CN114245345B - 面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体涉及车联网系统通信技术领域，公开了一种面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法及系统，所述面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法包括：基站获取覆盖范围内的车‑车链路的信道状态信息和车‑基站链路的信道状态信息；车‑车通信链路和车‑基站链路进行一对一配对来使用相同的频谱资源；对车‑车链路构建概率形式的可靠性约束；根据信道不确定性信息的分布，将概率形式的可靠性约束转化成可求解的分式形式约束；将车‑车链路和车‑基站链路的约束条件进行联立，得出功率控制问题可行的条件后，求出车‑车链路和车‑基站链路的最优发射功率。本发明能够明显提高车联网系统中通信链路的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及车联网系统通信技术领域，尤其涉及一种面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法及系统。
背景技术
目前，车联网通信系统中包括车-基站链路和车-车链路。车联网通信系统中的车辆节点具有高移动性，因此车联网中的无线信道状态变化迅速。由于车-基站链路的信道状态信息能够直接反馈到基站，因此系统能够准确获得它的信道状态信息。但是车-车链路信道状态信息需要经过多跳才能反馈到基站，因此车-车信道状态信息的反馈具有一定的时间延迟。信道状态的反馈时延通常会导致发射机很难获得准确的信道状态信息。由于不确定信道状态信息的影响，传统的功率控制方法做出的功率控制结果往往很难满足理论设计要求，再加上车联网通信系统对通信链路的可靠性有着极高的要求，因此面向不可靠信道状态信息的功率控制就变的非常重要。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)由于车-车链路信道状态信息需要经过多跳才能反馈到基站，因此车-车信道状态信息的反馈具有一定的时间延迟。
(2)信道状态的反馈时延通常导致发射机很难获得准确的信道状态信息。
(3)由于不确定信道状态信息的影响，传统的功率控制方法做出的功率控制结果往往很难满足理论设计要求。
解决以上问题及缺陷的难度为：车联网系统中，通常情况下基站只能够准确的获取链路的大时间尺度信道状态信息，这将导致一个含有积分的优化问题。积分优化的求解需要较长时间的算法迭代，这样得出的功率控制解难以满足车联网中的时延要求。
解决以上问题及缺陷的意义为：解决以上问题后，能够为车联网系统提供一个具有低时延和高可靠特性的功率控制方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法及系统，旨在解决高速运动车联网环境下满足车联网高可靠通信需求的功率控制问题。
本发明是这样实现的，一种面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法，所述面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法包括：
基站对覆盖范围内的车-车链路的信道状态信息和车-基站链路的信道状态信息进行采样；车-车通信链路和车-基站链路进行一对一的配对来使用相同的频谱资源；由于车-车链路的信道状态信息的不确定性，对车-车链路构建一个概率形式的可靠性约束；根据信道不确定性信息的分布，将概率形式的可靠性约束转化成一个可求解的分式形式约束；通过将车-车链路和车-基站链路的约束条件进行联立，得出功率控制问题可行的条件后，求出车-车链路和车-基站链路上的最优发射功率。
进一步，所述面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法包括以下步骤：
步骤一，初始化网络参数，包括初始化各链路上面的发射功率，以及获取各链路上的信道状态信息；
步骤二，将概率形式的车-车链路服务质量约束转化为可计算的分式形式；
步骤三，计算车-基站链路的服务质量约束条件和分式形式的车-车链路服务质量约束的交点；
步骤四，根据交点在功率可行域的位置判断这个频谱复用对是否可行，若可行，则继续求解，若不可行，则进行标记后结束算法；
步骤五，计算车-基站链路和车-车链路发射功率，得到最优资源分配方案；
步骤六，计算车-基站链路的传输速率，将此配对情况下车-基站链路的速率设置为Rc＝-∞，并输出车基站链路和车-车链路的发射功率以及传输速率。
进一步，步骤一中，所述初始化网络参数，包括：
(1)用pc和pd分别表示车-基站链路和车-车链路上面的发射功率；
(2)用gd＝αd|hd|2、gc＝αc|hc|2、gcd＝αcd|hcd|2、gB＝αB|hB|2来表示车-车链路、车-基站链路、车-车之间干扰链路以及车-基站之间干扰链路的信道增益。
进一步，步骤二中，所述将概率形式的车-车链路服务质量约束转化为可计算的分式形式，包括：
将车-车链路的约束条件表示为：
其中，ε量化信道相关性的系数，σ2是噪声功率，和/>是估计的小尺度信道增益，ed和ecd是服从高斯分布的估计信道误差；
将车-车链路的约束转化成一个分式形式：
其中，
