本發(fā)明屬于車聯(lián)網(wǎng)通信，具體涉及一種基于noma和多優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的c-v2x信息年齡優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步，智能交通系統(tǒng)的發(fā)展?jié)M足了用戶所需求的一系列車載應(yīng)用，如自動(dòng)導(dǎo)航、碰撞警告和多媒體娛樂等等。由于車輛具有高速移動(dòng)的特性，車輛用戶通過請求可以獲得所需要的數(shù)據(jù)等內(nèi)容的過程就需要保證及時(shí)性。傳統(tǒng)的請求方式是用戶首先與基站通信，然后通過接入核心骨干網(wǎng)來訪問存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心才會(huì)將請求的數(shù)據(jù)回傳。但是這種方式存在端到端延時(shí)長、回傳帶寬受限等問題。c-v2x提出了一種名為pc5的接口，用于自動(dòng)駕駛車輛之間的通信。pc5提供兩種資源分配方法，模式3中車輛從基站請求時(shí)域和頻域的傳輸資源，然后基站使用半持久和動(dòng)態(tài)調(diào)度方法分配資源；模式4中車輛不通過蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，自主進(jìn)行資源選擇。相比之下，模式4不僅不存在覆蓋范圍有限的缺點(diǎn)，而且基站與車輛之間的交互也很少，這就解決了過多延遲和開銷的問題。

2、在模式4中，車輛自動(dòng)選擇通信資源的方式是被稱為sps的基于分布式傳感的半持久資源調(diào)度協(xié)議。半持久體現(xiàn)在車輛可以選擇幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化消息間隔(例如，10hz、20hz或50hz)中的一個(gè)，但是這增加了具有相同消息傳輸間隔的車輛占用相同資源從而發(fā)生碰撞的可能性，這會(huì)導(dǎo)致塊錯(cuò)誤率的升高。noma是c-v2x通信的一種潛在的解決方案，這是一種很有前途的提高頻譜效率和處理大規(guī)模車輛通信的技術(shù)，可以用來緩解由于車輛高密度造成的延遲和包接收概率方面的性能下降。串行干擾消除目前是一種著名的用于提取重疊信號(hào)的多用戶檢測技術(shù)，可以利用接收到占用同一資源的多個(gè)用戶信號(hào)的不同功率強(qiáng)度進(jìn)行解碼。且大功率的信號(hào)在解碼后不再作為其他小功率信號(hào)的干擾，從而提高小功率信號(hào)的sinr減少由碰撞導(dǎo)致的傳輸失敗、降低塊錯(cuò)誤率。

3、在現(xiàn)有的工程和3gpp標(biāo)準(zhǔn)中也經(jīng)常使用可靠性和傳輸延遲來評估車輛通信的性能，然而這兩個(gè)指標(biāo)是此消彼長的，即可以以增加延遲為代價(jià)來提高可靠性性能。因此有必要尋找一個(gè)新的度量標(biāo)準(zhǔn)來綜合反映可靠性和延遲的性能，比如aoi，較低的平均aoi可以反映具有相同可靠性的較低延遲或具有相同延遲的較高可靠性。接收端接收到的數(shù)據(jù)包描述的是發(fā)射端在產(chǎn)包時(shí)刻的信息，所以需要考慮到數(shù)據(jù)包排隊(duì)過程。數(shù)據(jù)包在隊(duì)列中產(chǎn)生的aoi受到受產(chǎn)包率和服務(wù)率的影響，在cv2x中的服務(wù)率取決于rri。然而相同的rri，發(fā)射端aoi經(jīng)歷很短的排隊(duì)時(shí)間的同時(shí)碰撞概率比較大，導(dǎo)致接收端aoi可能很大。

4、在c-v2x場景中一般包含四種消息類型，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)(high-priority?data，hpd)、去中心化環(huán)境通知消息(decentralized?environmental?notification?message，denm)、協(xié)同感知消息(cooperative?awareness?message，cam)和其他高密度數(shù)據(jù)(miscellaneous?high-density?data，mhd)四種數(shù)據(jù)包類型。多種數(shù)據(jù)包處在一個(gè)隊(duì)列當(dāng)中，則關(guān)鍵數(shù)據(jù)包的aoi會(huì)受到其他數(shù)據(jù)包的影響。此外，在c-v2x中較小的選擇窗口(selection?window，sw)中可用資源較少，隨著車輛數(shù)量的增加可能導(dǎo)致資源的重復(fù)占用。rri通常等于sw，因此它不僅影響排隊(duì)過程中的aoi，而且影響aoi在傳輸過程的變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了減少關(guān)鍵數(shù)據(jù)包aoi在排隊(duì)過程受到的影響以及傳輸過程受到的影響，提出一種基于noma(non-orthogonal?multiple?access，非正交多址接入)和多優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的c-v2x信息年齡優(yōu)化方法，從而分別從排隊(duì)過程和傳輸過程優(yōu)化aoi，在優(yōu)化c-v2x系統(tǒng)中的aoi方面得到了有效的提高。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于noma和多優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的c-v2x信息年齡優(yōu)化方法，包括：

4、(1)多優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包隊(duì)列設(shè)計(jì)：為c-v2x系統(tǒng)中的四種數(shù)據(jù)包建立多優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，根據(jù)數(shù)據(jù)包的緊急程度將其分配到不同優(yōu)先級(jí)的fifo隊(duì)列中；從而使得在車輛擁有傳輸機(jī)會(huì)時(shí)能夠直接將緊急程度較高的消息進(jìn)行傳輸，以減少其時(shí)延；

5、(2)aoi評估模型：構(gòu)建一個(gè)評估模型來綜合考慮多消息隊(duì)列排隊(duì)過程和傳輸過程對aoi的影響，包括數(shù)據(jù)包生成速率、傳輸延遲和成功率因素；

