一種車聯網中車輛與路側單元通信的功率分配方法與流程
2023-06-10 21:28:06 2
本發明涉及車聯網技術領域，具體是一種車聯網中車輛與路側單元通信的功率分配方法。
背景技術：
為滿足人們對車載信息資源的迫切需求，車聯網技術通過車與車、v2r(vehicle-to-roadsideunit，車與路側單元)的通信能夠滿足上述應用需求。然而，v2r通信時鏈路之間幹擾大，且存在路徑損耗、陰影衰落等因素，導致v2r通信鏈路不穩定、系統吞吐量低等問題，影響了車載信息系統的應用部署和發展。
針對上述問題，本發明提出了一種v2r通信功率分配策略，該方法可減小各通信鏈路之間的幹擾，有利於提升系統吞吐量性能。因此，研究一種車聯網中路側單元與車輛通信的功率分配方法具有重要實際意義。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術中的存在的問題，本發明提出一種車聯網中車輛與路側單元通信的功率分配方法，rsu(roadsideunit，當路側單元)與各車輛通信時，通過博弈的方法實現rsu發射功率的合理分配來降低v2r通信鏈路之間的幹擾，提高通信鏈路的信幹噪比，進而提高整個通信系統的吞吐量。
實現本發明目的的技術方案是：
一種車聯網中車輛與路側單元通信的功率分配方法，具體包括如下步驟：
1)構建由rsu、車輛組成的系統模型：在每輛車裝上配有信號接收與發送裝置，簡稱obu(onboardunit，車載單元)；rsu具有多個電臺，每個電臺採用波束成形技術實現在各自的信道上進行通信，支持與多輛車同時通信；rsu採用專用短距離無線通信方式與obu進行通信，且通過有線或無線接入網際網路；
2)建立功率分配博弈模型：為了使得各車輛與rsu通信的功率達到均衡，通過建立功率分配博弈模型，提高步驟1)中建立的系統模型中vk(vk為車輛)的吞吐量，博弈模型以vk為參與者，rsu與vk通信的發射功率pk為策略空間，vk的效用函數被看作是收到的報酬，映射到vk的信幹噪比，模型中引入價格函數，作為對其他車輛幹擾的花費，形成帶有警告的效用函數，vk帶有價格函數的效用函數uk的表達式為：
uk＝sinrk-sk(1)
上述公式(1)中，sk是價格函數，sinrk是vk與rsu通信時鏈路的信幹噪比，
價格函數sk的表達式為：
上述公式(2)中，θ為其他車輛幹擾的價格因子，pk為rsu與vk通信的發射功率，hk為rsu到車輛vk的複合信道，包括路徑損耗與陰影衰落；
vk的吞吐量ck表示為：
ck＝log2(1+sinrk)(3)
根據上述vk帶有價格函數的效用函數，在一些限制條件下構建整個系統的非合作博弈功率分配的總效用函數u，表達式為：
上述公式(4)中，sk是價格函數，sinrk是vk與rsu通信時鏈路的信幹噪比，pk為vk的發射功率；
3)利用納什均衡存在性定理來分析與判斷步驟2)中的非合作博弈功率分配的總效用函數是否存在納什均衡，如果構建的博弈模型存在納什均衡，則執行步驟4)；否則建立的此模型是無效的，不能達到功率分配的最佳方案,修改步驟2)中車輛vk的效用函數，並重新執行步驟2)，建立新的博弈模型；
4)對步驟3)中的非合作博弈功率分配的總效用函數求一階導數，使一階導數為零，即進而求出rsu與車輛vk通信的發射功率pk的表達式為：
5)根據步驟4)中求出的pk進一步求出步驟2)中的sinrk、uk、u；
6)對步驟4)與步驟5)使用迭代算法，當系統總效用函數u趨於收斂，表明博弈到達納什均衡，系統已經獲得最優化的功率分配方案，則執行步驟7)，否則，繼續執行步驟6)；
7)結合步驟5)中計算出的sinrk，利用vk的吞吐量ck表達式計算出系統吞吐量c，其中系統吞吐量c表達式為：
經過上述所有步驟，實現了車聯網中車輛與路側單元通信中功率的合理分配。
所述步驟1)中，obu是指在rsu的覆蓋範圍內的所有obu，且同時從rsu下載資源；vk接收信號可以表達為：
上述公式(7)中，hk是rsu到車輛vk的複合信道，包括路徑損耗與陰影衰落；pk是rsu與vk通信的發射功率，xk是rsu發送給車輛vk的信息；nk是加性高斯白噪聲，其均值為0，方差為
所述步驟2)中，對功率進行優化前，還需獲取車輛在通信中得到的信幹噪比(sinr)，表達式為：
上述公式(8)中，hk是rsu到車輛vk的複合信道，包括路徑損耗與陰影衰落，pk是rsu與vk通信的發射功率。
所述的步驟2)中，非合作博弈功率分配的總效用函數滿足的條件為：