进一步，步骤三中，所述计算车-基站链路的服务质量约束条件和分式形式的车-车链路服务质量约束的交点，包括：
通过以下公式计算分式形式的车-车链路约束条件与车-基站链路约束条件的交点A的坐标/>
进一步，步骤四中，所述根据交点在功率可行域的位置判断所述频谱复用对是否可行，包括判断交点A的坐标是否在功率可行域，包括：
若交点A的坐标在功率可行域范围内，则频谱复用对可行，并计算车-基站链路和车-车链路的发射功率和/>否则，则将配对情况下的车-基站链路的速率设置为Rc＝-∞；其中，所述判断交点A的坐标是否在功率可行域，包括：
其中，和/>分别为小区用户和车间链路的最大发射功率。
进一步，步骤五中，所述计算车-基站链路和车-车链路的发射功率和/>得到最优资源分配方案，包括：
其中，B是频谱宽度；
且和/>
步骤六中，所述计算车-基站链路的传输速率，包括：
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制系统，所述面向不完美信道状态信息的车联网功率控制系统包括：
网络参数初始化模块，用于初始化各链路上面的发射功率，以及获取各链路上的信道状态信息；
约束转化模块，用于将概率形式的车-车链路服务质量约束转化为可计算的分式形式；
约束交点计算模块，用于计算车-基站链路的服务质量约束条件和分式形式的车-车链路服务质量约束的交点；
可行性判断模块，用于根据交点在功率可行域的位置判断这个频谱复用对是否可行，若可行，则继续求解，若不可行，则进行标记后结束算法；
发射功率计算模块，用于计算车-基站链路和车-车链路发射功率，得到最优资源分配方案；
传输速率计算模块，用于计算车-基站链路的传输速率；
输出模块，用于将此配对情况下车-基站链路的速率设置为Rc＝-∞，并输出车基站链路和车-车链路的发射功率以及传输速率。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
基站对覆盖范围内的车-车链路的信道状态信息和车-基站链路的信道状态信息进行采样；车-车通信链路和车-基站链路进行一对一的配对来使用相同的频谱资源；由于车-车链路的信道状态信息的不确定性，对车-车链路构建一个概率形式的可靠性约束；根据信道不确定性信息的分布，将概率形式的可靠性约束转化成一个可求解的分式形式约束；通过将车-车链路和车-基站链路的约束条件进行联立，得出功率控制问题可行的条件后，求出车-车链路和车-基站链路上的最优发射功率。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法，用于解决高速运动车联网环境下满足车联网高可靠通信需求的功率控制问题。同时，本发明解决了高动态情况下的车联网系统中的功率控制问题，并且本发明能够明显提高车联网系统中通信链路的可靠性。
本发明面向不确定的信道状态信息，克服了现有功率控制技术中得到的功率控制解难以满足车-车链路的可靠性约束的缺点，使得本发明具有了在实际车联网系统中部署的意义。
本发明中的功率控制解只需要进行几次简单的数学计算就可以得到。传统的功率控制策略都需要调用一个迭代算法进行多次迭代来确定最优解。与之相比，本算法在车联网中部署以后能够更快速的找出最优功率控制，从而实现对网络状态的快速响应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅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是本发明实施例提供的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法原理图。
图3是本发明实施例提供的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制系统结构框图；
图中：1、网络参数初始化模块；2、约束转化模块；3、约束交点计算模块；4、可行性判断模块；5、发射功率计算模块；6、传输速率计算模块；7、输出模块。
图4是本发明实施例提供的应用场景示意图。
图5是本发明实施例提供的功率可行域范围示意图。
图6是本发明实施例提供的功率控制策略获得的SINR以很大的概率大于1示意图。
图7是本发明实施例提供的V2I链路的吞吐量和行车速率之间的关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法包括以下步骤：
S101，初始化网络参数，包括初始化各链路上面的发射功率，以及获取各链路上的信道状态信息；
S102，将概率形式的车-车链路服务质量约束转化为可计算的分式形式；
S103，计算车-基站链路的服务质量约束条件和分式形式的车-车链路服务质量约束的交点；
S104，根据交点在功率可行域的位置判断这个频谱复用对是否可行，若可行，则继续求解，若不可行，则进行标记后结束算法；
S105，计算车-基站链路和车-车链路发射功率，得到最优资源分配方案；
S106，计算车-基站链路的传输速率，将此配对情况下车-基站链路的速率设置为Rc＝-∞，并输出车基站链路和车-车链路的发射功率以及传输速率。
本发明实施例提供的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法原理图如图2所示。
如图3所示，本发明实施例提供的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制系统包括：
