CN112333670B - 基于车联网的通信方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于车联网的通信方法、装置、计算机设备及存储介质，方法包括：将总带宽Btot平均划分为M个子信道，其中M为V2N链路的数量；为每一条V2N链路分配一个子信道；根据各V2V链路的传输时延范围确定码长范围，并利用二分搜索的方法在所述码长范围内调整码长，确定每一个可能的频谱复用组合对的最优功率分配信息和码长选择信息，使用改进的匈牙利算法对多个频谱复用组合进行求解，得到最优的频谱复用组合；将所述最优功率分配信息和码长选择信息发送给最优的频谱复用组合中的各V2N链路和各V2V链路。本发明最小化了V2V链路的最大传输时延，同时保证了V2V链路传输速率的中断概率及V2N链路的遍历容量。

Description

基于车联网的通信方法、装置、计算机设备及存储介质
技术领域
本发明涉及车联网领域，特别涉及基于车联网的通信方法、装置、计算机设备及存储介质。
背景技术
随着现代通信技术的飞速发展，新兴的车辆通信在为用户提供安全、舒适、智能、高效的驾驶体验以及运输服务方面具有巨大的潜力。车辆通信中包含多种类型的链路。例如，车辆到车辆(V2V)的链路，车辆到网络(V2N，即车辆到基站)的链路，车辆到行人(V2P)的链路以及车辆到基础设施(V2I)的链路，这些可以统称为车辆到一切(V2X)的通信。V2V链路通常传输的是与安全相关的信息，有着严格的低时延和高可靠性要求。V2N链路传输的通常是因特网服务接入信息，其通常对链路间的容量要求更高。
由于车辆的高速移动将会带来信道的快速变化。因此，如何在高速移动环境中对通信资源进行有效的分配一直是业界所研究的热点。现有技术一般是使用无限长编码来实现V2V链路的通信。然而为保证V2V链路传输的低时延，在该链路上通常发送的都是数据量比较小的数据包。当包的数据量较小时，其中包含有效信息的大小将会与控制信息的大小相当。若此时再使用无限长编码并应用香农公式来对通信资源进行分配，那么数据传输的时延与可靠性将会被低估。
发明内容
本发明的目的是提供基于车联网的通信方法、装置、计算机设备及存储介质，旨在解决现有车联网通信方法无法保证在各链路传输公平性的前提下减小传输时延的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种基于车联网的通信方法，其包括：
将总带宽Btot平均划分为M个子信道，其中M为V2N链路的数量；
为每一条V2N链路分配一个子信道；
根据各V2V链路的传输时延范围确定码长范围，并利用二分搜索的方法在所述码长范围内调整码长，确定每一个可能的频谱复用组合对的最优功率分配信息和码长选择信息，其中，在每一频谱复用组合对中，一条V2V链路最多复用一条V2N链路，一条V2N链路最多被一条V2V链路复用；
使用改进的匈牙利算法对多个频谱复用组合对进行求解，得到最优的频谱复用组合；
将所述最优功率分配信息和码长选择信息发送给最优的频谱复用组合中的各V2N链路和各V2V链路，使各V2N链路和各V2V链路依据所述最优功率分配信息和码长选择信息进行通信。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于车联网的通信装置，其包括：
划分单元，用于将总带宽Btot平均划分为M个子信道，其中M为V2N链路的数量；
分配单元，用于为每一条V2N链路分配一个子信道；
码长及功率确定单元，用于根据各V2V链路的传输时延范围确定码长范围，并利用二分搜索的方法在所述码长范围内调整码长，确定每一个可能的频谱复用组合对的最优功率分配信息和码长选择信息，其中，在每一频谱复用组合对中，一条V2V链路最多复用一条V2N链路，一条V2N链路最多被一条V2V链路复用；
频谱分配单元，用于使用改进的匈牙利算法对多个频谱复用组合进行求解，得到最优的频谱复用组合；
通信单元，用于将所述最优功率分配信息和码长选择信息发送给最优的频谱复用组合中的各V2N链路和各V2V链路，使各V2N链路和各V2V链路依据所述最优功率分配信息和码长选择信息进行通信。
第三方面，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的基于车联网的通信方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如第一方面所述的基于车联网的通信方法。
本发明实施例提供了基于车联网的通信方法、装置、计算机设备及存储介质，本发明实施例最小化了所有V2V链路的最大传输时延，同时保证了V2V链路传输速率的中断概率及V2N链路的遍历容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的V2V链路与V2N链路的所有可能的频谱复用组合对的示意图；
图2为本发明实施例提供的最优频谱复用组合的示意图；
图3为本发明实施例提供的基于车联网的通信方法的V2V链路的传输时延。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明实施例提供一种基于车联网的通信方法，其包括步骤S1～S5：
S1、将总带宽Btot平均划分为M个子信道，其中M为V2N链路的数量；
S2、为每一条V2N链路分配一个子信道；
S3、根据各V2V链路的传输时延范围确定码长范围，并利用二分搜索的方法在所述码长范围内调整码长，确定每一个可能的频谱复用组合对的最优功率分配信息和码长选择信息，其中，在每一频谱复用组合对中，一条V2V链路最多复用一条V2N链路，一条V2N链路最多被一条V2V链路复用；
