路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法
2023-12-04 23:18:16
專利名稱：路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域，具體是一種車載網絡中路邊設備與車輛通信時的最佳中繼選擇方法。
背景技術：
近年來，車載網絡(vehicle network)獲得了越來越廣泛的關注，特別是智能交通系統(intelligent transport systems, ITS)。在智能交通系統中，諸如交通安全、擁塞控制、路況監控等問題可以依靠無線通信技術得到有效解決。現有的研究一般是基於有路邊設備(infrastructure)的情況，路邊設備和車輛之間的通信(Infrastructure-to-Vehicle, I2V) 一般使用專用短程通信技術(Dedicated Short RangeCommunications, DSRC)。在 IEEE802. Ilp 協議中，路邊設備裝有 Roadside Units (RSUs)，而車輛上裝有On-board Unit (OBU)，RSU和OBU可以通過DSRC進行通信，使用5. 9GHz工作頻段。在I2V通信中，路邊設備可以給車輛提供交通狀況、天氣查詢、文件傳輸等信息。但是一般而言，如果車輛距離路邊設備比較遠時，路邊設備將不能將數據信息成功發送到車輛。一方面是由於DSRC通信距離有限，通常小於Ikm ;另一方面是受其他路邊設備同時通信的幹擾影響。為了實現有效傳輸，可以採用中繼技術。一個路邊設備可以先將數據傳送給中繼(另一個路邊設備)，然後由中繼傳送給目的車輛。中繼技術是一種路邊設備之間的合作通信方式，通過中繼技術可以實現路邊設備與距離更遠的車輛之間通信，同時改善網絡性能。經過對現有技術的檢索發現，文獻「Energy-Efficient Cooperative Techniquesfor Infrastructure-to-Vehicle Communications，，(IEEE Trans. ITS, vol. 12, no. 3,pp. 659-668，Sept. 2011)介紹了幾種路邊設備間合作通信的方式，說明了 MMO技術和中繼技術相比傳統的多跳通信方式(Multi-hop technique)均能有效減少能耗和提高網絡性能。其中中繼技術相比MMO技術更容易實現，而且一般只考慮單個中繼的情況。源節點和中繼節點均是路邊設備，所有通信方式均是無線形式。源節點與中繼節點是路邊設備之間的通信(Infrastructure-to-Infrastructure, 121),而源節點與車輛、中繼節點與車輛是路邊設備與車輛間的通信(Infrastructure-to-Vehicle, I2V)。雖然文獻中說明了可以利用中繼技術來提高能量效率這一網絡性能，但是文獻中沒有提供具體如何選擇中繼的方法，也沒有提供實施中繼技術的詳細過程。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基於軌跡預測和傳輸容量最大化的中繼選擇方案。本發明的場景是在一個區域大小固定的車載網絡中，若干車輛在道路上行駛，同時有若干靜止的路邊設備安裝在道路兩邊。路邊設備可以和車輛進行通信，並且希望將儘可能多的數據信息發送給所在網絡中的車輛，即提高整個網絡的容量。每輛車上都裝有一個GPS導航系統，可以知道自己的位置和速度信息。同時，每輛車每隔一定時間廣播其位置和速度信息。路邊設備根據車輛上報的信息預測其未來的軌跡，然後以最大化鏈路傳輸容量為目標選擇最佳的中繼。利用本發明的方案，可以在一定信令開銷的基礎上，有效提聞網絡容量。