基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法，主要解決現(xiàn)有方法中在十字路口車輛密集的情況下僅通過速率控制無法實現(xiàn)擁塞控制的問題以及信道利用率低的問題。其實現(xiàn)步驟是：每輛車以檢測間隔T不斷地檢測本地信道負載L；根據(jù)所檢測到的本地信道負載L，每輛車在其檢測間隔結束時估計下一個檢測間隔的總目標信道負載LO；將十字路口的車輛分為第一小組A和第二小組B，每個小組選擇一個代表車輛參加非合作兩階段討價還價博弈，使得下一個檢測間隔的信道負載不超過總目標信道負載LO；每輛車根據(jù)非合作討價還價博弈的結果分布式地調(diào)整周期性安全信息的發(fā)送功率p和速率r。本發(fā)明能有效地控制信道擁塞，提高了信道帶寬的利用率。
【專利說明】基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于通信【技術領域】，主要涉及車輛自組織網(wǎng)絡中安全信息的擁塞控制方法，可用于交叉路口安全信息的擁塞控制。
【背景技術】
[0002]當今社會，道路交通問題越來越引起人們的關注。將車載自組織網(wǎng)絡應用于智能交通系統(tǒng)可以更好的幫助駕駛員提高行駛的安全性。在車載自組織網(wǎng)絡中，車輛間通過交換安全消息使車輛能夠熟悉周圍車輛的行駛狀態(tài)以及突發(fā)的緊急情況，以確保安全信息可靠、高效地傳輸。其中安全信息分為周期性的安全信息和事件驅動型這兩類安全信息。但由于無線信道容量的限制，在車輛密度很大的情況下，僅僅是周期性的安全信息就很容易使信道產(chǎn)生擁塞，一旦發(fā)生這種狀況，就必然會影響到安全信息的有效接收，從而可能導致車輛的行駛安全受到威脅，因此安全信息的擁塞控制問題就顯得尤為關鍵。當前IEEE802.1lp工作組正致力于適用于車輛通信的標準化工作，在該標準中擁塞控制的唯一方法是一旦檢測到信道占用率高于50%，則除了具有最高優(yōu)先級的信息之外，其他信息禁止接入信道，但是該機制具有以下幾點局限性:第一，并不能解決由周期性安全信息所造成的信道擁塞。第二，減少了周期性安全信息接入信道的機會，從而降低了車輛之間的相互感知程度，對道路安全造成威脅。第三，由于事件驅動型安全信息比較少，所以預留的信道帶寬在大多數(shù)情況下不能被充分的利用。
[0003]Yunpeng Zang等通過操作MAC傳輸隊列從而控制數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生速度以實現(xiàn)擁塞控制，主要介紹了兩種方法，第一種方法是隊列凍結，即一旦檢測到事件驅動型的安全信息，除了具有最高優(yōu)先級的安全隊列，所有隊列將會被強制凍結；第二種方法是自適應QoS,即采用動態(tài)的競爭窗口 CW以控制數(shù)據(jù)包的傳輸速率，當信道的利用率超過95%時除了事件驅動型信息所有的隊列將被凍結，當信道的利用率為70%或者更高時，競爭窗口 CW加倍，當信道的利用率低于30%時將競爭窗口 CW減半直到達到競爭窗口 CW的最小值。這兩種方法存在的問題是，信道利用率在實際中很難測量。
[0004]為解決上述問題Michele Drigo 等提出了 DRCV (distributed rate control forVANETs)算法，該算法由3部分組成:信道檢測，負載預測，行動。信道檢測以分布式的方式進行，即每個車輛周期性地檢測本地信道負載，在每個檢測間隔結束時，基于本檢測間隔的信道負載估計下一個檢測間隔的信道負載，行動是由每個車輛執(zhí)行的。該DRCV算法通過以下兩個步驟實現(xiàn)發(fā)送速率控制:1)每個車輛根據(jù)有無事件驅動型安全信息動態(tài)地設置自己發(fā)送的以及其所有鄰居發(fā)送的周期信息的總目標信道負載。2)為了滿足步驟I)中所設置的總目標信道負載每個車輛控制其所發(fā)送的周期型安全信息的速率。在該方法中每個車輛不斷地檢測本地信道負載。