S4、使用改进的匈牙利算法对多个频谱复用组合对进行求解，得到最优的频谱复用组合；
S5、将所述最优功率分配信息和码长选择信息发送给最优的频谱复用组合中的各V2N链路和各V2V链路，使各V2N链路和各V2V链路依据所述最优功率分配信息和码长选择信息进行通信。
构建一个车辆网络，其中M辆车(使用无限长编码)正在通过V2N链路向基站(BS)进行上行链路的数据传输，而K对车(使用有限长编码)正在通过V2V链路进行信息的交换。具体可以使用Φ＝{1,...M}以及Γ＝{1,...K}来分别表示V2N链路集以及V2V链路集。在具体实施例中，为方便说明，这里可假设M＝K。对于M＞K的情形，同样可以通过应用本实施例方法来实现通信资源的最优分配及码长选择。为了减少干扰，系统的总带宽Btot被平均分为M个正交的子信道，并将每个子信道分配给每条V2N链路。同时，一条V2V链路最多复用一条V2N链路，而一条V2N链路也仅能被一条V2V链路复用。这有利于提高频谱的利用率并简化分析。由于每条V2N链路占据不同的频段，所以这M条V2N链路在传输信息的时候是互不干扰的，而每条V2V链路需要复用其中的一条V2N链路的频谱来传输信息。
第m条V2N链路的信道增益(也称信道功率增益)可以用
Figure BDA0002818438190000041
来表示，其计算公式可以表达为：
Figure BDA0002818438190000042
其中
Figure BDA0002818438190000043
及
Figure BDA0002818438190000044
分别表示第m条V2N链路的大尺度衰落分量以及小尺度衰落分量。同样地，
Figure BDA0002818438190000045
表示第k条V2V链路的信道增益(也称信道功率增益)，其中
Figure BDA0002818438190000046
及
Figure BDA0002818438190000047
分别表示第k条V2V链路的大尺度衰落分量以及小尺度衰落分量。hm,k＝αm,kgm,k以及hk,B＝αk,Bgk,B分别表示第m条V2N链路对第k条V2V链路的干扰信道功率增益以及第k条V2V链路对BS的干扰信道功率增益。假如第k条V2V链路复用的是第m条V2N链路的频谱，那么第k条V2V链路在传输信息的时候必定会对第m条V2N链路产生干扰(即产生干扰链路)，第m条V2N链路在传输信息的时候也必定会对第k条V2V链路产生干扰。所以hm,k＝αm,kgm,k表示的是第m条V2N链路对第k条V2V链路的干扰信道功率增益，其中的αm,k表示的是第m条V2N链路对第k条V2V链路产生干扰的这条干扰链路的大尺度衰落分量，gm,k表示的是第m条V2N链路对第k条V2V链路产生干扰的这条干扰链路的小尺度衰落分量。hk,B＝αk,Bgk,B表示的是第k条V2V链路对第m条V2N链路的干扰信道功率增益(由于V2N链路是上传信息给基站BS，也可称对BS产生干扰的这条干扰链路的干扰信道功率增益)，其中的αk,B表示的是第k条V2V链路对BS产生干扰的这条干扰链路的大尺度衰落分量，gk,B表示的是第k条V2N链路对BS产生干扰的这条干扰链路的小尺度衰落分量。
由于各链路的大尺度衰落分量在相对较长的距离才会有明显的变化，因此，本发明实施例假设在基站处各链路的大尺度衰落分量是已知的。由于车辆处于高速移动的状态，系统的小尺度衰落分量将会变化较快。移动的车辆频繁地将信道的状态信息(CSI)传给BS将会带来巨大的信令开销。因此，本发明实施例假设仅已知各链路小尺度衰落分量的统计信息，并只利用大尺度衰落信息来对通信的资源及码长进行优化。
在一实施例中，所述步骤S3包括如下步骤S31～S35：
S31、获取各所述V2V链路的传输时延范围
Figure BDA0002818438190000051
S32、基于各所述V2V链路的传输时延范围
Figure BDA0002818438190000052
根据公式
Figure BDA0002818438190000053
确定各所述V2V链路的码长范围[Nlow,Nup]，其中B为每一所述V2N链路所占的信道带宽；
S33、令第k条V2V链路的当前码长Nmid＝(Nlow+Nup)/2，求解第k条V2V链路在当前码长下的信噪比阈值；
S34、求解在预设条件下第m条V2N链路的传输速率的最大值，并判断所述最大值是否大于V2N链路的传输速率阈值，若是则判断所述Nlow与Nup的差值是否大于码长差值阈值，若所述Nup与Nlow的差值小于或等于所述码长差值阈值则将当前码长作为当前频谱复用组合对的最优码长，若所述Nlow与Nup的差值大于所述码长差值阈值则令Nup为Nmid，得到新的码长范围，对新的码长范围进行二分得到新的当前码长，继续进行求解；
若否则令Nlow为Nmid，得到新的码长范围，对新的码长范围进行二分得到新的当前码长，继续进行求解；
其中，所述预设条件为：第m条V2N链路的功率小于第一功率阈值，第k条V2V链路的功率小于第二功率阈值，且，第k条V2V链路的信噪比小于所述信噪比阈值的概率小于预设概率阈值；
S35、依据所述最优码长计算得到当前频谱复用组合对的最优功率分配信息。
对于需要大容量的V2N链路来说，可以使用无限码长来进行数据的传输。具体分别用
Figure BDA0002818438190000061
以及
Figure BDA0002818438190000062
来表示第m条V2N链路和第k条V2V链路的发射功率(也称功率)。利用ρm,k∈{0,1}来作为频谱复用的指示标志。其中ρm,k＝1表示第m条V2N链路被第k条V2V链路复用，而ρm,k＝0则表示第m条V2N链路未被第k条V2V链路复用。