根據本發明的一個方面，提供一種路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法，包括以下步驟步驟一每輛車輛周期性地更新位置和速度信息並廣播通知所有路邊設備，在每個更新間隔中，可以完成整數次I2V通信；步驟二 源路邊設備根據收集的關於目的車輛的位置和速度信息，預測目的車輛未來的軌跡，路邊設備在每次I2V通信開始時，判斷目的車輛最有可能出現的位置；步驟三源路邊設備在每次I2V通信開始時，根據預測的軌跡信息，即目的車輛的 最有可能出現位置，以及收集到的其他I-R-V通信鏈路信息，判斷所有空閒中繼路邊設備是否滿足最小信幹噪比條件；如果滿足，則是有效中繼節點，再計算這條I-R-V通信鏈路的傳輸容量；步驟四選擇能最大化鏈路傳輸容量的中繼作為最佳中繼節點，如果這一最大鏈路傳輸容量大於源路邊設備與目的車輛直接通信時的鏈路傳輸容量或者源路邊設備不能直接將數據成功發送到目的車輛，則確定這個中繼即是此次通信的最佳中繼，通過此中繼進行數據傳輸；否則，若源路邊設備和目的車輛可以直接通信，且直接通信時的鏈路傳輸容量比使用最佳中繼時的鏈路傳輸容量大，則源路邊設備與目的車輛直接通信，而不利用中繼節點；步驟五根據所述步驟四，源路邊設備或者選擇最佳中繼進行數據傳輸，即首先將數據傳輸到中繼，然後中繼將數據傳輸到目的車輛；或者選擇直接與目的車輛通信。具體地，本發明的一個優選例是通過以下技術方案實現的步驟一時間時隙化，每個時隙為單位時間，設置更新時間Tupdate和每個輪次通信
時間T12v的關係，其中Tupdate是Y12v的正整數P倍，即滿足= P，式中P為正整數。
M2V
在每一次更新間隔[nTupdate，(n+1)Tupdate)中，可以完成p個輪次通信，其時間關係圖如圖2所示。所述的車輛更新時間Tupdate是指車輛每隔Tupdate廣播一次位置和速度信息，取經驗值，實際情況根據系統需求而改變。所述的完成一次I2V通信的時間T12v是指源路邊設備每隔T12v時間重新做一次決定，確定最佳中繼。一般而言，T12v= α+β。若果源路邊設備與目的車輛通過中繼通信，則α表示源路邊設備與中繼的通信時間，β表示中繼與目的車輛的通信時間。如果源路邊設備與目的車輛直接通信，則α+β全部用於源路邊設備與目的車輛通信。所述的源路邊設備是指最開始發送數據的路邊設備。所述的中繼是指將來自源路邊設備的數據轉發給目的車輛的路邊設備。所述的目的車輛是指數據最終到達的車輛。步驟二 源路邊設備根據收集的關於目的車輛的位置和速度信息，預測目的車輛未來的軌跡。
步驟三路邊設備根據預測的軌跡信息以及收集到的其他I-R-V通信鏈路信息，判斷是否滿足最小信幹噪比條件，如果滿足則計算選擇不同中繼時的鏈路傳輸容量，然後選擇能最大化鏈路傳輸容量的中繼，這個中繼即是此次通信的最佳中繼。
所述的I-R-V通信鏈路是指包括源路邊設備(Infrastructure)和選擇的中繼(Relay)，以及目的車輛(Vehicle)的通信鏈路。所述的最小信幹噪比條件是指成功傳輸數據時，接收端的最小信幹噪比。當接收端的信幹噪比小於最小信幹噪比時，所發數據將不能被接收端成功接收。所述的其他I-R-V通信鏈路是指同一時刻可以有多個源路邊設備與目的車輛進行通信，因而有多條I-R-V通信鏈路，這些同時存在的I-R-V通信鏈路會相互產生幹擾,需要通過合適的方法來控制幹擾在一定範圍內。如果幹擾超過一定範圍，即超過最小信幹噪比條件，則不能成功傳輸數據。