6、(3)noma資源分配策略：實(shí)現(xiàn)noma的資源分配機(jī)制，通過共享頻譜和功率分配來降低資源碰撞，優(yōu)化數(shù)據(jù)包傳輸?shù)某晒β省?/p>

7、進(jìn)一步地，所述步驟(1)隊(duì)列設(shè)計(jì)具體步驟為：c-v2x的模式4包含了hpd、denm、cam和mhd四種消息類型，它們的優(yōu)先級(jí)為hpd>denm>cam>mhd；其中cam的新包產(chǎn)生概率為1/tc，tc為cam固定產(chǎn)包周期；hpd、denm、mhd的新包產(chǎn)生概率用泊松分布來表示：

8、

9、其中n∈[hpd,denm,mhd]，表示車輛i在t時(shí)刻n種數(shù)據(jù)包類型新數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生概率，λn表示各類型數(shù)據(jù)包的一定時(shí)間段內(nèi)的產(chǎn)生次數(shù)，是一個(gè)歸一化常數(shù)，用來確保所有可能事件數(shù)的概率和為1；

10、它們的隊(duì)列容量都是l，隊(duì)列長度為q；當(dāng)隊(duì)列滿足q<l時(shí)才可以加入對應(yīng)的新包，且共享同一個(gè)離開隊(duì)列的傳輸機(jī)會(huì)；傳輸機(jī)會(huì)指的是車輛可以使用預(yù)定資源的時(shí)候，定義為t，此時(shí)車輛會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)來傳輸各隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包；當(dāng)高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列q不為0時(shí)對應(yīng)的傳輸動(dòng)作s取1，其他較低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列對應(yīng)的s取0；只有高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的q為0時(shí)下一優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的s才可以取1；s為1時(shí)表示該隊(duì)列的數(shù)據(jù)包可以被傳輸,否則不可以被傳輸，所以多優(yōu)先級(jí)隊(duì)列傳輸動(dòng)作s的表達(dá)式為：

11、

12、其中表示hdp隊(duì)列在時(shí)刻t的傳輸機(jī)會(huì)，表示cam隊(duì)列的傳輸機(jī)會(huì),表示hdp隊(duì)列在時(shí)刻t是否有數(shù)據(jù)包，表示cam隊(duì)列是否有數(shù)據(jù)包；當(dāng)所有隊(duì)列的q都為0時(shí)則表示沒有數(shù)據(jù)包可以傳輸，此時(shí)所有隊(duì)列的s都為0。

13、進(jìn)一步地，所述步驟(2)aoi評估模型具體實(shí)施步驟為：數(shù)據(jù)包在排隊(duì)時(shí)每過一個(gè)子幀都會(huì)增長，離開隊(duì)列則不再增長，所以各隊(duì)列中各消息的aoi表達(dá)式為：

14、

15、其中n包含了四個(gè)隊(duì)列，b∈[1,q-1]代表數(shù)據(jù)包在隊(duì)列中的位置，為t時(shí)刻車輛i隊(duì)列n中位置b的消息的aoi，為t時(shí)刻車輛i隊(duì)列n中的數(shù)據(jù)包是否可以被傳輸；

16、通信過程中累計(jì)的aoi看作是接收端和發(fā)射端之間完成傳輸花費(fèi)的時(shí)間，所以各接收端j對于發(fā)射端i的aoi表達(dá)式為：

17、

18、其中為t時(shí)刻車輛j對于車輛i的aoi，表示車輛i成功將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絡(luò)，而則表示接收失敗。

19、進(jìn)一步地，所述步驟(3)noma資源分配具體實(shí)施步驟為：如果接收端在一個(gè)資源最多只接收到一個(gè)信號(hào)，則在t時(shí)刻車輛之間的信噪比為：

20、

21、是車輛i在t時(shí)刻的發(fā)射功率，是車i到j(luò)之間在資源n上通信的信道增益，σ2是噪聲能量；但是由于c-v2x的半雙工資源選擇方案，車輛在選擇資源時(shí)可能會(huì)選擇到同一個(gè)資源塊，當(dāng)它們使用同一個(gè)資源傳輸就會(huì)導(dǎo)致碰撞的發(fā)生，此時(shí)的無線信息傳輸速率定義為：

22、

23、其中m是c-v2x場景內(nèi)除了i之外的其他車輛，代表干擾車輛，是它們的傳輸能量；可以看出，當(dāng)多個(gè)車輛使用同一資源時(shí)使傳輸速率降低，當(dāng)傳輸速率過低時(shí)會(huì)導(dǎo)致傳輸失?。灰虼艘牖诖懈蓴_消除的noma以應(yīng)對該情況；接收端將接收的多個(gè)信號(hào)按照接收功率的大小來排序，首先將最大接收功率的信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)、其他信號(hào)作為干擾，對解碼后將其去除；然后循環(huán)執(zhí)行該操作直到計(jì)算所有信號(hào)的sinr，令為接收功率弱于車輛i的車輛組，k為除了所有車輛n中除i之外的車輛編號(hào)，則車輛i處的sinr為：

24、

25、可以看出，在發(fā)生碰撞時(shí)使用noma可以減少目標(biāo)信號(hào)受到的干擾從而增大sinr，降低了sinr低于閾值導(dǎo)致傳輸失敗的可能性。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

27、通過noma減少了c-v2x系統(tǒng)中消息的aoi在傳輸過程受到的影響，通過多優(yōu)先級(jí)隊(duì)列減少了高優(yōu)先級(jí)消息的aoi在排隊(duì)過程受到的影響,在優(yōu)化c-v2x系統(tǒng)中的aoi方面得到了有效的提高。