本發(fā)明涉及無線通信技術(shù),具體涉及一種適用于車聯(lián)網(wǎng)的基于信道預(yù)測的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方法,可通過對信道信息的預(yù)測有效提高車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)吞吐率,降低數(shù)據(jù)傳輸時延,同時保證較低的計算復(fù)雜度和通信代價。
背景技術(shù):
車聯(lián)網(wǎng)可以滿足道路交通系統(tǒng)中日益增長的對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求,廣泛運用于路況檢測、事故預(yù)警等應(yīng)用之中。它允許車輛與其它車輛或者路邊中心單元(road-sideunit)直接進行通信,從而節(jié)約了蜂窩通信帶來的高昂通信成本以及較高的時延。車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸存在車輛運動速度快、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化迅速、通信范圍小等問題,在實際應(yīng)用中需要結(jié)合高效合理的調(diào)度方法。
數(shù)據(jù)分發(fā)(datadissemination)技術(shù)允許車輛之間不經(jīng)過基站而共享信息,可以有效解決車-路連接時間過短而造成的通信中斷,提高數(shù)據(jù)傳輸效率。數(shù)據(jù)分發(fā)的調(diào)度方法可以分為中心式和分布式兩種模式。在中心式數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中,控制服務(wù)器(controlserver,cs)負責(zé)對系統(tǒng)中節(jié)點的通信行為進行統(tǒng)一調(diào)度,其功能包括收集其覆蓋范圍內(nèi)車輛節(jié)點的狀態(tài)信息、為節(jié)點分配時間和頻率資源等。由于控制服務(wù)器強大的計算能力以及對完整網(wǎng)絡(luò)信息的充分掌控,這類方案通常獲得較好的網(wǎng)絡(luò)性能,并可有效降低節(jié)點之間的通信碰撞概率(collisionprobability)。相比之下,在分布式數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中,節(jié)點的通信行為只能根據(jù)對整個網(wǎng)絡(luò)的部分認知,使用既定策略獲得局部最優(yōu)解,性能相較于中心式方案有所不足。
盡管可以獲得較高的系統(tǒng)性能,但現(xiàn)有傳統(tǒng)的中心式數(shù)據(jù)分發(fā)方案需要車輛實時上傳完整的包括大尺度衰落和小尺度衰落的信道信息,顯著增加了系統(tǒng)的通信代價。而且由于車輛的高速運動以及信道的快速變化,小尺度衰落信息極易過時而影響資源調(diào)度的效率。由于在車聯(lián)網(wǎng)中車輛通常是固定同一方向行駛,因而運動模式較為穩(wěn)定。因此,本發(fā)明針對大尺度衰落的信道進行預(yù)測,在降低通信代價的前提下獲得較為準確的信道信息,提高系統(tǒng)的時延和吞吐率性能。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明提供一種適用于車聯(lián)網(wǎng)的基于信道預(yù)測的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方法,該方法是一種基于信道預(yù)測技術(shù)的資源分配方案,可以應(yīng)用于多種車聯(lián)網(wǎng)通信場景,如數(shù)據(jù)分發(fā),多跳傳輸,文件下載和共享等。例如,在擁有車輛和路邊中心單元的中心式數(shù)據(jù)分發(fā)的場景下,本方法可以通過合理分配時間資源,提升系統(tǒng)吞吐率,降低數(shù)據(jù)的傳輸時延。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:
基于信道預(yù)測的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方法,該方法通過對大尺度衰落的信道進行預(yù)測,在降低通信代價的前提下獲得較為準確的信道信息,選擇最有效的車輛節(jié)點作為中繼節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),從而實現(xiàn)最大的通信效益,降低數(shù)據(jù)傳輸時延,提高系統(tǒng)吞吐率性能;包括如下步驟:
