CN105744489B - 蜂窝‑vanet异构网络的多播速率优化方法 - Google Patents

蜂窝‑vanet异构网络的多播速率优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蜂窝‑VANET异构网络的多播速率优化方法，包括在给定多播速率下，车辆节点的接收机制和利用信息反馈的多播速率优化机制。本发明在一定的接收成功率下最优化多播速率，接收成功率可以根据实际应用的需求设置，相对于已有的多播方法，该方法中，需要反馈上报的数据量少，运算复杂度低。

Description

蜂窝-VANET异构网络的多播速率优化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及VANET(车辆自组织网络)异构网络的下行通信技术，具体为一种蜂窝-VANET异构网络中的多播速率优化方法。
背景技术
在智能交通或者车辆信息服务提供中，服务器经常需要下发相同的信息给很多车辆。为每个车辆建立一个专用无线连接的成本较高，比较经济的方式是使用多播技术：基站在预定的信道上发送信息，需要接收信息的车辆将接收机调谐到此信道上接收信息。
在传统的蜂窝网络中，由于无线传播的衰落特性，不同位置的车辆节点接入相同信道所能获得的数据速率可能相差非常大，在单速率多播系统中，多播速率受限于信道质量最差的车辆。车辆自组织网络可以协助信道较差的节点从成功接收信息的节点重传信息，从而也正确接收。Yaacoub等人在文献《QoE Enhancement ofSVC Video Streamingover Vehicular Networks Using Cooperative LTE/802.11p Communications》(YaacoubE,Filali F,Abu-Dayya A.QoE Enhancement of SVC Video Streaming over VehicularNetworks Using Cooperative LTE/802.11p Communications,IEEE Journal ofSelected Topics in Signal Processing,Vol.9,No.1,FEBRUARY 2015.)中设计一个多播方案，使用贪婪式搜索算法，选出一些簇头，簇头接收信息后，再向簇内的其他节点广播数据，簇头的选择以能增加簇内节点的信息接收为准则。但是，该算法需要在每个调度时刻，每个车辆节点都把其与所有一跳邻居节点之间的信道信息上报到基站，在实际场景中实现难度很大。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种蜂窝-VANET异构网络的多播速率优化方法，在一定的接收成功率下最优化多播速率，减少数据处理量。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
一种蜂窝-VANET异构网络的多播速率优化方法，包括：
(1)蜂窝-VANET异构网络中，在给定多播速率下，车辆节点的接收机制；以及
(2)利用信息反馈的多播速率优化机制。
更进一步的，所述给定多播速率下，车辆节点的接收机制包括：
S1.接收多播信息：在给定的多播速率下，蜂窝-VANET异构网络中车辆节点接收基站发送的多播信息；
S2.标示状态：已成功接收多播信息的车辆节点标示其状态为已成功接收；
S3.接收信标信息：车辆节点接收邻居车辆节点的信标信息；
S4.对邻居车辆节点的查找和请求：未成功接收多播信息的车辆节点根据接收的信标信息，查找一跳邻居车辆节点中是否有标示其状态为已成功接收多播信息的车辆节点，如果有，请求其广播已接收的多播信息。
更进一步的，所述已成功接收多播信息的车辆节点标示其状态为已成功接收的具体方式包括：
在车辆节点发送的信标信息中增加一个N比特的字段，其中N为正整数，N的取值可变，该字段的形式如下：
以至少1比特位的信息表示该车辆节点前一个时隙内是否成功接收多播信息，如果接收成功则该信息位赋值为1；如果接收不成功，则该信息位赋值为0；
在另外N-1比特位上前一个时隙是否成功接收多播信息数据帧的起始帧号和结束帧号，如果成功接收则该信息位赋值为1；如果没有成功接收则该信息位赋值为0。