网络参数初始化模块1，用于初始化各链路上面的发射功率，以及获取各链路上的信道状态信息；
约束转化模块2，用于将概率形式的车-车链路服务质量约束转化为可计算的分式形式；
约束交点计算模块3，用于计算车-基站链路的服务质量约束条件和分式形式的车-车链路服务质量约束的交点；
可行性判断模块4，用于根据交点在功率可行域的位置判断这个频谱复用对是否可行，若可行，则继续求解，若不可行，则进行标记后结束算法；
发射功率计算模块5，用于计算车-基站链路和车-车链路发射功率，得到最优资源分配方案；
传输速率计算模块6，用于计算车-基站链路的传输速率；
输出模块7，用于将此配对情况下车-基站链路的速率设置为Rc＝-∞，并输出车基站链路和车-车链路的发射功率以及传输速率。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本实例从一个车联网出发，来说明本发明的实施过程。
参照图4，本实例使用的车联网包含有一个车-车(V2V)链路，一个车-基站链路(V2I)。车-车链路通过复用车-基站链路的频谱资源实现通信。一个车-车链路只能接入一个车-基站链路的频谱资源，并且一个车-基站链路的频谱资源只能被一个车-车链路来复用。本方案中车-基站(V2I)链路的信道衰落模型为128.1+37log10d[km]，车-车(V2V)链路的衰落模型为WINNER+B1，车-车链路(V2I)和车-基站链路(V2V)的SINR需求设置为和
参照图5，本发明的实现步骤如下：
步骤1，初始化步骤
1a)用pc和pd分别表示车-基站链路和车-车链路上面的发射功率；
1b)用gd＝αd|hd|2、gc＝αc|hc|2、gcd＝αcd|hcd|2、gB＝αB|hB|2来表示车-车链路，车-基站链路、车-车之间干扰链路、车-基站之间干扰链路的信道增益；
受益于基站的信道估计能力，和基站相连的链路信道增益gc和gB能够被准备的获取；对于车-车链路的信道增益gd和gcd，其大尺度衰落αd和αcd通常和车辆的位置相关。一般情况下可以认为车辆位置在一个较短时间内是不变的，因此大尺度衰落αd和αcd能够被基站准备获取。相反，由于多普勒效应和CSI反馈延迟的影响，小尺度衰落hd和hcd不可避免地存在不确定性。不确定的小尺度衰落可以表示为：
其中ε量化信道相关性的系数，是估计的小尺度信道增益，ed是服从高斯分布的估计信道误差。车-基站链路通常用来支持多媒体等娱乐业务，而车-车链路通常用来支持车辆之间的安全类业务，因此他们的服务质量约束可以表示为：
步骤二，车-车链路的约束条件转化；
将车-车链路的约束条件表示为：
其中和Υc＝pcαcd(1-ε2)，X＝|ed|2和Y＝|ecd|2是服从指数分布的随机变量。则概率约束可以重写为：
其中，
令FX(·)表示变量X的累积分布函数。则通过Jensen’s不等式，可以得到：
由于车-车链路约束可以表示为outage≤FX(E[Ψ])≤τ，则可以求得：
指数分布函数的反函数为则车-车链路的约束条件最终可以转化为：
其中和/>
步骤三，计算分式形式的车间链路约束条件与小区用户约束条件的交点A的坐标
步骤四，判断交点A的坐标是否在功率可行域范围内：
其中和/>分别为车-基站链路和车-车链路的最大发射功率；若是，则跳转到(5)，否则跳转到(7)。
步骤五，计算车-基站链路和车-车链路的发射功率和/>
小区用户的容量为：
当pd固定时，Rc是pc的增函数。另外，当pc固定时，Rc是pd的减函数。图5中，Lc为车-基站链路约束条件，Ld为车-车链路约束条件。因此，最优的功率分配解一定在边界线Ld上。根据边界线Ld与功率可行域的交点情况可以得知，最优的功率分配只可能是交点B，D和F。通过计算B，D和F的坐标，最优的功率分配解可以表示为：
其中，
并且和/>
步骤六，计算车-基站链路的传输速率为：
步骤七，将此配对情况下的车-基站链路的速率设置为Rc＝-∞。
步骤八，输出车-基站链路和车-车链路的发射功率以及传输速率。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
仿真中，随机信道功率控制方案忽略了信道的不确定性，只根据当前收集到的信道状态信息做出功率控制决策。在基于大尺度CSI的功率控制方案，基站只根据当前时刻的大时间尺度CSI做出功率控制决策。从图6可以看出，本发明的功率控制策略获得的SINR以很大的概率大于1。通过和另外两个策略的对比能够发现，本发明的策略能够明显的提高V2V链路的完成概率。图7展示了V2I链路的吞吐量和行车速率之间的关系。受到多普勒频移的影响，行车速率越高，信道的不确定性越大。因此，V2I链路的吞吐量也就越小。但是从图7可以看出，在任何行车速率下，本发明的策略都能够获得更高的V2I链路吞吐量。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid StateDisk(SSD))等。
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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法，其特征在于，所述面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法包括：基站获取覆盖范围内的车-车链路的信道状态信息和车-基站链路的信道状态信息；车-车通信链路和车-基站链路进行一对一的配对来使用相同的频谱资源；由于车-车链路的信道状态信息的不确定性，对车-车链路构建一个概率形式的可靠性约束；根据信道不确定性信息的分布，将概率形式的可靠性约束转化成一个可求解的分式形式约束；通过将车-车链路和车-基站链路的约束条件进行联立，得出功率控制问题可行的条件后，求出车-车链路和车-基站链路上的最优发射功率；