s1)中心控制節(jié)點周期性的收集區(qū)域內(nèi)車輛當(dāng)前的位置、速度等信息;
s2)選擇合適的信道預(yù)測算法,根據(jù)收集存儲的車輛信息和車聯(lián)網(wǎng)大尺度信道衰落模型,預(yù)測出車輛通信鏈路在一段時間內(nèi)的大尺度信道狀態(tài)信息;
s3)基于預(yù)測得到的信道狀態(tài)信息,計算衡量鏈路或網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的指標,如鏈路sinr(signaltointerferenceplusnoiseratio,信號與干擾加噪聲比),網(wǎng)絡(luò)吞吐率等;
s4)根據(jù)計算得到的鏈路或網(wǎng)絡(luò)性能指標,對一段時間內(nèi)的車輛通信需求進行傳輸調(diào)度,從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。
本發(fā)明方法可以應(yīng)用于多種車聯(lián)網(wǎng)通信場景,如數(shù)據(jù)分發(fā)、多跳傳輸、文件下載和共享等。在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)場景中,具體地,基于信道預(yù)測的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方法包括以下步驟:
1)根據(jù)收集到的車輛狀態(tài)信息,使用信道預(yù)測算法,預(yù)測車輛與路邊中心單元以及車輛間的大尺度信道信息;具體地,輸入車輛狀態(tài)信息,進行處理,輸出當(dāng)前及未來一段時間的車輛與路邊中心單元以及車輛間的大尺度信道信息;包括如下步驟:
1a)根據(jù)收集到的車輛位置和運動信息,使用信道預(yù)測算法(如最小二乘、遞歸最小二乘等),預(yù)測得出當(dāng)前以及未來一段時間內(nèi)對應(yīng)車輛的位置信息;
1b)根據(jù)預(yù)測得到的車輛位置信息和路邊中心單元的位置信息,通過將兩者做差得到未來一段時間內(nèi)各個潛在通信鏈路的通信距離信息;
1c)根據(jù)應(yīng)用場景,選擇合適的車載通信鏈路大尺度信道模型,得出對應(yīng)通信鏈路的大尺度信道信息預(yù)測結(jié)果;
不同場景的大尺度信道模型不同,使用時需要根據(jù)具體場景選擇不同車載通信鏈路大尺度信道模型。廣泛使用的模型包括okumura模型,hata模型,longley-rice模型等。在hata模型中,大尺度衰落的值l=69.55+26.161gf-13.821ght-α(hr)+(44.9-6.551ghb)1gd,其中f為載波頻率,ht為發(fā)射天線高度,hr為接收天線高度,d為發(fā)射機和接收機之間的距離。α(hr)為接收機修正因子,在城市中α(hr)=(1.11gf-0.7)hr-(1.561gf+0.8),在郊區(qū)中α(hr)=(1.11gf-0.7)hr-(1.561gf+4.6)-2[1g(f/28)]2。
本發(fā)明采用信道預(yù)測算法,對采集到的車輛速度
2)根據(jù)預(yù)測得到的大尺度信道信息,計算得到潛在通信鏈路的信噪比(snr)和通信效益;
根據(jù)預(yù)測得到的車輛與路邊中心單元以及車輛間的大尺度信道信息,計算潛在通信鏈路的信噪比和通信效益;根據(jù)預(yù)測得到的大尺度衰落信息計算鏈路的信噪比,具體地,對于從中繼rx到車輛uk的鏈路,其信噪比
其中,
其中的通信效益定義為中繼節(jié)點對車輛帶來的解包狀態(tài)的增益;中繼的通信效益指中繼節(jié)點作為中繼可以對車輛帶來的解包狀態(tài)的增益值之和。計算中繼節(jié)點對于車輛解包狀態(tài)增益的方法,具體地,當(dāng)中繼-車輛鏈路的信噪比大于特定閾值時,則解包狀態(tài)增益為1,否則為0。設(shè)置uk指第k個車輛,rx指第x個中繼節(jié)點,tr指第r個數(shù)據(jù)幀,
其中,γth表示成功傳輸?shù)男旁氡乳撝怠?/p>
基于上述計算的信噪比,則rx作為中繼的通信效益通過式4計算得到:
其中,
3)使用貪心算法選擇中繼車輛節(jié)點集合進行數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度,并更新解包狀態(tài)。