那么第m条V2N链路的速率可以表示为：
Figure BDA0002818438190000063
其中
Figure BDA0002818438190000064
是第m条V2N链路的信噪比，其定义为：
Figure BDA0002818438190000065
其中σ2表示的是加性高斯白噪声，B＝Btot/M代表每条V2N链路所占据的信道带宽。为了平均快速衰落的影响，用遍历容量即
Figure BDA0002818438190000066
来描述V2N链路的长期吞吐量。
对于V2V链路，使用有限码长来交换数据。那么第k条V2V链路的速率可以用下面的公式来计算:
Figure BDA0002818438190000067
其中
Figure BDA0002818438190000068
是第k条V2V链路的信噪比，其定义为：
Figure BDA0002818438190000069
其中的
Figure BDA00028184381900000610
是信道的离散系数，其计算公式为
Figure BDA00028184381900000611
是分配给第k条V2V链路的码长，ε∈(0,1)是包的误码率。Q-1(·)是高斯Q函数的反函数，它可进一步表示
Figure BDA00028184381900000612
这里，
Figure BDA00028184381900000613
可以进一步地表示
Figure BDA00028184381900000614
其中
Figure BDA0002818438190000071
代表的是连续时间信号的持续时间，在本发明实施例中也就是包的传输时延，也即链路的传输时延。
对于在车联网中的数据传输来说，超低时延具有十分重要的作用。因此，减少时延是本发明实施例所要解决的问题。因为
Figure BDA0002818438190000072
又因为所有的V2V链路都拥有相同的带宽，因此最小化时延
Figure BDA0002818438190000073
也即等同于最小化码长
Figure BDA0002818438190000074
为了满足V2N链路的大容量要求以及V2V链路的高可靠性和低时延要求，本发明实施例旨在最小化V2V链路的最大传输时延并同时保证V2V和V2N链路的不同服务质量(QoS)。本发明实施例所涉及的功率，码长以及频谱的优化问题可以描述为：
Figure BDA0002818438190000075
Figure BDA0002818438190000076
Figure BDA0002818438190000077
Figure BDA0002818438190000078
Figure BDA0002818438190000079
Figure BDA00028184381900000710
Figure BDA00028184381900000711
其中s.t.表示满足对应的条件。
Figure BDA00028184381900000712
和
Figure BDA00028184381900000713
分别表示V2N链路和V2V链路的最大允许发射功率(即最大允许功率)。约束(5b)确保了每条V2V链路的数据中断概率低于p0，其中
Figure BDA00028184381900000714
代表了V2V链路所传输的最小数据量的阈值。约束(5c)保证了每条V2N链路的遍历容量都大于最小的容量要求
Figure BDA00028184381900000715
约束(5f)表明一条V2N链路仅可以被一条V2V链路所复用，约束(5g)表明一条V2V链路仅可接入一条V2N链路的频谱。E{}表示的数学上的期望，即对{}里面的表达式求期望，Pr表示的数学上的概率，即对{}里面的表达式求概率。从约束(5d)和(5e)可以知道，规定了每辆车(每条链路)的发射功率是在[0,Pmax]之间。
由于同时包含整数和连续优化变量，问题(5)是一个非凸组合优化问题。但由于干扰仅存在于每个频谱复用对，这使得本发明实施例可以将这个优化问题分解为两个子问题：1、求任意频谱复用组合对的最优功率分配和码长选择；2、对所有复用组合进行频谱分配。特别地，首先从KM个可能的频谱复用组合对中选择由第m条V2N链路和第k条V2V链路组成的任意对，以通过对二分搜索方法得到该频谱复用组合对的最优功率分配及码长选择。随后，频谱分配问题可以通过匈牙利算法解决。需说明的是，由于两个子问题都得到了最优解决，因此所提出的问题可以找到全局最优解。
对于确定最优功率分配及码长选择来说，需要得到所有频谱复用组合对的最优功率分配以及码长选择。特别地，对于由第m条V2N链路和第k条V2V链路组成的频谱复用组合对来说，功率分配及码长选择问题可以描述为：
Figure BDA0002818438190000081
Figure BDA0002818438190000082
Figure BDA0002818438190000083
Figure BDA0002818438190000084
Figure BDA0002818438190000085
利用函数的单调性，可以将V2V链路数据量的中断概率约束(6b)进一步地转化为V2V链路信噪比的中断概率约束：
Figure BDA0002818438190000086
对任意固定的
Figure BDA0002818438190000087
而言，
Figure BDA0002818438190000088
是
