CN104754684B - 基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，路侧节点依据接收信号的信号强度和噪声，计算出各车载节点的信噪比，然后将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声；路侧节点将各车载节点的高斯噪声保存于环境信息队列中；当路侧节点收到车载节点的路由请求时，查找所述环境信息队列中源节点与目的节点的位置信息，按照车辆行驶方向沿道路依次选择车载节点作为中继节点；选定中继节点后，通过环境信息队列中对应于源节点和各个中继节点的高斯噪声，确定源节点和各中继节点的信号发送功率。本发明提供了一种快速且复杂度低的中继节点功率分配方法，可以适应频繁变化的链路环境，提高了系统的容量和性能，降低了系统能耗。

Description

基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，属于车载通信网技术领域。

背景技术

车载短距离通信(Vehicle to X：V2X)网络是通过无线通信、GPS／GIS、传感等短距离通信技术实现的车内、车路、车间、车外、人车之间的通信。

在V2X网中，节点之间的通信一般是通过信令信道传输可靠的控制信息，而利用车辆与车辆之间组成的车-车中继链路传输大量的高带宽低可靠性数据，其中，在车-车中继链路中合理选择中继节点，同时合理分配源节点和各个中继节点的发送功率将对整个链路的信道容量产生重大影响。

现有的中继节点功率分配方法主要适用于固定或是半移动状态的中继节点；而V2X网络中的车辆处于快速移动状态，且在车辆密集的城市道路上，车辆之间距离差别较大，所以，V2X网络中车-车中继链路随时可能发生变化，其需要一种快速且复杂度低的中继节点功率分配方法以满足频繁变化的链路。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提出一种基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，通过合理选择中继节点，并使用快速且复杂度低的功率分配方法，可满足V2X网络中车-车中继链路的频繁变化，且可使得链路的信道容量达到最大，从而提高系统的容量和性能，降低系统能耗。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，路侧节点接收其覆盖范围内的车载节点的携带车辆位置、唯一标识等信息的心跳信息，并将心跳信息保存于环境信息队列中，其特征在于，

路侧节点依据接收信号的信号强度和噪声，计算出各车载节点的信噪比，然后将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声；路侧节点将各车载节点的高斯噪声保存于所述环境信息队列中；

当路侧节点收到车载节点的路由请求时，查找所述环境信息队列中源节点与目的节点的位置信息，按照车辆行驶方向沿道路依次选择车载节点作为中继节点；选定中继节点后，通过所述环境信息队列中对应于源节点和各个中继节点的高斯噪声，确定源节点和各中继节点的信号发送功率。

进一步的，

对于单中继节点，按照式(7)确定源节点和中继节点的信号发送功率：

其中，Z_t～N(0，N_t)，t=0表示源节点的高斯噪声，t=1表示中继节点的高斯噪声，均值为0，方差为N_t，总功率P_Total=P₀+P₁，源节点的发射功率是P₀，中继节点的发射功率是P₁，β=P₁／P₀，0≤α≤1

则，P₀=(P_Total)／(1+β) (8)

P₁=P_Total*β／(1+β) (9)

对应多中继节点，按照式(15)分配源节点和各个中继节点的信号发送功率：

其中，N_k是节点k的高斯噪声，K是中继节点总数，j是内部的累加的参数，从0到K进行求和，

P₀和P_k分别是源节点和第k个中继节点的发送功率，1≤k≤K。

基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，该方法的具体步骤为：

S10：路侧节点接收其覆盖范围内的车载节点的心跳信息，同时根据接收到的每个车载节点信号的信号强度和噪声计算出信噪比；

S11：将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声N；

S12：将每个车载节点的心跳信息及对应的信噪比、转换后的高斯噪声，一同保存于环境信息队列中；

S13：路侧节点监测信令信道，是否有车载节点发起路由请求帧，若有执行S14，否则执行S10；

S14：路侧节点依据源节点和目的节点的位置信息，在源节点到目的节点之间依次选择中继节点；

S15：路侧节点根据选定的中继节点，查找环境信息队列中对应于各中继节点的高斯噪声，如果是单中继情况，按照公式(7)、(8)、(9)计算得出源节点和中继节点的信号发送功率；如果是多中继情况，按照公式(15)，计算得到源节点和各个中继节点的信号发送功率；之后，返回步骤S10。

