交通信号等多种因素影响,鉴于此本文利用VanetMobiSim仿真工具模拟车辆行驶方式,并加入交通信号机制,同时结合GoogleEarth得到的城市卫星地图来构造逼真仿真场景;如图4,设置仿真场景区域大小为2.0km*2.0km;RSU的通信范围设置为1000m;利用VanetMobiSim模拟车辆在图4所示的道路上获得较为真实的运动轨迹,以下的仿真都是在导出的车辆行驶轨迹基础上进行的;
图5描述了车辆速度、请求文件大小、群体内车辆数对演化稳定策略ESS的影响;在图5(a)中,我们假定当请求文件大小改变时其他量是保持不变的,由图可知,随着文件增大时,车辆选择接入RSU的概率降低,原因是随着文件大小的增大,车辆在RSU覆盖范围内完成文件服务请求的概率降低,则车辆接入RSU的个概率降低;当RSU覆盖范围内的车辆数增大时,则竞争有限的RSU带宽的车辆增多,每辆车平均获得的带宽降低,此时车辆成功完成自己服务请求的概率降低,车辆接入RSU的概率相应的也会降低;同理,对于随着车辆速度变化、群体内的车辆数对ESS的影响;
图6描述了两群体演化博弈中,群体数量N对ESS的影响,当群体2中车辆数N2减小时,群体2中RSU1、RSU2、RSU3的负载和资源代价都减小,则群体1中的车辆更倾向于接入RSU1和RSU2,使得车辆接入RSU1和RSU2的概率增加;当N2降低时,如图6(a)中ESSx=(0.07,0.03,0.2,0.23,0.24)变为图6(b)所示x=(0.68,0.3,0.22,0.33,0.42);
图7(a)表示群体数量N对吞吐量和收益的影响;当群体数量N增加时,RSU分配给所有车辆的平均带宽减小、车辆上传/下载的延迟增加,使得选择RSU策略的车辆数减小,导致网络平均吞吐量和效用函数都减小;图7(b)表示服务类型对吞吐量的影响;当服务类型α增加时,RSU定价提高,此时选择RSU策略的车辆数减小,而群体数量未发生变化,则RSU分配给车辆的平均带宽增加,此时导致群体平均吞吐量增加;
图8表示RSU的负载均衡状态,当两个团体内车辆数目相同时,RSU对所有车辆的定价、分配的平均带宽相等,此时RSU的负载保持在0.99左右,负载均衡,当两个团体内车辆数目不同时,群体内车辆请求不同RSU的概率发生变化,使得选择不同策略的RSU数量发生变化,RSU的平衡指数降低,如图8所示为0.92左右;
图9表示不同收敛因子η(调整规模)对收敛速度的影响,由图9可知,当η越大,博弈轮数越小,收敛速度越快,这是由于随着η增大,在每轮博弈中执行策略调整的用户比例增加,从而加快收敛速度;
综合可见,本文提出的方法实用性较强,在真实的十字路口场景下AP能保持较优的负载均衡性。
Claims (1)
1.VANET中解决RSU接入问题的演化博弈方法,其特征在于如下步骤:
研究场景中包括n辆车和m个RSU,其中m>1;RSU是目的节点,每辆车都安装有通信设备和GPS全球定位系统,只考虑V2R通信;VANET中,车辆不能接入Internet并且随机进入RSU的覆盖范围;如果某辆车在RSU的覆盖范围内时,它会向RSU发送服务请求;RSU会周期性的向车辆广播beacon信息,车辆根据beacon即可获得当前RSU的状态、车辆所在网络状态;
(一)双RSU场景下基于演化博弈的RSU接入模型
双RSU场景下演化博弈是一个单群体演化博弈,即在同一个群体中所有参与者的策略集是相同的;根据上面描述的车辆在RSU覆盖范围内移动过程中对RSU接入操作,列出收益矩阵如表1所示:
表1双RSU场景车辆收益矩阵表
令x和y分别代表接入RSU1、RSU2的概率,则1-x-y表示车辆既不选RSU1也不选RSU2的概率;θ1表示车辆向RSU1申请服务成功时的收益;P1表车辆接入RSU1时需要付出的资源代价,P2表示车辆接入RSU2需支付的资源代价,h1表示车辆接入RSU1后如果进行RSU切换需要付出的切换代价,h2表示车辆接入RSU2后如果需要切换需要付出的切换代价,表RSU的拥塞程度,即当参与者和其他竞争参与者都选择接入同一个RSU时,RSU的拥塞系数增大;
车辆接入RSU1获得的收益为:
车辆接入RSU2获得的收益为:
RSU1和RSU2都不选的收益为0;
则平均收益为
动态演化博弈是一个重复博弈,在博弈的每个阶段,参与者根据其他参与者的收益通过学习、变异不断调整自己的收益,以保证自己获得的收益尽可能的高,最终当所有参与者的策略不变时,即获得ESS演化稳定策略,本发明最终的ESS即为{x,y},车辆根据ESS接入RSU,保证车辆获得较高的QoS;控制收敛速度的参数μ被称为收敛因子;根据效用函数(1)(2)(3),单群体演化博弈的动态复制方程为:
(二)多RSU场景下基于演化博弈的RSU接入模型
群体i接入RSUj的收益为
所有RSU都不选的收益为0
群体i的平均收益为
群体i的动态复制方程为:
其中
表示车辆i接入RSUj的概率,所求解即为车辆根据这个概率值接入RSU,可获得较高的QoS;
表示车辆i接入RSUj时获得的吞吐量;
表示车辆i在RSUj的覆盖范围内的时间长度;
是车辆接入RSU的通信延迟;
代表车辆i接入RSUj时需要付出的资源代价;
是车辆i完成自己的服务请求需要与RSUj的通信时间,车辆占用RSU带宽资源时间越长,所需付出的代价就越高;
αi是车辆i请求文件的重要度,文件重要度越高,此时需要付出的费用也相应越高;αi>2时为紧急事故信息:1<αi<2表明此时存储的是路况,αi<1,表明此时车辆请求的是音视频流;
Nj表示所有接入RSU的车辆数;根据演化博弈知,不同群体不同比例的车辆选择接入RSU,因此即为群体1、群体2到群体m选择接入RSUj的总车辆数;
是车辆i的切换代价;
tleft指已经完成传输的请求文件;
Tleft是指车辆在RSU的覆盖范围内已经行驶的距离;当车辆请求的文件较小,在一个RSU覆盖范围内即完成时,切换代价为0。
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