具體通過選取通信效益最高的節(jié)點集合作為中繼車輛集合來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度,包括如下步驟:
3a)建立候選中繼集合以及中繼集合;初始化候選中繼集合為系統(tǒng)中的所有路邊中心單元及車輛,初始化中繼集合為空集;
3b)從候選中繼集合中選擇通信效益最大的節(jié)點加入中繼集合,同時從候選中繼集合中刪除該節(jié)點;
3c)從候選中繼集合中刪除處于步驟3b)中選出的節(jié)點的有效通信距離之內(nèi)的節(jié)點,并刪除與步驟3b)中選出的節(jié)點的有效通信范圍存在重合的節(jié)點;
3d)返回步驟3a),直至候選中繼集合為空;
3e)更新車輛解包狀態(tài),即對于處于任意中繼節(jié)點的有效通信范圍之內(nèi)的車輛,其解包狀態(tài)更新為中繼節(jié)點對于該車輛解包狀態(tài)增益。
具體實施時,假設(shè)p為tr時刻的中繼候選集合。首先將p初始化為系統(tǒng)中的所有路邊中心單元及車輛。采用貪心算法,即每次從p中選擇具有最大效益的節(jié)點r*作為中繼,并將其加入tr時刻的中繼集合ωr,直到p是空集為止。為了避免沖突,每次選出r*時還需要將所有滿足以下條件之一的r刪除:(1)
在為數(shù)據(jù)幀tr分配中繼集合之后,為所有車輛進行解包狀態(tài)更新,即如果
上述方法步驟對大尺度衰落的信道進行預(yù)測,實現(xiàn)了基于信道預(yù)測的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度,在降低通信代價的前提下獲得較為準確的信道信息,提高系統(tǒng)的時延和吞吐率性能。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明提供了基于信道預(yù)測的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方法,對大尺度衰落的信道進行預(yù)測,在降低通信代價的前提下獲得較為準確的信道信息,提高系統(tǒng)的時延和吞吐率性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的核心是選擇最有效的車輛節(jié)點作為中繼節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)最大的通信效益;其優(yōu)點體現(xiàn)在:
(一)創(chuàng)新性地提出了在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度中,使用信道預(yù)測方法提高資源分配效率和網(wǎng)絡(luò)性能;
(二)在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)場景下,使用基于信道預(yù)測的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方案解決多用戶的資源分配問題,能夠以較低復(fù)雜度得到近似最優(yōu)的時延和吞吐率性能。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實施例提供的中心式數(shù)據(jù)分發(fā)的系統(tǒng)模型。
圖2是本發(fā)明實施例提供的中心式數(shù)據(jù)分發(fā)方案的周期示意圖。
圖3是本發(fā)明提供的基于信道預(yù)測的中心式數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方案流程圖。
圖4是本發(fā)明實施例中高速和城市兩種場景的示意圖。
圖5是本方案和其它三種方案的下載比例性能比較曲線。
圖6是本方案和其它三種方案的吞吐率性能比較曲線。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖,通過實施例進一步描述本發(fā)明,但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明提供了基于信道預(yù)測的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方法,對大尺度衰落的信道進行預(yù)測,在降低通信代價的前提下獲得較為準確的信道信息,提高系統(tǒng)的時延和吞吐率性能。
下面以數(shù)據(jù)分發(fā)應(yīng)用為例說明本方案的實施方式。數(shù)據(jù)分發(fā)在時間上周期性進行。每個數(shù)據(jù)分發(fā)周期可分為信息收集階段、中繼選擇階段、數(shù)據(jù)傳輸階段(包括r個數(shù)據(jù)幀)。本發(fā)明的基于信道預(yù)測的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方法包括如下步驟:
