CN106793142B

CN106793142B - 一种车载短距离通信网的信道资源调度优化方法

Info

Publication number: CN106793142B
Application number: CN201611192214.9A
Authority: CN
Inventors: 付景林; 赵德胜
Original assignee: Datang High Hung Information Communication Research Institute (yiwu) Co Ltd
Current assignee: Datang Gaohong information communication (Yiwu) Co.,Ltd.; Datang Gaohong Zhilian Technology Chongqing Co ltd
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2019-11-29
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: CN106793142A

Abstract

本发明公开一种车载短距离通信网的信道资源调度优化方法，首先根据约束条件确定优化目标，并采用拉格朗日算子将目标分解成信道分配和吞吐量控制两个独立的优化目标，然后路侧节点接收经过车辆的心跳信息而获得车辆数量，利用相邻路侧节点接收的车辆的心跳信息获得车辆平均速度，以拉格朗日优化算法为基础，确定优化参数并进行迭代，获得优化的信道分配和各类应用的吞吐量控制参数，并将该参数由路侧节点广播到车载节点，保证安全类应用的时延要求，同时提高服务类应用的信道利用率，使得信道利用率达到最大。

Description

一种车载短距离通信网的信道资源调度优化方法

技术领域

本发明涉及一种车载短距离通信网的信道资源调度优化方法，属于车载网技术领域。

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(CAN-Controller Area Network)、车路(Vehicle-2-RSU)、车间(Vehicle-2-Vehicle)、车外(vehicle-2-Infrastructure)、人车(Vehicle-2-Person)之间的通信。

V2X中的车载节点配备有GPS或者北斗等定位装置，车载节点按照设定的时间间隔定期向周围车载节点广播本节点的地理位置信息(称为心跳信息)，同时接收周围节点发送的心跳信息，以此获得周围车载节点同本节点的距离、速度、行驶方向等信息。由于车辆需要占据不同的信道广播心跳信息，而且时延有严格的要求(一般小于100ms广播一次)。以心跳信息为核心的安全应用是V2X网络最核心的应用。除了以安全应用为核心的心跳信息广播，V2X还有其他的对延迟要求不严格的大量的服务类应用，例如某些车辆的信息发布、路侧节点的交通信号状态广播等服务。由于分配给V2X网络的专用频段带宽受限，所以V2X网络中对信道资源进行合理调度，可以确保低时延安全服务的心跳信息的广播，同时提高服务类业务的信道带宽和效率。相反，如果调度不当，可能影响低时延的安全类广播，造成严重交通事故，或者安全类广播分配带宽过大，降低服务类应用的效率，造成带宽资源的浪费。

V2X网络信道资源调度过程中，充分利用V2X的心跳信息和路侧节点收集车辆信息的能力，采用合理的算法，保证安全类应用，同时提高信道利用率。

发明内容

本发明公开一种车载短距离通信网的信道资源调度优化方法，包括步骤：

S1：约束条件确定和优化目标分解；

S2：路侧节点车辆信息收集；

S3：优化参数设定和迭代优化。

优选地，首先根据约束条件确定优化目标，并采用拉格朗日算子将目标分解成信道分配和吞吐量控制两个独立的优化目标，然后路侧节点接收经过车辆的心跳信息而获得车辆数量，利用相邻路侧节点接收的车辆的心跳信息获得车辆平均速度，以拉格朗日优化算法为基础，确定优化参数并进行迭代，获得优化的信道分配和各类应用的吞吐量控制参数，并将该参数由路侧节点广播到车载节点，保证安全类应用的时延要求，同时提高服务类应用的信道利用率，使得信道利用率达到最大。

本申请的信道资源调度优化方法根据路侧节点接收经过车辆的心跳信息而获得管理道路车辆数量和平均速度的能力，以拉格朗日优化为基础，根据收集到的车辆数据，在不同信道调度方案中，结合车载节点各类应用的吞吐量控制进行优化，保证安全类应用的时延要求，同时提高服务类应用的信道利用率，使得信道利用率达到最大。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

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。

本实施例标识符号定义如下：

G＝(V,E)：V2X网络模型

V：网络的车载节点

E：网络的广播信道

S：代表车辆发送的广播消息会话

f：广播信道l∈E的总的码流吞吐量矩阵

(r,f)：表示信道f的吞吐能力支持车辆广播会话r产生的码流吞吐量

1、约束条件确定和优化目标分解

V2X中的信道的效用函数可以记为：

约束条件主要受两个因素确定：第一是信道的容量，第二是各个车辆的吞吐量。信道容量的降低会直接导致各个会话码流的降低，增加各个车载节点的数据广播数量可以提高网络的信道利用率，但是会增加各个会话的延时，造成安全类应用延时增加。所以，信道效用函数的约束条件是信道容量矩阵和各车载节点安全类应用延时要求下的吞吐量的限制，因此，式(1)的最优化和约束条件可以分别表示为式(2)和式(3)：

U^*＝max U(r,f) (2)

s.t.(subject to表示受限于)

式(3)标识，经过广播信道l∈E的总码流受该信道容量c_l的限制。

利用拉格朗日算子对式(3)进行松弛，得到拉格朗日优化公式：

将式(4)进行分解，分别得：

和

式(5)是网络层中各广播信道的码流优化，式(6)是通过控制车载节点广播功率进行的信道容量的优化，同车载节点的各类应用的吞吐量有关，式(1)的优化问题简化为信道分配优化和各个车载节点的吞吐量的优化两个独立的问题。