Figure BDA0002818438190000089
关于
Figure BDA00028184381900000810
的解。可以证明的是
Figure BDA00028184381900000811
是一个关于
Figure BDA00028184381900000812
的单调递减函数。
对于任意固定的
Figure BDA00028184381900000813
是一个关于
Figure BDA00028184381900000814
的单变量函数，所以
Figure BDA00028184381900000815
可以进一步地表示为
Figure BDA00028184381900000816
利用求导，可以很容易地证明
Figure BDA00028184381900000817
是关于
Figure BDA00028184381900000818
的单调递增函数。利用
Figure BDA00028184381900000819
的单调性，所以可以约束(6b)转化为约束(7)。
此时，
Figure BDA00028184381900000820
可以写为：
Figure BDA00028184381900000821
通过转换(a)，可以得到
Figure BDA00028184381900000822
利用求导可以证明
Figure BDA00028184381900000823
是关于
Figure BDA00028184381900000824
的单调递减函数。设
Figure BDA00028184381900000825
是
Figure BDA00028184381900000826
的反函数，由反函数的性质可知，
Figure BDA0002818438190000091
是关于
Figure BDA0002818438190000092
的单调递减函数。
因此，优化问题(6)可以化简为
Figure BDA0002818438190000093
s.t.(6c),(6d),(6e),(7). (8b)
若
Figure BDA0002818438190000094
是问题(8)的一个可行点。那么对于任意
Figure BDA0002818438190000095
点
Figure BDA0002818438190000096
也满足约束(7)，因为
Figure BDA0002818438190000097
是关于
Figure BDA0002818438190000098
的单调递减函数。此外，因为约束(6c)-(6e)又与
Figure BDA0002818438190000099
无关，因此点
Figure BDA00028184381900000910
对于这些约束来说也是可行的。注意到目标函数(8a)是单调的，因此存在最优的
Figure BDA00028184381900000911
用
Figure BDA00028184381900000912
表示，使得当
Figure BDA00028184381900000913
问题(8)是可行的，反之则不可行。
基于以上分析，本发明实施例可以通过二分搜索来求解优化问题(8)。
下面，在给定
Figure BDA00028184381900000914
下来判断问题(8)的可行性。该可行性问题可以表述为找出
Figure BDA00028184381900000915
Figure BDA00028184381900000916
Figure BDA00028184381900000917
Figure BDA00028184381900000918
Figure BDA00028184381900000919
如果可以找到一个点
Figure BDA00028184381900000920
使得(9b)-(9e)都满足，则问题(9)是可行的。因此，该可行性问题相当于解决以下问题：
Figure BDA00028184381900000921
Figure BDA00028184381900000922
Figure BDA00028184381900000923
Figure BDA00028184381900000924
然后判断问题(10)的最优值(也即最大值)是否大于
Figure BDA00028184381900000925
特别地，如果问题(10)的最优值是小于
Figure BDA00028184381900000926
的，那么问题(9)是不可行的，反之则可行。这里，需说明的是在不可行的情况下，问题(10)的目标函数值被设置为负无穷，即使
Figure BDA00028184381900000927
以及
Figure BDA00028184381900000928
也无法满足约束(10b)。
在一实施例中，所述步骤S35包括：
按下式计算得到当前频谱复用组合对的最优功率分配信息：
Figure BDA0002818438190000101
Figure BDA0002818438190000102
其中，
Figure BDA0002818438190000103
为第m条V2N链路的最优功率，
Figure BDA0002818438190000104
为第一功率阈值，
Figure BDA0002818438190000105
为第k条V2V链路的最优功率，
Figure BDA0002818438190000106
为第二功率阈值，min{}表示取其中的最小元素；
Figure BDA0002818438190000107
其中，
Figure BDA0002818438190000108