更进一步的，车辆节点进行所述对邻居车辆节点的查找后，还进行筛选：
S5.未成功接收多播信息的车辆节点查找到一跳邻居车辆节点中有标示其状态为已成功接收的车辆节点后，选择其中的链路持续期最长、接收信号最强的邻居车辆节点，请求其广播已接收的多播信息。
更进一步的，车辆节点进行所述筛选的过程如下：
S51.未成功接收多播信息的车辆节点从查找到的标示其状态为已成功接收多播信息的一跳邻居车辆节点的信标信息中提取其位置、运行方向及速率信息，计算查找到的所有一跳邻居车辆节点与当前车辆节点的链路持续期，并进行比较，找出链路持续期大于设定门限参考值的一跳邻居车辆节点；
S52.在找出的所有一跳邻居节点中，计算当前车辆节点在前一个时隙中其对找出的每个一跳邻居节点发出信标信息的接收电平平均值，选择接收信号强度平均值最大车辆节点作为目标车辆节点；之后向目标车辆节点发送重传请求。
更进一步的，所述车辆节点的接收机制还包括：
合并接收信号：
S6.未成功接收多播信息的车辆节点向已成功接收多播信息的一跳邻居车辆节点发出请求并接收到该邻居节点发送的多播信号之后，与自身已从基站接收到的信号进行合并，之后接收多播信息。
更进一步的，所述利用反馈信息的多播信息优化机制包括：
S71.如果未成功接收多播信息的车辆节点找不到已成功接收多播信息的邻居车辆节点，则多播信息接收失败，将此失败信息反馈上报给基站。
更进一步的，所述利用反馈信息的多播信息优化机制包括：
S72.如果未成功接收多播信息的车辆节点将邻居车辆节点和自身接收到的信号合并后仍不能正确接收多播信息，则多播信息接收失败，将此失败信息反馈上报给基站。
更进一步的，所述利用反馈信息的多播信息优化机制还包括：
S8.基站根据反馈上报的信息统计多播信息成功接收率，对比成功接收率门限参考值，对多播速率进行调整。
更进一步的，所述成功接受率高，则基站增加多播速率；反之，则减少多播速率。
更进一步的，所述对多播速率进行调整的公式为：
成功接收率门限值为预先设定的参数θth，可调整；
令上一时隙的多播速率为rn-1，成功接收率为θn-1，
则当前时隙的多播速率rn调整为：
rn＝rn-1+α(θn-1-θth)；
如果多播速率为系统设定的离散值R1,R2,…RN，则多播速率取值为小于rn的最大离散值；其中α为常数系数，α的值根据实际条件选定。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供一种蜂窝-VANET异构网络的多播速率优化方法，在一定的接收成功率下最优化多播速率，接收成功率可以根据实际应用的需求设置，相对于已有的多播方法，该方法中，需要反馈上报的数据量少，运算复杂度低。
附图说明
图1是本发明一种蜂窝-VANET异构网络的多播速率优化方法的流程图；
图2是本发明未成功接收多播信息的车辆节点进行接收和反馈的流程图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。
如图1所示，一种蜂窝-VANET异构网络的多播速率优化方法，包括：
(1)蜂窝-VANET异构网络中，在给定多播速率下，车辆节点的接收机制；
(2)利用信息反馈的多播速率优化机制。
基站在给定多播速率下，在预定的信道上发送多播信息；从较长的时间段看，该给定的多播速率初始值可以设定为当前多播组内蜂窝信道质量最差的车辆所能支持的速率。例如，当前多播组内，车辆1的信道质量是所有车辆中信道最差的，那么以车辆1所能支持的多播速率作为蜂窝网络基站多播速率的初始值；蜂窝-VANET异构网络中，需要接收多播信息的车辆将接收机调谐到该信道上接收信息；结合图2所示的，网络中，车辆节点接收机制如下：
S1：接收多播信息：在给定的多播速率下，蜂窝-VANET异构网络中车辆节点接收基站发送的多播信息；
S2：标示状态：已成功接收多播信息的车辆节点标示其状态为已成功接收；
S3：接收信标信息：车辆节点接收邻居车辆节点的信标信息；
S4：对邻居车辆节点的查找和请求：未成功接收多播信息的车辆节点根据接收的信标信息，查找一跳邻居车辆节点中是否有标示其状态为已成功接收多播信息的车辆节点，如果有，请求其广播已接收的多播信息。