2、路侧节点车辆信息收集

车载节点定期广播心跳信息，路侧节点接收经过的车载节点的心跳信息，通过心跳信息中的车辆唯一标识、地理位置(GPS或北斗)的变化，获得进入管理道路的车辆数量；由于相邻两个路侧节点之间有高带宽链路连接，从而也可以获得车辆的平均速度。

3、优化参数设定和迭代优化

设定不同类广播会话参数S(包括安全类心跳信息时延要求、传输距离、服务类广播包时延要求)，优化通过下面步骤的跨层迭代完成：

1)将一段道路按照电波传播特性和道路特性的变化分成不同的路段

2)在本区域中，制定不同车流密度、车辆平均速度场景下的不同广播会话类型的信道分配策略；

3)获得当前的平均车流量、平均速度参数；

4)初始化路段参数i＝0；

5)初始化j＝0，初始化信道分配策略

6)给定分别在原域求解优化式(5)和式(6)，对应信道分配策略中的一种：

7)在对偶域迭代获得各类应用的吞吐量参数其中l∈E为不用信道：

其中，[x]⁺表示max(0,x)，表示迭代的步长。

8)j＝j+1，返回步骤5，直到收敛，从而得到优化后的广播信道分配方案和各类应用的吞吐量优化方案。

9)i＝i+1，返回步骤4，直到所有的路段；

10)将优化后的参数通过路侧节点广播到进入该路段的车辆，控制车辆安全类广播和服务类广播的信道分配和吞吐量控制。

信道资源调度优化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

1.车载短距离通信网的信道资源调度优化方法，包括步骤：

S1：约束条件确定和优化目标分解；

S2：路侧节点车辆信息收集；

S3：优化参数设定和迭代优化，其特征在于，

首先根据约束条件确定优化目标，并采用拉格朗日算子将目标分解成信道分配和吞吐量控制两个独立的优化目标，然后路侧节点接收经过车辆的心跳信息而获得车辆数量，利用相邻路侧节点接收的车辆的心跳信息获得车辆平均速度，以拉格朗日优化算法为基础，确定优化参数并进行迭代，获得优化的信道分配和各类应用的吞吐量控制参数，并将该参数由路侧节点广播到车载节点，保证安全类应用的时延要求，同时提高服务类应用的信道利用率，使得信道利用率达到最大，其中

第一、约束条件确定和优化目标分解

V2X中的信道的效用函数可以记为：

其中，U(r,f)表示信道的总的效用函数，U_i(rⁱ,f_l ⁱ)是第i个路段的效用函数，rⁱ表示第i个路段车辆广播会话的数量，f_l ⁱ表示第i个路段第l个广播信道l∈E的总的码流吞吐量，E_p表示区域内所有广播信道的集合，i表示区域内的第i个路段，l表示第l个广播信道l∈E，E表示整个网络的广播信道集合；

式(1)的最优化和约束条件可以分别表示为式(2)和式(3)：

U^*＝max U(r,f) (2)

受限于

式(3)标识，经过广播信道l∈E的总码流∑f_l ⁱ受该信道容量c_l的限制；

其中，λ_l表示对应第l广播信道的拉格朗日参数；将式(4)进行分解，分别得：

和

其中，U(f)是只考虑码流吞吐量f的效用函数；

式(5)是网络层中各广播信道的码流优化，式(6)是通过控制车载节点广播功率进行的信道容量的优化，同车载节点的各类应用的吞吐量有关，式(1)的优化问题简化为信道分配优化和各个车载节点的吞吐量的优化两个独立的问题；

第二、路侧节点车辆信息收集

车载节点定期广播心跳信息，路侧节点接收经过的车载节点的心跳信息，通过心跳信息中的车辆唯一标识、地理位置的变化，获得进入管理道路的车辆数量；由于相邻两个路侧节点之间有高带宽链路连接，从而获得车辆的平均速度；

第三、优化参数设定和迭代优化

设定不同类广播会话参数S，优化通过下面步骤的跨层迭代完成：

1)将一段道路按照电波传播特性和道路特性的变化分成不同的路段其中，D表示全部的区域，dⁱ是第i个路段；

3)获得当前的平均车流量、平均速度参数；

4)初始化路段参数i＝0；

5)初始化j＝0，初始化信道分配策略

7)在对偶域迭代获得各类应用的吞吐量参数f_l ^j，其中l∈E为不用信道：

其中，[x]⁺表示max(0,x)，表示迭代的步长；

8)j＝j+1，返回步骤5，直到收敛，从而得到优化后的广播信道分配方案和各类应用的吞吐量优化方案；

9)i＝i+1，返回步骤4，直到所有的路段；

10)将优化后的参数通过路侧节点广播到进入该路段的车辆，控制车辆安全类广播和服务类广播的信道分配和吞吐量控制；

其中

G＝(V,E)：V2X网络模型

V：网络的车载节点

E：网络的广播信道

S：代表车辆发送的广播消息会话

f：广播信道l∈E的总的码流吞吐量矩阵{f_l ⁱ}

(r,f)：表示信道f的吞吐能力支持车辆广播会话r产生的码流吞吐量。