σ2表示加性高斯白噪声，
Figure BDA0002818438190000109
表示第m条V2N链路的大尺度衰落分量，αk,B表示第k条V2V链路对基站产生干扰的干扰链路的大尺度衰落分量；
f(·)被定义为
Figure BDA00028184381900001010
其中，
Figure BDA00028184381900001011
表示第k条V2V链路的大尺度衰落分量，αm,k表示第m条V2N链路对第k条V2V链路产生干扰的干扰链路的大尺度衰落分量，
Figure BDA00028184381900001012
是信噪比阈值，p0表示预设概率阈值。
Figure BDA00028184381900001013
的表达式就是将(13)式中的
Figure BDA00028184381900001014
换成
Figure BDA00028184381900001015
即可。而
Figure BDA00028184381900001016
也是通过(13)式来计算的，即通过R将
Figure BDA00028184381900001017
求解出来：
Figure BDA00028184381900001018
上述功率分配的求解，作者L.Liang,G.Y.Li,and W.Xu在IEEE Trans.Commun.,vol.65,no.7,pp.3186–3197,Jul.2017发表的“Resource allocation for D2D-enabledvehicular communications,”的文献中已有相关说明。在得到KM个频谱复用组合对的最优传输码长后，剩下的频谱分配问题可以建模成以下的二部匹配问题：
Figure BDA0002818438190000111
Figure BDA0002818438190000112
Figure BDA0002818438190000113
该问题可以等效地转换为以下问题：
Figure BDA0002818438190000114
s.t.(14b),(14c). (15b)
问题(15)与问题(14)相似，可以通过改进的匈牙利算法来有效解决。
Figure BDA0002818438190000115
表示当第k条V2V链路复用第m条V2N链路为一个频谱复用组合对时所对应的最优码长。约束(14b)表明一条V2N链路仅可以被一条V2V链路所复用，约束(14c)表明一条V2V链路仅可接入一条V2N链路的频谱。ρm,k∈{0,1}是作为频谱复用的指示标志。其中ρm,k＝1表示第m条V2N链路被第k条V2V链路复用，而ρm,k＝0则反之。
上述实施例实际上也表示了公式(14)的含义，即获取最大码长的最小值，并获取对应的频谱复用组合。
关于改进的匈牙利算法的相关内容，D.B.West,Introduction to GraphTheory.Upper Saddle River,NJ,USA:Prentice-Hall,2001的文献中已有相关说明，此处不再赘述。
如图1所示，每个实心圆和一个空心圆分别代表一条V2N链路(V2N link，共M条V2N链路)和一条V2V链路(V2V link，共K条V2V链路)。每个实心圆和空心圆之间的连线意味着该线一端的V2V链路复用了另一端V2N链路的频谱，即该线两端的V2V和V2N链路是一对频谱复用组合对。对于每个V2N链路，有K个可能的频谱复用组合对。因此，M个V2N链路具有KM种可能的频谱复用组合对，分别对应于图1中的KM条线。利用二分搜索的方法求得各频谱复用组合的最优功率分配和码长选择。对所有可能的频谱复用组合应用匈牙利算法以得出最优的频谱分配。其可能的最优频谱分配如图2所示。
在一具体实施例中，将通过仿真来评估所提出的降低V2V链路传输时延的方法。假设所有车辆以80km/h的速度行驶，并根据空间泊松过程分布在高速公路上。实验的参数设置是3GPP TR 36.885设置。一些关键参数被设置为：Btot＝10MHz,，K＝M＝20，ε＝10-5，
Figure BDA0002818438190000121
在本实施例中，假设每条V2V链路的每个数据包传输将在0.2ms至2ms内完成，这意味着
Figure BDA0002818438190000122
随后根据
Figure BDA0002818438190000123
确定二分搜索的上下限，因此二分法搜索的码长范围被选定为[100,1000]。为了便于表示，令Nlow＝100，Nup＝1000，则最优码长∈[100,1000]。然后，检查中间点的可行性，即Nmid＝(Nlow+Nup)/2，在每次迭代中将间隔缩小为一半。
这里以第一次的二分搜索来进一步说明是如何判断可行性的：首先令
Figure BDA0002818438190000124
即
Figure BDA0002818438190000125
利用
Figure BDA0002818438190000126
来得出
Figure BDA0002818438190000127
换句话说，
Figure BDA0002818438190000128
的表达式即为(3)中的表达式。在本实施例中，(3)式中的ε和B都是确定的，所以通过
Figure BDA0002818438190000129
可以将
Figure BDA00028184381900001210
求解出来，简单的理解就是每固定一个
Figure BDA00028184381900001211
就能通过(3)式得到相应地
Figure BDA00028184381900001212