1)根據(jù)收集到的車輛狀態(tài)信息,使用信道預(yù)測算法,預(yù)測車輛與路邊中心單元以及車輛間的大尺度信道信息;
2)根據(jù)預(yù)測得到的大尺度信道信息,計算潛在通信鏈路的信噪比和通信效益;
3)使用貪心算法選擇中繼車輛節(jié)點集合進行數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度,并更新解包狀態(tài)。
圖1是本發(fā)明實施例提供的基于信道預(yù)測的中心式數(shù)據(jù)分發(fā)的系統(tǒng)模型。本發(fā)明實施例以圖1為應(yīng)用場景。在本實施例場景中,如圖1所示,存在車輛、路邊中心單元和控制服務(wù)器三種設(shè)備,涉及車-車、車-路兩種通信方式。系統(tǒng)中所有車輛都攜帶全球定位系統(tǒng)(globalpositioningsystem,gps)接收機,用于獲得其位置和速度信息,并將這些信息實時反饋到路邊中心單元。為了進行有效的協(xié)同數(shù)據(jù)分發(fā),路邊中心單元通過線纜與控制服務(wù)器相連,因此控制服務(wù)器可以掌握整個路段所有車輛的狀態(tài)信息,使用調(diào)度算法對車輛的通信行為做出決策,并通過路邊中心單元將決策下達給控制范圍內(nèi)的車輛。
圖2是本發(fā)明實施例提供的基于信道預(yù)測的中心式數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的周期示意圖。中心式數(shù)據(jù)分發(fā)在時間上周期性進行。每個數(shù)據(jù)分發(fā)周期可以分為信息收集階段、中繼選擇階段、數(shù)據(jù)傳輸階段(包括r個數(shù)據(jù)幀)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。各階段的具體行為包括:
1.信息收集階段(t1)
系統(tǒng)中所有車輛根據(jù)gps信息獲取當(dāng)前速度、位置信息,并向與之對應(yīng)的路邊中心單元反饋。路邊中心單元將各自獲得的車輛狀態(tài)信息反饋給控制服務(wù)器。
2.中繼選擇階段(t2)
控制服務(wù)器做出調(diào)度決策,為數(shù)據(jù)傳輸階段的數(shù)據(jù)幀選擇對應(yīng)的中繼集合。
3.數(shù)據(jù)傳輸階段(t3)
在數(shù)據(jù)傳輸階段,將中繼選擇階段中被選中的節(jié)點(包括車輛與路邊中心單元),根據(jù)被分配的數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)廣播。
現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方案多采用完整的信道信息進行調(diào)度,其中包括大尺度衰落和小尺度衰落,通信代價較大。而由于其中的小尺度衰落部分變化很快,使用小尺度衰落無法有效提升調(diào)度的合理性。因此,本發(fā)明方法只對大尺度衰落進行預(yù)測,并降低車輛向路邊中心單元反饋信道狀態(tài)信息的頻率,從而顯著減少通信代價。
本發(fā)明方法的關(guān)鍵點在于選擇最有效的車輛節(jié)點作為中繼節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)最大的通信效益。本發(fā)明提出的基于信道預(yù)測的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方案在中心式數(shù)據(jù)分發(fā)場景中的具體實現(xiàn)過程如圖3所示。其中uk指第k個車輛,rx指第x個中繼節(jié)點,tr指第r個數(shù)據(jù)幀,
1.信道預(yù)測
控制服務(wù)器采用信道預(yù)測算法,對采集到的車輛速度
2.信噪比和通信效益計算
做出中繼選擇決策之前,控制服務(wù)器需要根據(jù)預(yù)測得到的大尺度衰落信息計算鏈路的信噪比(snr)。對于從中繼rx到車輛uk的鏈路,其snr值為:
其中,
中繼的通信效益指節(jié)點作為中繼可以對車輛帶來的解包狀態(tài)的增益值之和。在tr時刻,對車輛uk和中繼rx來說,其解包狀態(tài)增益
其中,γth表示成功傳輸?shù)男旁氡乳撝??;谏弦徊接嬎愕男旁氡?,則rx作為中繼的通信效益為:
其中,
3.中繼選擇與解包狀態(tài)更新