按照802.11p协议，每个车辆都需以固定的周期(802.11p协议标准对信标发送时间有明确规定)向蜂窝-VANET异构网络中发送信标信息，信标信息包括车辆的位置、运行方向、速率信息等；本发明中，未成功接收多播信息的车辆节点根据接收到的邻居车辆节点发送的信标信息，查找一跳邻居车辆节点中是否有标示其状态为已成功接收多播信息的车辆节点，如果有，请求其广播已接收的多播信息数据。
具体的，所述已成功接收多播信息的车辆节点标示其状态为已成功接收的具体方式包括：
本发明在车辆节点发送的信标信息中，增加一个N比特的字段，其中N为正整数，N的取值可变，该字段的形式如下：
以至少1比特位的信息表示该车辆前一个时隙(前一个信标发送周期，即接收前一个多播信息完成之后到接收下一个多播信息之前)内是否成功接收多播信息，如果接收成功则该信息位赋值为1；
如果接收不成功，则该信息位赋值为0；
一跳邻居车辆节点接收到该信标信息后，可以获知该车辆节点在前一个时隙内是否已经接收到多播信息。
在另外N-1比特位上前一个时隙成功接收多播信息的数据帧的起始帧号和结束帧号，如果成功接收则该信息位赋值为1，则该信息为有效值，如果没有成功接收则该信息位赋值为0，则该信息位的值为无效值；
一跳邻居车辆节点接收到该信标信息后，可以获知该车辆节点在前一个时隙内已经接收到的多播信息是否完整。
车辆节点中信标信息增加的N比特字段中表示车辆前一个时隙内是否成功接收多播信息信息位和前一个时隙成功接收多播信息的数据帧的起始帧号和结束帧号信息位的赋值均为1，均有效，则表明该车辆节点已标示成功接收多播信息。
因而，如果一车辆节点在前一个时隙内，未成功接收多播信息，则检查其接收到的一跳邻居车辆节点的信标信息，判断是否有一跳邻居车辆节点成功接收多播信息(即标示其状态为已成功接收)；如果有，则选择其中一个邻居车辆节点并向其发出数据重传请求。
具体的，车辆节点进行上述对邻居车辆节点的查找后，还要进行筛选：
S5：未成功接收多播信息的车辆节点查找到一跳邻居车辆节点中有标示其状态为已成功接收的车辆节点后，选择其中的链路持续期最长、接收信号最强的邻居车辆节点，请求其广播已接收的多播信息。
车辆节点进行所述筛选的过程如下：
S51：从邻居车辆节点的信标信息中提取其位置、运行方向、速率信息，计算所有邻居车辆节点与当前车辆节点的链路持续期，并进行比较，找出链路持续期大于设定门限参考值(门限参考值为预先设定的一个参数值)的一跳邻居车辆节点；
S52：在找出的所有一跳邻居节点中，计算当前车辆节点在前一个时隙中其对选出的每个一跳邻居车辆节点发出信标信息的接收电平平均值，选择接收信号强度平均值最大车辆节点作为目标车辆节点，之后向目标车辆节点发送重传请求；本发明以接收信号强度为标准，相对于以期望数据速率为标准，需要的运算量更少。
当前车辆节点与一跳邻居节点之间的链路持续期计算如下：
在某时刻t，当前车辆节点i和邻居节点j之间直接通信，节点间的传输范围为r0，节点i位置(x1,y1)，速度v1，方向θ1；节点j位置(x2,y2)，速度v2，方向θ2；假设从时刻t起两节点的速度和方向不变，则可根据二者在时刻t的位置、速度和方向信息计算从该时刻二者之间的链路持续期LET：
其中
a＝v1cosθ1-v2cosθ2；b＝x1-x2；c＝v1sinθ1-v2sinθ2；d＝y1-y2。本发明中节点间链路持续期的计算方法以及接收电平平均值的计算方法还可以为本领域公知技术，在此不做多余赘述。
所述车辆节点的接收机制还包括：
S6：合并接收信号：未成功接收多播信息的车辆节点向已成功接收多播信息的一跳邻居车辆节点发出请求并接收到该邻居节点发送的多播信号之后，与自身已从基站接收到的信号进行合并，使车辆节点接收信号提高增益，减小衰落，之后接收邻居车辆节点发送的多播信息。
所述利用反馈信息的多播信息优化机制包括：
S7：如果未成功接收多播信息的车辆节点找不到已成功接收多播信息的邻居车辆节点，或者未成功接收多播信息的车辆节点将邻居车辆节点和自身接收到的信号合并后仍不能正确接收多播信息，则表示多播信息接收失败，将此失败信息反馈上报给基站。
S8：基站根据反馈上报的信息统计多播信息成功接收率，对比成功接收率门限参考值，该门限参考值为预先设定的参数，做出增加多播速率或者减少多播速率的调整。如果成功接收率高，则可以进一步增加多播速率，如果低，则减少多播速率，从而在保证一定的成功接收率的条件下，最优化下行多播速率。
其中对多播速率进行调整的公式为：
成功接收率门限值为预先设定的参数θth，可调整；