此时约束(6b)就转化为(7)了，然后对问题(10)进行求解。若此时问题(10)的最优值
Figure BDA00028184381900001213
则问题(10)就是可行的，实际上就是求解在预设条件下第m条V2N链路的传输速率的最大值，并判断所述最大值是否大于V2N链路的传输速率阈值，如果所述最大值大于V2N链路的传输速率阈值，需要继续判断所述Nlow与Nup的差值(如1000-100＝900)是否大于码长差值阈值(如1)，若所述Nup与Nlow的差值大于所述码长差值阈值则令Nup为Nmid，得到新的码长范围[100,550]，对新的码长范围[100,550]进行二分得到新的当前码长
Figure BDA00028184381900001214
继续进行求解；若所述Nup与Nlow的差值小于或等于所述码长差值阈值则可以直接将当前码长作为当前频谱复用组合对的最优码长。若否则令Nlow为Nmid，得到新的码长范围，对新的码长范围进行二分得到新的当前码长，继续进行求解。若所述最大值小于或等于V2N链路的传输速率阈值，则令Nlow为Nmid，得到新的码长范围[550,1000]，对新的码长范围[550,1000]进行二分得到新的当前码长
Figure BDA00028184381900001215
继续进行求解。最终要达到在预设条件下第m条V2N链路的传输速率的最大值大于V2N链路的传输速率阈值，并且所述Nlow与Nup的差值小于或等于码长差值阈值。
本发明实施例的目的就是恰好找到一个最优码长
Figure BDA00028184381900001216
使得问题(10)是可行的，若码长大于这个最优码长，则问题(10)是可行的，若码长小于这个最优码长，则问题(10)就不可行。当找到这个最优码长时，各链路的功率分配就确定下来了。
图3基于一次大尺度衰落信道的实现，将本发明实施例所提出方法(即图中“所提出的短码传输的方案”)，与使用无限码长的方案进行了比较，图3中“[2]中无限码长的方案”即文献“Resource allocation for D2D-enabled vehicular communications,”的方案，同时也与没有进行频谱分配的方案进行了比较。值得注意的是，本发明实施例把码长1000当作无限码长。这是因为当码长达到1000时，使用有限码长的速率公式(3)所计算出来的传输速率几乎与香农公式计算出来的一致。从图3中可以看到使用本发明所提出的有限码长方法来进行数据传输的时延要比无限码长方案的时延要低。此外，还可以观察到有限码长方案的传输时延随着p0的增加而降低，原因是p0的增加将导致V2V链路的QoS要求降低，因此最优的传输码长将会降低。最后，随着p0的增加，与没有频谱分配的基准方案相比，本发明所提出的方法的最优传输时延将会首先到达二分搜索的下限，这证明了本发明的方法的优越性。
本发明实施例能有效减小V2V链路的传输时延。在保证V2N链路的遍历容量和V2V链路的传输速率中断概率的前提，最小化了应用有限码长的V2V链路的最大传输延迟。利用单调性可以将数据速率中断概率转换为易于处理的表达式，并且可以得出全局最优的码长选择和资源分配。仿真结果表明，与无限码长的传输方案相比，本发明在V2V链路中使用有限码长的传输方案可以有效地降低时延。
本发明实施例还提供一种基于车联网的通信装置，其包括：
划分单元，用于将总带宽Btot平均划分为M个子信道，其中M为V2N链路的数量；
分配单元，用于为每一条V2N链路分配一个子信道；
码长及功率确定单元，用于根据各V2V链路的传输时延范围确定码长范围，并利用二分搜索的方法在所述码长范围内调整码长，确定每一个可能的频谱复用组合对的最优功率分配信息和码长选择信息，其中，在每一频谱复用组合对中，一条V2V链路最多复用一条V2N链路，一条V2N链路最多被一条V2V链路复用；
频谱分配单元，用于使用改进的匈牙利算法对多个频谱复用组合进行求解，得到最优的频谱复用组合；
通信单元，用于将所述最优功率分配信息和码长选择信息发送给最优的频谱复用组合中的各V2N链路和各V2V链路，使各V2N链路和各V2V链路依据所述最优功率分配信息和码长选择信息进行通信。
进一步，所述码长及功率确定单元包括：
传输时延获取单元，用于获取各所述V2V链路的传输时延范围
Figure BDA0002818438190000141
码长范围确定单元，用于基于各所述V2V链路的传输时延范围
Figure BDA0002818438190000142
根据公式
Figure BDA0002818438190000143
确定各所述V2V链路的码长范围[Nlow,Nup]，其中B为每一所述V2N链路所占的信道带宽；
信噪比确定单元，用于令第k条V2V链路的当前码长Nmid＝(Nlow+Nup)/2，求解第k条V2V链路在当前码长下的信噪比阈值；
二分搜索单元，用于求解在预设条件下第m条V2N链路的传输速率的最大值，并判断所述最大值是否大于V2N链路的传输速率阈值，若是则判断所述Nlow与Nup的差值是否大于码长差值阈值，若所述Nup与Nlow的差值小于或等于所述码长差值阈值则将当前码长作为当前频谱复用组合对的最优码长，若所述Nlow与Nup的差值大于所述码长差值阈值则令Nup为Nmid，得到新的码长范围，对新的码长范围进行二分得到新的当前码长，继续进行求解；若否则令Nlow为Nmid，得到新的码长范围，对新的码长范围进行二分得到新的当前码长，继续进行求解；其中，所述预设条件为：第m条V2N链路的功率小于第一功率阈值，第k条V2V链路的功率小于第二功率阈值，且，第k条V2V链路的信噪比小于所述信噪比阈值的概率小于预设概率阈值；