链路重建的具体步骤为：

S20：路侧节点接收其覆盖范围内的车载节点的心跳信息，同时根据接收到的每个车载节点信号的信号强度和噪声计算出信噪比；

S21：将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声N；

S22：将每个车载节点的心跳信息及对应的信噪比、转换后的高斯噪声，一同保存于环境信息队列中；

S23：路侧节点监测已建的车-车中继链路是否需要更新、重建；若需要执行S24，否则执行S20；

S24：路侧节点依据环境信息队列中源节点与目的节点的位置信息，在源节点到目的节点之间依次选择中继节点；

S25：路侧节点根据选定的中继节点，查找环境信息队列中对应于各中继节点的高斯噪声，如果是单中继情况，按照公式(7)、(8)、(9)计算得出源节点和中继节点的信号发送功率；如果是多中继情况，按照公式(15)，计算得到源节点和各个中继节点的信号发送功率；之后，返回步骤S20。

所述步骤S14中，

当源节点与目的节点不在同一路侧节点的覆盖范围内时，车-车中继链路由源节点、源节点所在区域的若干中继节点、源路侧节点、目的路侧节点、目的节点所在区域的若干中继节点，以及目的节点组成。

所述步骤S14中，

当目的节点是源节点所属的路侧节点时，车-车中继链路由源节点、一个或多个中继节点，及路侧节点组成。

本发明的优点在于：

本发明借助于信号传输特性和高斯信道容量模型，无需复杂的循环计算，即可达到功率的快速分配且可使信道容量最大，能够适应V2X网络中车-车中继链路的频繁变化，有效提高了整个系统的容量，降低了各个节点的能耗，从而提高了网络的性能。

附图说明

图1是本发明的车-车中继链路的中继节点选择和功率分配方法的流程图。

图2是本发明的车-车中继链路的重建方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

V2X网络中，各个节点定期向周围的节点广播包含车辆位置、状态、唯一标识等自身状态信息的心跳信息，各节点同时接收周围其他节点发送的心跳信息，依据收到的心跳信息，更新维护包括周围节点相关信息的环境信息对列。

路侧节点接收其覆盖范围内的车载节点的心跳信息，并依据接收信号的信号强度和噪声，计算出各车载节点的信噪比，然后将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声；路侧节点将各车载节点的心跳信息及对应的高斯噪声一同保存于环境信息队列中；

当路侧节点收到车载节点通过信令信道发送的高带宽低可靠路由请求时，表示源节点需要与目的节点之间建立车-车中继链路传输数据；路侧节点根据源节点和目的节点的位置，按照车辆行驶方向沿道路依次选择车载节点作为中继节点；选定中继节点后，通过环境信息队列中对应于源节点和各个中继节点的高斯噪声，依次确定源节点和各中继节点的信号发送功率。

其中，确定信号发送功率的方法根据中继节点的个数进行选择：

(一)单中继节点的情况：当源节点距离目的节点比较近时，只需要一个中继节点，此时，车-车中继链路由源节点、一个中继节点，以及目的节点组成。

1、单中继链路的信道容量

假设源节点的发射功率是P₀，中继节点的发射功率是P₁，源节点的输出为X₀，中继节点的输入Y₁＝X₀+Z₁，Z₁～(0，N₁)，中继节点的输出为X₁，假设该信道是可物理退化的，则目的节点的输入为Y₁＝X₁+Z₂，Z₂～(0，N₂)，其中的Z₁～(0，N₁)和Z₂～(0，N₂)是信道在接收端分别受到的高斯噪声干扰；

其信道容量为：

利用马尔科夫编码机制，使得信道容量可达：

根据互信息I(X；Y)的定义：

其中，信息熵H(Y)及条件熵H(Y|X)均为现有技术，不再对其进行解释。

依据公式(2)、(3)可得到高斯单中继信道容量为：

其中，0≤α≤1 (4)

2、单中继链路的功率分配：

基于公式(4)，当

时，信道容量最大，

假设，Z_t～N(0，N_t)为t节点(t=0，1；0节点表示源节点，1节点表示中继节点)的高斯随机变量(高斯噪声)，均值为0，方差为N_t，若总功率限定在P_Total=P₀+P₁，则，

计算得到：

其中，β=P₁／P₀，α=(1／P₀)(1-EE²(X₀|X₁))

若已知高斯噪声Z₁和Z₂，则由

P₀=(P_Total)／(1+β)， (8)

P₁=P_Total*β／(1+β)

可得源节点的最优功率分配P₀和中继节点的最优功率分配P₁，使得信道容量达到最大。

(二)多中继节点的情况：当源节点距离目的节点距离比较远时，需要经过多个中间车载节点进行中继转发，此时，车-车中继链路由源节点、若干中继节点，以及目的节点组成。

1、多中继链路的信道容量

高斯多中继信道容量为：

其中，m=0，1，2，...，T-1，0≤l≤k≤T-1

x₀，x₁是节点0和1的信号，E²(X₀)=P₀，j是求和的参数，R是一个标识符号，没有具体的意义，i是求和的中间变量，α是一个介于0和1之间的分配系数。

2、多中继链路的功率分配：

设有K个中继节点，定义：

其中，P₀和P_k分别是源节点和第k个中继节点的发送功率，1≤k≤K；

定义多中继信道容量中的

α_0，j=α_1，j=...=α_j，j=α_j (11)