這種方法由于僅僅根據(jù)有無事件驅動型安全信息來調(diào)整車輛的總目標信道負載值，因而有一定的局限性，不利于信道帶寬的充分利用，此外在車輛十分密集的情況下，車輛的移動非常緩慢，即車輛狀態(tài)變化慢，則周期性安全信息的更新頻率不需要太快，因此僅通過減少周期性安全信息的產(chǎn)生速度，以減小周期性安全信息的更新頻率來降低信道負載的方法是不可行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提出一種基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法，以減少信道負載，提高信道帶寬的利用率。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案包括如下步驟:
[0007](I)信道檢測:每輛車以檢測間隔T不斷地檢測本地信道負載L ;
[0008](2)負載估計:根據(jù)所檢測到的本地信道負載L，每輛車在其檢測間隔結束時估計下一個檢測間隔的總目標信道負載Ltj ；
[0009](3)利用非合作兩階段討價還價博弈進行擁塞控制:
[0010]3.1)將十字路口的車輛根據(jù)其所處的地理位置分為A和B兩組；
[0011]3.2)第一小組A選擇一個代表車輛Ra，第二小組B選擇一個代表車輛Rb，同時參與討價還價博弈；
[0012]3.3)設置第一博弈參與者Ra和第二博弈參與者Rb的戰(zhàn)略空間均為:{S =[Pmin) Pmax] X [Rmin, RmaJ }，其中Pmin是車輛發(fā)送周期性安全信息的最小功率，Pmax是車輛發(fā)送周期性安全信息的最大功率，Rmin是車輛發(fā)送周期性安全信息的最小速率，Rmax是車輛發(fā)送周期性安全信息的最大速率；
[0013]3.4)第一博弈參與者Ra和第二博弈參與者Rb進行兩階段討價還價博弈，使得下一個檢測間隔的信道負載不超過總目標信道負載Ltj ；
[0014]3.5)按照逆向分析法求解所述兩階段討價還價博弈，得到其納什均衡解(K，r；, )，其中K是第一博弈參與者Ra發(fā)送周期性安全信息的最優(yōu)功率，是第一博弈參與者Ra發(fā)送周期性安全信息的最優(yōu)功率P是第二博弈參與者Rb發(fā)送周期性安全信息的最優(yōu)功率，< 是第二博弈參與者Rb發(fā)送周期性安全信息的最優(yōu)功率；
[0015]3.6)第一博弈參與者Ra發(fā)送廣播信息將其最優(yōu)功率K和最優(yōu)速率告知第一小組A中的所有車輛，第一小組A中的所有車輛均按照最優(yōu)功率K和最優(yōu)速率設置周期性安全信息的發(fā)送功率和速率；第二博弈參與者Rb發(fā)送廣播信息將其最優(yōu)功率K和最優(yōu)速率<告知第二小組B中的所有車輛，第二小組B中的所有車輛均按照最優(yōu)功率K和最優(yōu)速率<設置其周期性安全信息的發(fā)送功率和速率；
[0016](4)發(fā)送恢復:未收到博弈參與者發(fā)送廣播信息的車輛，向該組的博弈參與者發(fā)送恢復請求信息，以獲得最優(yōu)發(fā)送功率和速率發(fā)送周期性安全信息。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0018]I)本發(fā)明由于采用了聯(lián)合功率和速率調(diào)整的擁塞控制方法，克服了現(xiàn)有技術中在十字路口車輛密集的情況下僅通過速率控制無法實現(xiàn)擁塞控制的問題，能有效地進行擁塞控制，從而提高了周期性安全信息成功接收的概率，保證了車輛的行駛安全。
[0019]2)本發(fā)明由于采用了動態(tài)的總目標信道負載計算方法，即每輛車根據(jù)所檢測到的信道負載動態(tài)地調(diào)整下一個檢測間隔的總目標信道負載，克服了現(xiàn)有技術中僅根據(jù)有無事件驅動型安全信息來調(diào)整車輛的總目標信道負載值所導致的信道帶寬利用率下降問題，有效的提高了信道帶寬的利用率。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0020]圖1為本發(fā)明的總流程圖；
