CN109005524B - 基于吞吐量比较的车联网rsu切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，包括首先对传输的数据实行随机线性网络编码；当车辆处于当前RSU覆盖范围内时根据随机线性网络编码系统有限域计算接收到的数据包是创新型的概率以及根据无线信道调制方式求出此时的误码率；根据得到的数据包是创新型的概率以及误码率计算当前RSU的系统吞吐量；当车辆移动行驶到下一个RSU的覆盖范围时，计算所述下一个RSU的系统吞吐量；下一个RSU的系统吞吐量大于当前RSU的系统吞吐量时进行RSU切换。本发明基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，该方法考虑无线信道链路的衰落特性，计算出RSU在广播过程中系统的吞吐量，而且通过比较边界区域的吞吐量大小，完成RSU间的切换。

Description

基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法

技术领域

本发明涉及一种车联网RSU切换方法，尤其涉及基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，属于车载网络通信技术领域。

背景技术

车载自组网VENETs(Vehicular Ad Hoc Networks)是智能运输系统(ITS)一个出现的技术，车载网是一种动态的Ad hoc网络，提供安全、交通效率、舒适的驾驶和娱乐功能。交通信息对一个驾驶者来说是非常有用的，例如事故警告、道路拥塞警告，能够有效的防御道路堵塞，提高车辆行驶效率。然而由于车辆的移动性和短的通信范围，导致了在V2V(vehicle-to-vehicle，车对车，)阶段非常短的连接时间，但RSU(Road Side Unit，路侧单元)与路边设备的通信是必要的，即V2I(vehicle-to-infrastructure，车对基础设施)，否则车辆将不能够接收到信息。

路侧单元(Road Side Units,RSU)，是具有数据存储和运算能力，并且能够直接与车辆进行信息交互的无线收发装置，具有网关的功能。V2R通信时的主要特点包括：(1)路侧单元只针对它所覆盖的局部范围进行广播；(2)车辆和路侧单元只进行一跳即可完成数据传输，减少了消息转发次数并简化了消息确认机制，增加了网络吞吐量；(3)路侧单元能够快速、准确地探测到路况、行车和交通灯状况并对这些信息进行过滤、处理、排序、预测之后再发送给车辆。上述三个方面提高了V2R通信时消息传输的可靠性和实时性。而目前流行的4G网络(例如LTE)，虽然传输范围广，但其基站覆盖范围较小，不能保证消息传输的实时性和可靠性。因此，对V2R通信的研究有重要意义。车辆在进入路侧单元重叠覆盖区域内以及切换到下一个路侧单元时可能导致链路失效或者数据包的丢失，因此为了保证文件上传/下载时的资源利用率高、网络吞吐量大、传输延迟小，需要对路侧单元切换、选择的方法进行研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种车辆在RSU边界区域进行RSU之间切换时吞吐量改善且系统更稳定的车联网RSU切换方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种采用以下技术方案：

一种基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，包括：

(1)首先在车联网系统中对传输的数据实行随机线性网络编码(Random LinearNetwork Coding)；系统发送m个源数据包，对m个源数据包{u₁,u₂...u_m}进行随机线性网络编码。

(2)当车辆处于当前RSU覆盖范围内时根据随机线性网络编码系统有限域计算接收到的数据包是创新型的概率以及根据无线信道调制方式求出此时的误码率；

进一步地，计算数据包是创新型的概率以及误码率具体采用如下方法：

计算当前RSU覆盖范围内的车辆数量k，表达式为

其中k为车辆数目，s为在RSU覆盖范围内车辆分布的密度，L为当前RSU覆盖的车道的长度。

根据当前RSU覆盖范围内的车辆数量k及车辆的初始位置计算当前RSU内车辆V_i接收到编码数据包的数目n_i。

假设数据包发送的速率为R比特/秒，一个源数据包大小为d字节，1字节＝8比特，所以发送一个编码数据包需要的时间为

秒，因此可以计算出在当前RSU内，每个车辆接收到数据包的个数为：

其中n_i为向下取整的数，i＝1,2,...,k。

RSU向车辆V_i发送第j个数据包，当j小于等于n_i时计算数据包是创新型的概率以及误码率。

计算数据包是创新型的概率时具体包括：

编码系数有限域为

q是编码域的大小，RSU发送的编码数据包表示为

一个编码数据包总共有q^m种编码系数向量，接收端成功接收n个编码数据包，其编码系数形成n×m的矩阵，若该矩阵秩为r,所以再接收一个数据包，有q^r种编码系数向量是与之线性有关的，线性无关的编码系数向量有q^m-q^r个，而除去全为零的编码系数情况，总共可能有q^m-1种码系数向量，则创新型的概率为