公式(11)是信道容量达到最大时各个节点功率分配的条件，

则有：

其中：

以及：

其中，N_k是节点k的高斯噪声；

可得到源节点及各中继节点的功率分配系数：

按照此方法分配功率，可使得k个中继节点的高斯信道容量达到最大。

图1是本发明的车-车中继链路的中继节点选择和功率分配方法的流程图。如图所示，本发明公开的基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，具体步骤为：

S10：路侧节点接收其覆盖范围内的车载节点的心跳信息，同时根据接收到的每个车载节点信号的信号强度和噪声计算出信噪比；

S11：将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声N；

S12：将每个车载节点的心跳信息及对应的信噪比、转换后的高斯噪声，一同保存于环境信息队列中；

S13：路侧节点监测信令信道，是否有车载节点发起传输大数据量业务的路由请求帧，若有执行S14，否则执行S10；

S14：路侧节点依据路由请求帧查找环境信息队列中源节点与目的节点的相关信息，并根据源节点和目的节点的位置信息，在源节点到目的节点之间依次选择中继节点；

当源节点和目的节点都在路侧节点的覆盖范围内时，路侧节点直接根据环境信息队列中二者的位置信息，就可以选择出两节点之间的中继节点；此时，车-车中继链路由源节点、一个或多个中继节点，及目的节点组成，其中一个中继节点是路侧节点。

当目的节点是源节点所属的路侧节点时，路侧节点根据环境信息队列中源节点的位置信息，选择出源节点到其之间的中继节点；此时，车-车中继链路由源节点、一个或多个中继节点，及路侧节点组成。

当源节点与目的节点不在同一路侧节点的覆盖范围内时，源节点所在的源路侧节点需要将路由请求帧先转发至目的节点所在的目的路侧节点，经目的路侧节点再转发至目的节点，目的路侧节点按照同样的方法选择中继节点；此时，车-车中继链路由源节点、若干中继节点(源节点所在区域内)、源路侧节点、目的路侧节点、若干中继节点(目的节点所在区域内)，以及目的节点组成。

另外，当道路上有多个车道时，优先选择与源节点在同一车道行驶的前(后)方车辆作为中继节点。

S15：路侧节点根据选定的中继节点，查找环境信息队列中对应于各中继节点的高斯噪声，如果是单中继情况，按照公式(7)计算得出源节点和中继节点的信号发送功率；如果是多中继情况，按照公式(15)计算得到源节点和各个中继节点的信号发送功率；之后，返回S10。

V2X网络中的车辆处于快速移动状态，已经建立的车-车中继链路随时有可能发生变化，所以需要定时监测已建的车-车中继链路是否需要更新、重建。图2是本发明的车-车中继链路的重建方法流程图，如图所示，链路重建方法为：

S20：路侧节点接收其覆盖范围内的车载节点的心跳信息，同时根据接收到的每个车载节点信号的信号强度和噪声计算出信噪比；

S21：将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声N；

S22：将每个车载节点的心跳信息及对应的信噪比、转换后的高斯噪声，一同保存于环境信息队列中；

S23：路侧节点监测已建的车-车中继链路是否需要更新、重建；若需要执行S24，否则执行S20；

当以下几种情况中的任一种发生时，需要重建车-车中继链路：

1)由于车辆的移动，其已选择的中继节点不符合信道容量的门限；

2)由于车辆行驶过交叉路口后，车辆之间的连接关系发生变化；比如因部分中继节点行驶向其他方向，导致源节点、中继节点和路侧节点的位置关系发生了变化；源节点驶离路侧节点后，需要重新选择中继节点等；

3)源节点由于通信中断向路侧节点重新发起路由请求帧。

S24：路侧节点依据环境信息队列中源节点与目的节点的位置信息，在源节点到目的节点之间依次选择中继节点；

S25：路侧节点根据选定的中继节点，查找环境信息队列中对应于各中继节点的高斯噪声，如果是单中继情况，按照公式(7)计算得出源节点和中继节点的信号发送功率；如果是多中继情况，按照公式(15)计算得到源节点和各个中继节点的信号发送功率；之后，返回步骤S20。