上述(9)式中，pmax為rsu的最大發射功率，ymin為車輛的信幹噪比門限；公式(9)中第一項為rsu與所有車輛通信的發射功率總和不大於rsu最大的發射功率；第二項為每輛車的信幹噪比不低於額定的信幹噪比。
本發明的有益效果為：提出的車聯網中v2r通信中的功率分配方法，具有減小通信鏈路中的幹擾，提升系統的吞吐量的優點。
附圖說明
圖1為本發明工作流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明，但不是對本發明限定。
實施例：
一種車聯網中車輛與路側單元通信的功率分配方法，如圖1所示，具體包括如下步驟：
1)s101：構建由rsu、車輛組成的系統模型，其中每輛車都裝配有obu，rsu支持與多輛車同時通信。rsu與obu採用專用短距離無線通信方式進行通信，rsu通過有線或無線與網際網路連接獲得網絡資源。rsu具有多個電臺，同時擁有多信道用於同時信息收發。rsu同時與多個車輛同時通信方法採用波束成形技術，減少各個信道間的幹擾，使rsu具有多接收與多發送功能。假設當車輛v1,v2,v3…vk都已進入rsu的覆蓋範圍，且同時從rsu下載資源。
車輛vk接收信號可以表達為：
上述公式(7)中，是rsu到車輛vk的複合信道，sk＝(dk/d0)-α10(μ/10)相當於從rsu到vk之間的小規模衰落，包括路徑損耗與陰影衰落，陰影衰落符合獨立的標準差為σ的對數正態隨機分布，dk是rsu到vk之間的距離，d0是參考距離，α是路徑損耗因子，μ是平均值為σ2的正態分布的隨機變量，h'k是rsu到vk的信道係數，服從均值為0，方差為1的瑞利分布，pk是rsu與車輛vk通信的發射功率，xk是rsu發送給車輛vk的信息，nk是均值為0，方差為的加性高斯白噪聲。
車輛vk的信幹噪比表達式為：
車輛vk的吞吐量表示為：
ck＝log2(1+sinrk)(3)
由於車輛之間的競爭是車聯網的固有屬性，且每輛車都具有自私的特點，因此車輛會選擇使本車獲利最大的rsu發射功率，而忽略了對其他車輛的幹擾，導致車輛之間的幹擾增大，進而使得整個系統的吞吐量減小。
2)s102：建立功率分配博弈模型，為了降低rsu與多輛車同時通信時因競爭帶來的通信幹擾，本發明採用博弈論來對此功率優化問題進行分析，獲得最優的功率分配方案，以得到最優的系統的吞吐量；
在此博弈過程中，參與者是車輛，策略空間是rsu與車輛vk通信的發射功率pk，車輛vk的效用函數為其所獲得的收益，為了提高博弈的有效性，且功率分配更加合理，本發明引入了價格函數，作為對其他車輛幹擾的花費，形成帶有警告的效用函數，車輛vk帶有價格函數的效用函數表達式為：
uk＝sinrk-sk(1)
其中是價格函數，θ是其他車輛幹擾的價格因子，hk為車輛vk與rsu的信道增益，由於系統通過分配功率使最大化車輛總效用函數，進而使得系統吞吐量最優，因此系統的非合作博弈功率分配的總效用函數u，表達式為：
非合作博弈功率分配的總效用函數滿足條件為：
其中pmax為rsu的最大發射功率，ymin為車輛的信幹噪比門限，目標函數中第一項為rsu與所有車輛通信的發射功率總和不能大於rsu最大的發射功率；第二項為每輛車的信幹噪比不能低於額定的信幹噪比。車輛在滿足上述兩個條件下，通過迭代功率分配算法來得到最優的發射功率進行通信，可使效用函數達到最大化。
3)s103：利用納什均衡存在性定理來分析與判斷2)中的非合作博弈功率分配的總效用函數是否存在納什均衡，如果構建的博弈模型存在納什均衡，則執行步驟4)；否則建立的此模型是無效的，不能達到功率分配的最佳方案,修改步驟2)中車輛vk的效用函數，並重新執行步驟2)，重新建立博弈模型；
4)s104：對步驟3)s103中的非合作博弈功率分配的總效用函數求一階導數，使一階導數為零，即進而求出rsu與車輛vk通信的發射功率pk的表達式為：
5)s105：根據pk求出步驟2)s102中的sinrk、uk、u；
6)s106：對步驟4)s104與步驟5)s105使用迭代算法，若該求得功率不滿足限制條件，則進入下一次迭代過程，功率減半，直到兩次迭代求得的功率差小於設定閾值，並達到收斂，則得到最優分配功率，進而根據pk進而求得車輛vk的sinrk及效用函數uk，得到最優的效用函數，系統獲得最優化的功率分配方案，此時系統效用達到最大化，則執行步驟7)s107，否則，繼續執行步驟6)s106；
7)s107：結合步驟5)s105中計算出的sinrk，利用系統吞吐量表達式計算出系統吞吐量，其中系統吞吐量表達式為：
經過上述步驟，實現了車聯網中車輛與路側單元通信中功率的合理分配。