根据无线信道调制方式求出此时的误码率具体包括：

计算车辆V_i到当前RSU的距离，具体包括：

以队尾车辆为坐标原点，车辆行驶方向为x轴正方向，竖直方向为y轴，建立直角坐标系，则k车辆v₁,v₂,...,v_k的初始时刻车辆的坐标为(l_i0,0)，当前RSU的坐标为

k车辆v₁,v₂,...,v_k的初始位置为l_i0＝L-s·i，(i＝1,2,...,k)；

在覆盖范围为L的RSU内，RSU距离车道竖直上方的a米处，RSU间重复覆盖的距离为10米；车辆行驶的速度v，在RSU内行驶的时间为

在行驶过程中，RSU每发送一个数据包，车辆到RSU的距离会发生变化，计算方法为：车辆的横坐标l_ij＝l_i0+v·t·j，其中j是发送次数，对于每个车辆v_i(i＝1,2,...,k)，当j≤n_i+1时，车辆到RSU的距离：

其中i是车辆标识j是发送数据包个数，L是RSU覆盖的车道长度，a为RSU在道路中间的垂直正上方的距离，l_ij是车辆的坐标位置；

S202：根据无线信道衰落公式求出接收信号功率，表达式如下：

其中P_T是发送信号的功率，G_T是发送增益，G_R是接收增益，Pr是接收信号的功率，λ是无线电磁波波长，d_ij是车辆到RSU的距离；

S203：再根据无线信道调制方式和信噪比公式

其中N是噪声功率，求出误码率Pe_ij；

(3)根据步骤(2)得到的数据包是创新型的概率以及误码率计算当前RSU的系统吞吐量P_ij，表达式如下：

(4)当车辆移动行驶到下一个RSU的覆盖范围时，计算所述下一个RSU的系统吞吐量；具体包括：

S41：当RSU发送的数据包数目j＝n_i+1时，此时车辆处在两个RSU覆盖的范围，计算车辆到下一个RSU的距离d′_ij，表达式如下：

其中i车辆标识，j发送数据包个数，L是RSU覆盖的车道长度，a为RSU在道路中间的垂直正上方的距离，l_ij车辆坐标位置；

S42：根据无线信道衰落公式，求出接收信号功率，表达式如下：

其中P_T是发送信号的功率，G_T是发送增益，G_R接收增益，Pr是接收信号的功率，λ无线电磁波波长，d_ij车辆到RSU的距离；

再根据无线信道调制方式和信噪比公式

其中N是噪声功率，求出误码率Pe′_ij，表达式为：

S43：计算此时在下一RSU的吞吐量P′_ij，表达式如下：

(5)下一个RSU的系统吞吐量大于当前RSU的系统吞吐量时进行RSU切换。车辆比较两个系统吞吐量大小并将比较结果发送给两个RSU，系统吞吐量小的RSU把此车辆的相关信息传送给系统吞吐量大的RSU完成切换。

本发明所达到的有益效果：本发明基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，该方法考虑无线信道链路的衰落特性，计算出RSU在广播过程中系统的吞吐量，而且通过比较边界区域的吞吐量大小，完成RSU间的切换。

附图说明

图1是本发明动态链路中边缘区域RSU间的切换流程图；

图2是本发明具体实施例车联网中V2I的通信模型；

图3是本发明具体实施例的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是本发明动态链路中边缘区域RSU间的切换流程图；图1示出了：

(1)首先对传输的数据实行随机线性网络编码；

(2)当车辆处于当前RSU覆盖范围内时根据随机线性网络编码系统有限域计算接收到的数据包是创新型的概率以及根据无线信道调制方式求出此时的误码率；

具体包括：

S21：计算当前RSU覆盖范围内的车辆数量k；

RSU在道路中间垂直正上方的a米处，覆盖半径为c米，在RSU覆盖范围内，车辆分布的密度为s米/车辆。覆盖的车道的长度L＝2c米，RSU间重复覆盖的范围为10m。车辆均匀分布在其中，则车辆的数目