令上一时隙的多播速率为rn-1，成功接收率为θn-1，
则当前时隙的多播速率rn调整为：
rn＝rn-1+α(θn-1-θth)；
如果多播速率为系统设定的离散值R1,R2,…RN，则多播速率取值为小于rn的最大离散值；；其中α为常数系数，α的值根据实际条件选定。相对于已有的多播方法，本发明方法中，需要反馈上报的数据量少，运算复杂度低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种蜂窝-VANET异构网络的多播速率优化方法，其特征在于：包括：
(1)蜂窝-VANET异构网络中，在给定多播速率下，车辆节点的接收机制；
(2)利用信息反馈的多播速率优化机制；
所述给定多播速率下，车辆节点的接收机制包括：
S1.接收多播信息：在给定的多播速率下，蜂窝-VANET异构网络中车辆节点接收基站发送的多播信息；
S2.标示状态：已成功接收多播信息的车辆节点标示其状态为已成功接收；
S3.接收信标信息：车辆节点接收邻居车辆节点的信标信息；
S4.对邻居车辆节点的查找和请求：未成功接收多播信息的车辆节点根据接收的信标信息，查找一跳邻居车辆节点中是否有标示其状态为已成功接收多播信息的车辆节点，如果有，请求其广播已接收的多播信息；
车辆节点进行所述对邻居车辆节点的查找后，还进行筛选：
S5.未成功接收多播信息的车辆节点查找到一跳邻居车辆节点中有标示其状态为已成功接收的车辆节点后，选择其中的链路持续期最长、接收信号最强的邻居车辆节点，请求其广播已接收的多播信息；
车辆节点进行所述筛选的过程如下：
S51.未成功接收多播信息的车辆节点从查找到的标示其状态为已成功接收多播信息的一跳邻居车辆节点的信标信息中提取其位置、运行方向及速率信息，计算查找到的所有一跳邻居车辆节点与当前车辆节点的链路持续期，并进行比较，找出链路持续期大于设定门限参考值的一跳邻居车辆节点；
S52.在找出的所有一跳邻居节点中，计算当前车辆节点在前一个时隙中其对找出的每个一跳邻居节点发出信标信息的接收电平平均值，选择接收信号强度平均值最大车辆节点作为目标车辆节点；之后向目标车辆节点发送重传请求；
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S71.如果未成功接收多播信息的车辆节点找不到已成功接收多播信息的邻居车辆节点，则多播信息接收失败，将此失败信息反馈上报给基站；
S72.如果未成功接收多播信息的车辆节点将邻居车辆节点和自身接收到的信号合并后仍不能正确接收多播信息，则多播信息接收失败，将此失败信息反馈上报给基站；
所述利用反馈信息的多播信息优化机制还包括：
S8.基站根据反馈上报的信息统计多播信息成功接收率，对比成功接收率门限参考值，对多播速率进行调整；所述成功接受率高，则增加多播速率；反之，则减少多播速率；
所述对多播速率进行调整的公式为：
成功接收率门限值为预先设定的参数θth，可调整；
令上一时隙的多播速率为rn-1，成功接收率为θn-1，
则当前时隙的多播速率rn调整为：
rn＝rn-1+α(θn-1-θth)；
如果多播速率为系统设定的离散值R1,R2,...RN，则多播速率取值为小于rn的最大离散值。
2.如权利要求1所述的蜂窝-VANET异构网络的多播速率优化方法，其特征在于：所述已成功接收多播信息的车辆节点标示其状态为已成功接收的具体方式包括：
在车辆节点发送的信标信息中增加一个N比特的字段，其中N为正整数，N的取值可变，该字段的形式如下：
以至少1比特位的信息表示该车辆节点前一个时隙内是否成功接收多播信息，如果接收成功则该信息位赋值为1；如果接收不成功，则该信息位赋值为0；
在另外N-1比特位上前一个时隙是否成功接收多播信息数据帧的起始帧号和结束帧号，如果成功接收则该信息位赋值为1；如果没有成功接收则该信息位赋值为0。
3.如权利要求1所述的蜂窝-VANET异构网络的多播速率优化方法，其特征在于：所述车辆节点的接收机制还包括：
合并接收信号：
S6.未成功接收多播信息的车辆节点向已成功接收多播信息的一跳邻居车辆节点发出请求并接收到该邻居节点发送的多播信号之后，与自身已从基站接收到的信号进行合并，之后接收多播信息。
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