所述面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法包括以下步骤：
步骤一，初始化网络参数，包括初始化各链路上面的发射功率，以及获取各链路上的信道状态信息；
步骤二，将概率形式的车-车链路服务质量约束转化为可计算的分式形式；
步骤三，计算车-基站链路的服务质量约束条件和分式形式的车-车链路服务质量约束的交点；
步骤四，根据交点在功率可行域的位置判断这个频谱复用对是否可行，若可行，则继续求解，若不可行，则进行标记后结束算法；
步骤五，计算车-基站链路和车-车链路发射功率，得到最优资源分配方案；
步骤六，计算车-基站链路的传输速率，将此配对情况下车-基站链路的速率设置为Rc＝-∞，并输出车基站链路和车-车链路的发射功率以及传输速率；
步骤一中，所述初始化网络参数，包括：
(1)用pc和pd分别表示车-基站链路和车-车链路上面的发射功率；
(2)用gd＝αd|hd|2、gc＝αc|hc|2、gcd＝αcd|hcd|2、gB＝αB|hB|2来表示车-车链路、车-基站链路、车-车之间干扰链路以及车-基站之间干扰链路的信道增益；
步骤二中，所述将概率形式的车-车链路服务质量约束转化为可计算的分式形式，包括：
将车-车链路的约束条件表示为：
其中，ε量化信道相关性的系数，σ2是噪声功率，和/>是估计的小尺度信道增益，ed和ecd是服从高斯分布的估计信道误差，/>是车-车链路的SINR需求；
将车-车链路的约束转化成一个分式形式：
其中，
2.如权利要求1所述的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法，其特征在于，步骤三中，所述计算车-基站链路的服务质量约束条件和分式形式的车-车链路服务质量约束的交点，包括：
通过以下公式计算分式形式的车-车链路约束条件与车-基站链路约束条件的交点A的坐标/>
3.如权利要求1所述的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法，其特征在于，步骤四中，所述根据交点在功率可行域的位置判断所述频谱复用对是否可行，包括判断交点A的坐标是否在功率可行域，包括：
若交点A的坐标在功率可行域范围内，则频谱复用对可行，并计算车-基站链路和车-车链路的发射功率和/>否则，则将配对情况下的车-基站链路的速率设置为Rc＝-∞；其中，所述判断交点A的坐标是否在功率可行域，包括：
其中，和/>分别为小区用户和车间链路的最大发射功率。
4.如权利要求1所述的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法，其特征在于，步骤五中，所述计算车-基站链路和车-车链路的发射功率和/>得到最优资源分配方案，包括：
其中，B是频谱宽度；
且和/>
步骤六中，所述计算车-基站链路的传输速率，包括：
5.一种实施权利要求1所述的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制系统，其特征在于，所述面向不完美信道状态信息的车联网功率控制系统包括：
网络参数初始化模块，用于初始化各链路上面的发射功率，以及获取各链路上的信道状态信息；
约束转化模块，用于将概率形式的车-车链路服务质量约束转化为可计算的分式形式；
约束交点计算模块，用于计算车-基站链路的服务质量约束条件和分式形式的车-车链路服务质量约束的交点；
可行性判断模块，用于根据交点在功率可行域的位置判断这个频谱复用对是否可行，若可行，则继续求解，若不可行，则进行标记后结束算法；
发射功率计算模块，用于计算车-基站链路和车-车链路发射功率，得到最优资源分配方案；
传输速率计算模块，用于计算车-基站链路的传输速率；
输出模块，用于将此配对情况下车-基站链路的速率设置为Rc＝-∞，并输出车基站链路和车-车链路的发射功率以及传输速率。
6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1所述的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制方法的步骤：
基站获取覆盖范围内的车-车链路的信道状态信息和车-基站链路的信道状态信息；车-车通信链路和车-基站链路进行一对一的配对来使用相同的频谱资源；由于车-车链路的信道状态信息的不确定性，对车-车链路构建一个概率形式的可靠性约束；根据信道不确定性信息的分布，将概率形式的可靠性约束转化成一个可求解的分式形式约束；通过将车-车链路和车-基站链路的约束条件进行联立，得出功率控制问题可行的条件后，求出车-车链路和车-基站链路上的最优发射功率。
7.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求5所述的面向不完美信道状态信息的车联网功率控制系统。
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