这k车辆为v₁,v₂,...,v_k。

S22：根据当前RSU覆盖范围内的车辆数量k及车辆的初始位置计算当前RSU内车辆V_i接收到编码数据包的数目n_i；

假设以车辆行驶的方向为正方向，在RSU覆盖范围内，车辆形成队列，车辆队列的队头车辆为v₁，队尾为v_k，则它们的初始位置为l_i0＝L-s·i，(i＝1,2,...,k)。以队尾车辆为坐标原点，车辆行驶方向为x轴正方向，竖直方向为y轴，建立直角坐标系，则初始时刻车辆的位置坐标为(l_i0,0)，当前RSU的坐标为

车辆行驶的速度v，在RSU内行驶的时间为

假设数据包发送的速率为R比特/秒，一个源数据包大小为d字节，1字节＝8比特，所以发送一个编码数据包需要的时间为

秒，因此可以计算出在当前RSU内，每个车辆接收到数据包的个数为：

(这里n_i为向下取整的数)(i＝1,2,...,k)。

S23：RSU向车辆V_i发送第j个数据包，当j小于等于n_i时计算数据包是创新型的概率以及误码率。

具体为：在RSU覆盖范围内时，即RSU广播的编码数据包小于等于n_i时，可以得到每辆车接收到数据包为创新型的概率

(m为源数据包个数，j是发送数据包的序号)和此时系统的吞吐量P_ij。

计算吞吐量的方式为：车辆的横坐标l_ij＝l_i0+v·t·j(其中j是发送数据包的序号)，对于每个车辆行驶的速度v_i(i＝1,2,...,k)，到RSU的距离

根据无线信道衰落公式，求出接收信号功率，表达式如下：

(其中P_T是发送信号的功率，G_T是发送增益，G_R是接收增益，Pr是接收信号的功率，λ是无线电磁波波长，d_ij是车辆到RSU的距离)；

再根据无线信道调制方式和信噪比公式

(N是噪声功率)，求出误码率Pe_ij。

(3)根据步骤(2)得到的数据包是创新型的概率以及误码率计算当前RSU的系统吞吐量；

计算吞吐量，表达式为：

(其中d是发送数据包大小)。

(4)当车辆移动行驶到下一个RSU的覆盖范围时，计算所述下一个RSU的系统吞吐量；

由于车联网是动态的，当车辆行驶到RSU边界时，即RSU广播的编码数据包大于n_i时，车辆处在两个RSU覆盖的范围，计算车辆到下一个RSU的距离d′_ij：

同上面的方式计算出误码率Pe′_ij，再计算系统吞吐量：

(5)通过比较这两个RSU的吞吐量大小，来完成RSU间切换。当车辆在下一个RSU的吞吐量大于上一个RSU的吞吐量，将比较结果发送给两个RSU，系统吞吐量小的RSU把此车辆的相关信息传送给系统吞吐量大的RSU完成切换，接下来则由其完成数据发送。

仿真的系统是12辆车均匀分布在一个RSU覆盖范围内，RSU的覆盖范围是120m，发送功率是10w，车速是60km/h，数据包大小338byte，发送速率3Mbps，调制方式2PSK，RSU通过随机线性网络编码广播数据包，通过以上方式求出每个车辆在一个RSU内，整个过程中在使用RLNC方式发送、未进行编码发送时的吞吐量大小和在RSU边界进行RSU切换时、未进行RSU切换时的吞吐量大小。由图可知，随机线性网络编码和在RSU边界进行切换能够增加系统的吞吐量。