本发明的基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，利用路侧节点接收的其覆盖范围内的车载节点的心跳信息，及接收信号的强度和噪声计算得到信噪比，将信噪比转换为高斯噪声，一同保存到环境信息队列中；当源节点发出路由请求帧时，路侧节点根据源、目的节点的位置信息按照车辆行驶方向沿道路选择中继节点，确定中继节点后，查找中继节点对应的高斯噪声，利用高斯信道容量模型计算得到源节点及各中继节点的信号发送功率。借助于高斯信道容量模型，无需复杂的循环计算，即可达到功率的快速分配且使得信道容量最大，能够满足V2X网络中车-车中继链路频繁更新的要求，有效提高了整个系统的容量，降低了各个节点的能耗，从而提高了网络的性能。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，路侧节点接收其覆盖范围内的车载节点的携带车辆位置、唯一标识这些信息的心跳信息，并将心跳信息保存于环境信息队列中，其特征在于，

路侧节点依据接收信号的信号强度和噪声，计算出各车载节点的信噪比，然后将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声；路侧节点将各车载节点的高斯噪声保存于所述环境信息队列中；

当路侧节点收到车载节点的路由请求时，查找所述环境信息队列中源节点与目的节点的位置信息，按照车辆行驶方向沿道路依次选择车载节点作为中继节点；选定中继节点后，通过所述环境信息队列中对应于源节点和各个中继节点的高斯噪声，确定源节点和各中继节点的信号发送功率；

对于单中继节点，按照式(7)确定源节点和中继节点的信号发送功率：

其中，Z_t～N(0,N_t)，t＝0表示源节点的高斯噪声，t＝1表示中继节点的高斯噪声，均值为0，方差为N_t，总功率P_Total＝P₀+P₁，源节点的发射功率是P₀，中继节点的发射功率是P₁，β＝P₁/P₀，0≤α≤1，N₁、N₂分别是节点1、2的高斯噪声，

则，P₀＝(P_Total)/(1+β) (8)

P₁＝P_Total*β/(1+β) (9)。

2.如权利要求1所述的基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，其特征在于，对应多中继节点，按照式(15)分配源节点和各个中继节点的信号发送功率：

其中，N_k是节点k的高斯噪声，N_j是节点j的高斯噪声，K是中继节点总数，j是内部的累加的参数，从0到K进行求和,

P₀和P_k分别是源节点和第k个中继节点的发送功率，1≤k≤K。

3.如权利要求2所述的基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

S10：路侧节点接收其覆盖范围内的车载节点的心跳信息，同时根据接收到的每个车载节点信号的信号强度和噪声计算出信噪比；

S11：将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声N；

S12：将每个车载节点的心跳信息及对应的信噪比、转换后的高斯噪声，一同保存于环境信息队列中；

S13：路侧节点监测信令信道，是否有车载节点发起路由请求帧，若有执行S14，否则执行S10；

S14：路侧节点依据源节点和目的节点的位置信息，在源节点到目的节点之间依次选择中继节点；

S15：路侧节点根据选定的中继节点，查找环境信息队列中对应于各中继节点的高斯噪声，如果是单中继情况，按照公式(7)、(8)、(9)计算得出源节点和中继节点的信号发送功率；如果是多中继情况，按照公式(15)，计算得到源节点和各个中继节点的信号发送功率；之后，返回步骤S10。

4.如权利要求3所述的基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，其特征在于，链路重建的具体步骤为：

S20：路侧节点接收其覆盖范围内的车载节点的心跳信息，同时根据接收到的每个车载节点信号的信号强度和噪声计算出信噪比；

S21：将信噪比转换成高斯信道模型的高斯噪声N；

S22：将每个车载节点的心跳信息及对应的信噪比、转换后的高斯噪声，一同保存于环境信息队列中；

S23：路侧节点监测已建的车-车中继链路是否需要更新、重建；若需要执行S24，否则执行S20；

S24：路侧节点依据环境信息队列中源节点与目的节点的位置信息，在源节点到目的节点之间依次选择中继节点；

S25：路侧节点根据选定的中继节点，查找环境信息队列中对应于各中继节点的高斯噪声，如果是单中继情况，按照公式(7)、(8)、(9)计算得出源节点和中继节点的信号发送功率；如果是多中继情况，按照公式(15)，计算得到源节点和各个中继节点的信号发送功率；之后，返回步骤S20。

5.如权利要求3所述的基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，其特征在于，所述步骤S14中，

当源节点与目的节点不在同一路侧节点的覆盖范围内时，车-车中继链路由源节点、源节点所在区域的若干中继节点、源路侧节点、目的路侧节点、目的节点所在区域的若干中继节点，以及目的节点组成。

6.如权利要求5所述的基于车载短距离通信网的中继节点选择和功率分配方法，其特征在于，所述步骤S14中，

当目的节点是源节点所属的路侧节点时，车-车中继链路由源节点、一个或多个中继节点，及路侧节点组成。