假設(shè)p為tr時刻的中繼候選集合。首先將p初始化為系統(tǒng)中的所有路邊中心單元及車輛。采用貪心算法,即每次從p中選擇具有最大效益的節(jié)點r*作為中繼,并將其加入tr時刻的中繼集合ωr,直到p是空集為止。為了避免沖突,每次選出r*時還需要將所有滿足以下條件之一的r刪除:(1)
在為數(shù)據(jù)幀tr分配中繼集合之后,控制服務(wù)器為所有車輛進行解包狀態(tài)更新,即如果
假設(shè)車輛總數(shù)是k,信道預(yù)測算法的復(fù)雜度是f,r是每個數(shù)據(jù)分發(fā)周期的幀數(shù),s是數(shù)據(jù)包總數(shù),則該方案的復(fù)雜度是o(sk2(n+r))。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度增大,增加時,總復(fù)雜度與k成多項式關(guān)系增加,在實際應(yīng)用中十分可觀。
與其它數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方案相比,由于車輛在每個數(shù)據(jù)分發(fā)周期只上傳一次狀態(tài)信息,因而通信代價顯著降低。
圖4是本方案的仿真場景示意圖。我們采用兩種常用場景,即高速路場景和城市場景作為研究對象。高速場景由一條長度為6千米的雙向四車道高速路和三個等間距分布的路邊中心單元構(gòu)成。城市場景由的長寬均為4千米,其中包含等間距分布的三條東西走向的道路和三條南北走向的道路。此外,我們在每種場景中還研究了兩種不同的車輛密度,因而可以基于不同拓撲結(jié)構(gòu)和車輛密度對性能進行評價。
在仿真中,我們對不同場景中的下載比例和系統(tǒng)吞吐率兩個指標進行評估。其中下載比例是車輛已下載數(shù)據(jù)包占數(shù)據(jù)包總量的比例。我們采用累計分布函數(shù)將下載過程的百分比與時間建立映射。系統(tǒng)吞吐率指車-車、車-路鏈路的吞吐率總量。
仿真中,對四種方案進行比較,其中包括了采用過時信道信息進行調(diào)度的策略、本發(fā)明所述方案(預(yù)測階數(shù)為6,8,12),一種分布式數(shù)據(jù)分發(fā)策略codeon,以及采用完全準確信道信息進行調(diào)度的理想情況。在理想情況中,中繼選擇時使用的車輛位置、速度等信息與車輛的實時數(shù)據(jù)完全吻合,以驗證我們的方案和理想情況的性能對比。
圖5是本方案和其它三種方案在下載比例方面的性能比較曲線。相比不加預(yù)測的方案,本發(fā)明在所有場景中都顯著提升了下載速度。隨著預(yù)測器階數(shù)的提升,預(yù)測的準確的提高,下載速率進一步改善。當(dāng)預(yù)測器階數(shù)變大時,算法的計算復(fù)雜度也隨之上升。在實際場景中,需要權(quán)衡預(yù)測代價和系統(tǒng)性能。此外,在擁有相近的計算復(fù)雜度的背景下,本方案比例如codeon的分布式數(shù)據(jù)分發(fā)方案性能更好。與需要車輛實時反饋信道信息的中心式數(shù)據(jù)分發(fā)方案相比,本方案在保證了近似理想的性能的前提下,顯著降低了通信代價。
圖6是本方案和其它三種方案在吞吐率方面的性能比較曲線。相比于采用過時信道信息的方案,本方案在各種場景下都能有效提高系統(tǒng)吞吐率,并且性能與預(yù)測器階數(shù)呈正相關(guān)。與實施反饋的策略(如理想情況)和分布式策略(如codeon)策略相比,我們提出的方案實現(xiàn)了通信代價和系統(tǒng)性能的折中。
綜上所述,本方案實現(xiàn)了在車聯(lián)網(wǎng)中高效的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度,算法和調(diào)度復(fù)雜度較低,與其它中心式數(shù)據(jù)分發(fā)方案相比在性能相近的前提下可以顯著降低通信代價,與分布式數(shù)據(jù)分發(fā)方案相比顯著提升性能,可以廣泛應(yīng)用于包括高速和城市在內(nèi)的各種場景。
需要注意的是,公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明,但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi),各種替換和修改都是可能的。因此,本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容,本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準。