功率确定单元，用于依据所述最优码长计算得到当前频谱复用组合对的最优功率分配信息。
进一步，所述功率确定单元包括：
最优功率分配单元，用于按下式计算得到当前频谱复用组合对的最优功率分配信息：
Figure BDA0002818438190000144
Figure BDA0002818438190000145
其中，
Figure BDA0002818438190000146
为第m条V2N链路的最优功率，
Figure BDA0002818438190000147
为第一功率阈值，
Figure BDA0002818438190000148
为第k条V2V链路的最优功率，
Figure BDA0002818438190000149
为第二功率阈值，min{}表示取其中的最小元素；
Figure BDA0002818438190000151
其中，
Figure BDA0002818438190000152
σ2表示加性高斯白噪声，
Figure BDA0002818438190000153
表示第m条V2N链路的大尺度衰落分量，αk,B表示第k条V2V链路对基站产生干扰的干扰链路的大尺度衰落分量；
f(·)被定义为
Figure BDA0002818438190000154
其中，
Figure BDA0002818438190000155
表示第k条V2V链路的大尺度衰落分量，αm,k表示第m条V2N链路对第k条V2V链路产生干扰的干扰链路的大尺度衰落分量，
Figure BDA0002818438190000156
是信噪比阈值，p0表示预设概率阈值。
上述装置实施例的内容与上述方法实施例的内容一一对应，关于上述装置实施例的具体技术细节可参考前述方法实施例的描述，此处不再赘述。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的基于车联网的通信方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上所述的基于车联网的通信方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的设备、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，也可以将具有相同功能的单元集合成一个单元，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于车联网的通信方法，其特征在于，包括：
将总带宽Btot平均划分为M个子信道，其中M为V2N链路的数量；
为每一条V2N链路分配一个子信道；
根据各V2V链路的传输时延范围确定码长范围，并利用二分搜索的方法在所述码长范围内调整码长，确定每一个可能的频谱复用组合对的最优功率分配信息和码长选择信息，其中，在每一频谱复用组合对中，一条V2V链路最多复用一条V2N链路，一条V2N链路最多被一条V2V链路复用；
使用改进的匈牙利算法对多个频谱复用组合对进行求解，得到最优的频谱复用组合；
将所述最优功率分配信息和码长选择信息发送给最优的频谱复用组合中的各V2N链路和各V2V链路，使各V2N链路和各V2V链路依据所述最优功率分配信息和码长选择信息进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于车联网的通信方法，其特征在于，所述根据各V2V链路的传输时延确定码长范围，并利用二分搜索的方法在所述码长范围内调整码长，确定每一个可能的频谱复用组合对的最优功率分配信息和码长选择信息，包括：
获取各所述V2V链路的传输时延范围
Figure FDA0002818438180000011
基于各所述V2V链路的传输时延范围
Figure FDA0002818438180000012
根据公式
Figure FDA0002818438180000013
确定各所述V2V链路的码长范围[Nlow,Nup]，其中B为每一所述V2N链路所占的信道带宽；
令第k条V2V链路的当前码长Nmid＝(Nlow+Nup)/2，求解第k条V2V链路在当前码长下的信噪比阈值；
求解在预设条件下第m条V2N链路的传输速率的最大值，并判断所述最大值是否大于V2N链路的传输速率阈值，若是则判断所述Nlow与Nup的差值是否大于码长差值阈值，若所述Nup与Nlow的差值小于或等于所述码长差值阈值则将当前码长作为当前频谱复用组合对的最优码长，若所述Nlow与Nup的差值大于所述码长差值阈值则令Nup为Nmid，得到新的码长范围，对新的码长范围进行二分得到新的当前码长，继续进行求解；
若否则令Nlow为Nmid，得到新的码长范围，对新的码长范围进行二分得到新的当前码长，继续进行求解；
其中，所述预设条件为：第m条V2N链路的功率小于第一功率阈值，第k条V2V链路的功率小于第二功率阈值，且，第k条V2V链路的信噪比小于所述信噪比阈值的概率小于预设概率阈值；
依据所述最优码长计算得到当前频谱复用组合对的最优功率分配信息。
3.根据权利要求2所述的基于车联网的通信方法，其特征在于，所述依据所述最优码长计算得到当前频谱复用组合对的最优功率分配信息，包括：
按下式计算得到当前频谱复用组合对的最优功率分配信息：
Figure FDA0002818438180000021
Figure FDA0002818438180000022
其中，
Figure FDA0002818438180000023
为第m条V2N链路的最优功率，
Figure FDA0002818438180000024
为第一功率阈值，