[0021]圖2為本發(fā)明中的信道負載估計子流程圖；
[0022]圖3為本發(fā)明中的擁塞控制的子流程圖；
[0023]圖4為本發(fā)明中十字路口車輛分組示意圖；
[0024]圖5為本發(fā)明中兩階段討價還價博弈的博弈樹。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。
[0026]參照圖1，本發(fā)明基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法的實現(xiàn)步驟如下:
[0027]步驟I，信道檢測。
[0028]每輛車以檢測間隔T不斷地檢測本地信道負載L，其中本地信道負載L是指節(jié)點監(jiān)聽范圍內(nèi)的信道負載，在本發(fā)明中用平均信道忙的時間來衡量本地信道負載L，其計算公式如下:
【權利要求】
1.一種基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法，包括如下步驟: (1)信道檢測:每輛車以檢測間隔T不斷地檢測本地信道負載L； (2)負載估計:根據(jù)所檢測到的本地信道負載L，每輛車在其檢測間隔結束時估計下一個檢測間隔的總目標信道負載Ltj ； (3)利用非合作兩階段討價還價博弈進行擁塞控制: .3.1)將十字路口的車輛根據(jù)其所處的地理位置分為A和B兩組； .3.2)第一小組A選擇一個代表車輛Ra，第二小組B選擇一個代表車輛Rb，同時參與討價還價博弈； .3.3)設置第一博弈參與者Ra和第二博弈參與者Rb的戰(zhàn)略空間均為:{S =[Pmin) Pmax] X [Rmin, RmaJ }，其中Pmin是車輛發(fā)送周期性安全信息的最小功率，Pmax是車輛發(fā)送周期性安全信息的最大功率，Rmin是車輛發(fā)送周期性安全信息的最小速率，Rmax是車輛發(fā)送周期性安全信息的最大速率； .3.4)第一博弈參與者Ra和第二博弈參與者Rb進行兩階段討價還價博弈，使得下一個檢測間隔的信道負載不超過總目標信道負載Ltj ； .3.5)按照逆向分析法求解所述兩階段討價還價博弈，得到其納什均衡解(K, p2,r；)，其中K是第一博弈參與者Ra發(fā)送周期性安全信息的最優(yōu)功率，r；是第一博弈參與者Ra發(fā)送周期性安全信息的最優(yōu)功率，P:是第二博弈參與者Rb發(fā)送周期性安全信息的最優(yōu)功率K是第二博弈參與者Rb發(fā)送周期性安全信息的最優(yōu)功率； .3.6)第一博弈參與者Ra發(fā)送廣播信息將其最優(yōu)功率K和最優(yōu)速率告知第一小組A中的所有車輛，第一小組A中的所有車輛均按照最優(yōu)功率K和最優(yōu)速率設置周期性安全信息的發(fā)送功率和速率；第二博弈參與者Rb發(fā)送廣播信息將其最優(yōu)功率K和最優(yōu)速率<告知第二小組B中的所有車輛，第二小組B中的所有車輛均按照最優(yōu)功率K和最優(yōu)速率r24設置其周期性安全信息的發(fā)送功率和速率； (4)發(fā)送恢復:未收到博弈參與者發(fā)送廣播信息的車輛，向該組的博弈參與者發(fā)送恢復請求信息，以獲得最優(yōu)發(fā)送功率和速率發(fā)送周期性安全信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法，其特征在于步驟(1)所述的本地信道負載L，是指節(jié)點監(jiān)聽范圍內(nèi)的信道負載，其計算公式如下: 其中，C是常數(shù)，在十字路口場景下C取值為10，P是周期性安全信息的發(fā)送功率，η是路徑損耗因子，r是周期性安全信息的傳輸速率，τ是周期性安全信息的大小，P是車輛的山/又ο