由上面的算法可得到每个车辆在此过程中总的吞吐量计算公式：

通过以上方式和和计算公式，得到图3的仿真图。

图2给出了RSU中车辆分布模型。图2示出了车联网在公路上的车辆分布模型，其中RSU是路边单元，负责向车辆广播路况、本地新闻和广告等信息。此模型是简化了车联网模型，我们知道它包括V2V和V2I两个过程，但为了是方便研究，只考虑V2I场景下且在单车道情况下，探究RSU使用随机线性网络编码广播数据包，计算无线信道的系统吞吐量。在RSU边界区域，车辆通过比较其在两个RSU中吞吐量大小，把比较结果发送给RSUs，RSUs接收到后进行信息的发送，完成RSU间切换。假设有k辆车在RSU的通信范围，若车辆的密度为均匀分布，RSU间存在重复覆盖的范围。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，其特征是，

(1)首先对传输的数据实行随机线性网络编码；

(2)当车辆处于当前RSU覆盖范围内时根据随机线性网络编码系统有限域计算接收到的数据包是创新型的概率以及根据无线信道调制方式求出此时的误码率；(2)具体包括：S21：根据当前RSU覆盖范围内的车辆数量k及车辆的初始位置计算当前RSU内车辆V_i接收到编码数据包的个数n_i，表示为：

这里n_i为向下取整的数，t为发送一个编码数据包需要的时间，v是车辆行驶速度，第i辆车在RSU内行驶的时间为t_i，

l_i0为第i辆车的初始位置；

S22：RSU向车辆V_i发送第j个数据包，当j小于等于n_i时计算当车辆处于当前RSU覆盖范围内时数据包是创新型的概率以及误码率；其中计算当车辆处于当前RSU覆盖范围内时数据包是创新型的概率时具体包括：

在RSU覆盖范围内时，RSU向车辆V_i发送第j个数据包，得到每辆车接收到数据包为创新型的概率为Pc，

其中m为源数据包个数，j是发送数据包个数，q是编码域的大小，

计算系统的吞吐量P_ij的方式为：车辆的横坐标为l_ij，l_ij＝l_i0+v·t·j，车辆到RSU的距离为d_ij，

其中L为当前RSU覆盖的车道的长度，a为RSU在道路中间垂直正上方的距离；

根据无线信道衰落公式，求出接收信号功率，表达式如下：

其中P_T是发送信号的功率，G_T是发送增益，G_R是接收增益，Pr是接收信号的功率，λ是无线电磁波波长；

再根据无线信道调制方式和信噪比求出误码率Pe_ij，其中信噪比公式

N是噪声功率；

(3)根据步骤(2)得到的数据包是创新型的概率以及误码率计算当前RSU的系统吞吐量P_ij；计算吞吐量，表达式为：

其中d是发送数据包大小；

(4)当车辆移动行驶到下一个RSU的覆盖范围时，计算所述下一个RSU的系统吞吐量；

当车辆行驶到RSU边界时，也就是RSU广播的编码数据包大于n_i时，车辆处在两个RSU覆盖的范围，计算车辆到下一个RSU的距离d'_ij：

同上面的方式根据无线信道衰落公式，求出接收信号功率，表达式如下：

再根据无线信道调制方式和信噪比求出下一个RSU的系统误码率Pe′_ij，其中信噪比公式

求出下一个RSU的系统吞吐量P′_ij,

(5)下一个RSU的系统吞吐量大于当前RSU的系统吞吐量时进行RSU切换。

2.根据权利要求1所述的基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，其特征是，步骤S21中计算当前RSU覆盖范围内的车辆数量k的表达式为

其中s为在RSU覆盖范围内车辆分布的密度。

3.根据权利要求1所述的基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，其特征是，假设数据包发送的速率为R比特/秒，1字节＝8比特，所以发送一个编码数据包需要的时间t为

秒。

4.根据权利要求1所述的基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，其特征是，步骤(5)具体包括车辆比较两个系统吞吐量大小并将比较结果发送给两个RSU，系统吞吐量小的RSU把此车辆的相关信息传送给系统吞吐量大的RSU完成切换。

5.根据权利要求1所述的基于吞吐量比较的车联网RSU切换方法，其特征是，以队尾车辆为坐标原点，车辆行驶方向为x轴正方向，竖直方向为y轴，建立直角坐标系，则k车辆v₁,v₂,...,v_k的初始时刻车辆的坐标为(l_i0,0)，当前RSU的坐标为

第i辆车的初始位置为l_i0＝L-s·i，i＝1,2,...,k，其中s为在RSU覆盖范围内车辆分布的密度。

Images