Figure FDA0002818438180000025
为第k条V2V链路的最优功率，
Figure FDA0002818438180000026
为第二功率阈值，min{}表示取其中的最小元素；
Figure FDA0002818438180000027
其中，
Figure FDA0002818438180000028
σ2表示加性高斯白噪声，
Figure FDA0002818438180000029
表示第m条V2N链路的大尺度衰落分量，αk,B表示第k条V2V链路对基站产生干扰的干扰链路的大尺度衰落分量；
f(·)被定义为
Figure FDA00028184381800000210
其中，
Figure FDA00028184381800000211
表示第k条V2V链路的大尺度衰落分量，αm,k表示第m条V2N链路对第k条V2V链路产生干扰的干扰链路的大尺度衰落分量，
Figure FDA00028184381800000212
是信噪比阈值，p0表示预设概率阈值。
4.一种基于车联网的通信装置，其特征在于，包括：
划分单元，用于将总带宽Btot平均划分为M个子信道，其中M为V2N链路的数量；
分配单元，用于为每一条V2N链路分配一个子信道；
码长及功率确定单元，用于根据各V2V链路的传输时延范围确定码长范围，并利用二分搜索的方法在所述码长范围内调整码长，确定每一个可能的频谱复用组合对的最优功率分配信息和码长选择信息，其中，在每一频谱复用组合对中，一条V2V链路最多复用一条V2N链路，一条V2N链路最多被一条V2V链路复用；
频谱分配单元，用于使用改进的匈牙利算法对多个频谱复用组合进行求解，得到最优的频谱复用组合；
通信单元，用于将所述最优功率分配信息和码长选择信息发送给最优的频谱复用组合中的各V2N链路和各V2V链路，使各V2N链路和各V2V链路依据所述最优功率分配信息和码长选择信息进行通信。
5.根据权利要求4所述的基于车联网的通信装置，其特征在于，所述码长及功率确定单元包括：
传输时延获取单元，用于获取各所述V2V链路的传输时延范围
Figure FDA0002818438180000031
码长范围确定单元，用于基于各所述V2V链路的传输时延范围
Figure FDA0002818438180000032
根据公式
Figure FDA0002818438180000033
确定各所述V2V链路的码长范围[Nlow,Nup]，其中B为每一所述V2N链路所占的信道带宽；
信噪比确定单元，用于令第k条V2V链路的当前码长Nmid＝(Nlow+Nup)/2，求解第k条V2V链路在当前码长下的信噪比阈值；
二分搜索单元，用于求解在预设条件下第m条V2N链路的传输速率的最大值，并判断所述最大值是否大于V2N链路的传输速率阈值，若是则判断所述Nlow与Nup的差值是否大于码长差值阈值，若所述Nup与Nlow的差值小于或等于所述码长差值阈值则将当前码长作为当前频谱复用组合对的最优码长，若所述Nlow与Nup的差值大于所述码长差值阈值则令Nup为Nmid，得到新的码长范围，对新的码长范围进行二分得到新的当前码长，继续进行求解；若否则令Nlow为Nmid，得到新的码长范围，对新的码长范围进行二分得到新的当前码长，继续进行求解；其中，所述预设条件为：第m条V2N链路的功率小于第一功率阈值，第k条V2V链路的功率小于第二功率阈值，且，第k条V2V链路的信噪比小于所述信噪比阈值的概率小于预设概率阈值；
功率确定单元，用于依据所述最优码长计算得到当前频谱复用组合对的最优功率分配信息。
6.根据权利要求5所述的基于车联网的通信装置，其特征在于，所述功率确定单元包括：
最优功率分配单元，用于按下式计算得到当前频谱复用组合对的最优功率分配信息：
Figure FDA0002818438180000041
Figure FDA0002818438180000042
其中，
Figure FDA0002818438180000043
为第m条V2N链路的最优功率，
Figure FDA0002818438180000044
为第一功率阈值，
Figure FDA0002818438180000045
为第k条V2V链路的最优功率，
Figure FDA0002818438180000046
为第二功率阈值，min{}表示取其中的最小元素；
Figure FDA0002818438180000047
其中，
Figure FDA0002818438180000048
σ2表示加性高斯白噪声，
Figure FDA0002818438180000049
表示第m条V2N链路的大尺度衰落分量，αk,B表示第k条V2V链路对基站产生干扰的干扰链路的大尺度衰落分量；
f(·)被定义为
Figure FDA00028184381800000410
其中，
Figure FDA00028184381800000411
表示第k条V2V链路的大尺度衰落分量，αm,k表示第m条V2N链路对第k条V2V链路产生干扰的干扰链路的大尺度衰落分量，
Figure FDA00028184381800000412
是信噪比阈值，p0表示预设概率阈值。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3中任一项所述的基于车联网的通信方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1至3任一项所述的基于车联网的通信方法。
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