3.根據(jù)權利要求1中所述的基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法，其特征在于步驟(2)所述的每輛車在其檢測間隔結束時估計下一個檢測間隔的總目標信道負載Ltj，包括如下步驟: .2.0設置由周期性安全信息所產(chǎn)生的最大和最小信道負載分別為:Thmax，Thfflin ；. 2.2)設置信道可承受的最大和最小負載分別為:Lmax，Lfflin ；. 2.3)計算第j輛車在第i個檢測間隔內(nèi)所檢測到的信道負載 中Pu是第j輛車在第i個檢測間隔內(nèi)發(fā)送周期性安全信息的功率，ru是第j輛車在第i個檢測間隔內(nèi)發(fā)送周期性安全信息的速率，i = 1，2，3，....，j = `1，2，3，....； .2.4)在第i個檢測間隔結束時，計算第j輛車在第i+Ι個檢測間隔內(nèi)的總目標信道負載LO:
4.根據(jù)權利要求1中所述的基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法，其特征在于步驟3.1)所述的將十字路口的車輛根據(jù)其所處的地理位置分為A和B兩組，是用用數(shù)字地圖將道路先分成不同的區(qū)域，每個區(qū)域用唯一的數(shù)字進行標識；再將進入十字路口虛擬圓周內(nèi)的車輛，按照其所處區(qū)域分為第一小組A和第二小組B。
5.根據(jù)權利要求1中所述的基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法，其特征在于步驟3.2)所述的第一小組A選擇一個代表車輛Ra，第二小組B選擇一個代表車輛Rb，是將小組內(nèi)最先進入十字路口虛擬圓周內(nèi)的車輛選為代表車輛。
6.根據(jù)權利要求1中所述的基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法，其特征在于步驟3.4)中所述的第一博弈參與者Ra和第二博弈參與者Rb進行兩階段討價還價博弈，使得下一個檢測間隔的信道負載不超過總目標信道負載Ltj，包括如下步驟: .3.4.1)在討價還價博弈的第一階段，由第一博弈參與者Ra先行動，且選擇策略S1 ={Pl，rj e S，分別計算第一博弈參與者Ra所獲得的效用Ua1和第二博弈參與者Rb所獲得的效用Ub1:
7.根據(jù)權利要求1中所述的基于聯(lián)合功率和速率調(diào)整的車輛自組織網(wǎng)絡擁塞控制方法，其特征在于步驟3.5)所述的按照逆向分析法求解所述兩階段討價還價博弈，包括如下步驟: .3.5.1)以任意向量(Ptl, br' 0)初始化向量序列)，其中，序列號k = 1，Po e [Pmin, Ρ_]，4，r' Q e [Rfflin, RfflaJ，Pfflin是車輛發(fā)送周期性安全信息的最小功率，Pfflax是車輛發(fā)送周期性安全信息的最大功率，Rmin是車輛發(fā)送周期性安全信息的最小速率，Rmax是車輛發(fā)送周期性安全信息的 最大速率； .3.5.2)利用逆向分析法計算第一博弈參與者Ra的功率pf: 率Rmax,即若rik > Rfflax,則令rik = Rfflax ；.3.5.3b)分別更新第二博弈參與者Rb發(fā)送周期性安全信息的速率和功率，即M = pt ' ,?2 = rtl ;.3.5.4)設置任意小的正數(shù)ε的取值為10_7，將Ir1kI1HI與ε進行比較，如果Ir1kT115-1 ^ ε，則停止迭代，向量序列即為納什均衡解仏^!?;)，否則，返回步驟3.5.2)，根據(jù)更新后的向量序列計算第一博弈參與者Ra周期性安全信息的發(fā)送功率pk1。
【文檔編號】H04W52/24GK103491571SQ201310477468
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月13日 優(yōu)先權日:2013年10月13日
【發(fā)明者】陳晨, 韋曉露, 孫燦頂, 裴慶琪 申請人:西安電子科技大學