所述的鏈路傳輸容量(Link Transport Capacity)是指Ibit數據從源路邊設備發送到中繼的比特距離(bit-meter)以及Ibit數據從中繼發送到目的車輛的比特距離之和或者Ibit數據直接從源路邊設備發送到目的車輛的比特距離，可以表示為Cikv = R1ClJR2Cl2,或者C12v = R3d3,其中Cikv是I-R-V鏈路的鏈路傳輸容量，R1是源路邊設備到中繼的數據傳輸速率，Cl1是源路邊設備到中繼的距離，R2是中繼到目的車輛的數據傳輸速率，(12是中繼到目的車輛的距離。C12v是源路邊設備與目的車輛直接通信時的鏈路傳輸容量，R3是源路邊設備到目的車輛的數據傳輸速率，d3是源路邊設備到目的車輛的距離。步驟四選擇好最佳中繼後，若使用此最佳中繼時的鏈路傳輸容量比源路邊設備和目的車輛直接通信時的鏈路傳輸容量大或者源路邊設備不能直接將數據成功發送到目的車輛，則源路邊設備首先將數據傳輸到中繼，傳輸時間為α，然後中繼將數據傳輸到目的車輛，傳輸時間為β。否則，若源路邊設備和目的車輛可以直接通信，且直接通信時的鏈路傳輸容量比使用最佳中繼時的鏈路傳輸容量大，則源路邊設備直接與目的車輛進行通信，通信時間為α + β。與現有技術相比，本發明的方法具有如下優勢利用了車輛的速度和位置信息來預測車輛未來的軌跡，現在越來越多的車輛裝有GPS系統，可以充分利用GPS系統提供的速度和位置信息來協助完成通信任務。同時，提供一種選擇最佳中繼的方法，選擇的準則是最大化鏈路傳輸容量。利用這種選擇方法，可以有效提高整個網絡的傳輸容量，從而改善網絡性能。
圖I是本發明實施例的場景圖。圖2是一條I-R-V鏈路示意圖。圖3是車輛更新時間與完成一次I2V通信的時間的關係示意圖。圖4是本發明的最佳中繼選擇流程圖。圖5是實施例效果示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。 如圖I所示，本實施例中考慮一個固定區域大小的車載網絡，其中包含若干的行駛車輛以及靜止的路邊設備。源路邊設備將數據傳送給車輛，如果距離太遠可以通過選擇一個其他的路邊設備作為中繼，先將數據傳輸給中繼節點，再由中繼節點將數據傳輸到目的車輛。如圖I中的源路邊設備Ii與目的車輛Vk相距較遠，數據傳輸時車輛Vk不能成功接收，故可選擇另一個路邊設備Ij作為中繼。Ii可以成功傳輸數據給Ij，同樣Ij可以成功傳輸數據給vk。這樣Ii就可以將數據成功傳輸到目的車輛vk。在某一通信時刻，可用的中繼節點可能有多個，需要一個準則來衡量中繼節點的好壞，從而可以確定最佳的中繼節點。在本發明的優選例中，選擇鏈路傳輸容量作為衡量標準，鏈路傳輸容量體現了單位時間內，網絡中數據量的傳輸距離。鏈路傳輸容量越大，說明網絡性能越好。而本發明的方案就是選擇最佳中繼以使鏈路傳輸容量最大。具體步驟如下步驟一設置更新時間Tupdate和每個輪次通信時間T12v的關係，其中Tupdate是T12v
T
的正整數P倍，即滿足= P，式中P為正整數。在每一次更新間隔[nTupdate，(n+1)
M2V
Tupdate)中，可以完成P個輪次通信，其時間關係圖如圖2所示。所述的輪次是指一次I2V通信的過程，每一個輪次的通信時間為T12v = α + β。如果源路邊設備與目的車輛通過中繼通信，則α表示源路邊設備與中繼的通信時間，β表示中繼與目的車輛的通信時間。如果源路邊設備與目的車輛直接通信，則α+β全部用於源路邊設備與目的車輛通信。步驟二 每隔時間Tupdate,目的車輛Vk上報其位置和速度信息。其中在I1Tupdate時刻上報的位置信息是水平方向位置和垂直方向位置XyvMTupdate)。在HTupdate時刻上報的速度信息是水平方向速度M(nTupdaJ和垂直方向速度N (nTUpdate) ο步驟三在t時刻，按照所述步驟二車輛Vk上報的速度信息，確定隨機變量U(t-nTupdate)的概率密度函數400。所述的隨機變量U(t-nTupdate)是指從nTupdate時刻開始到t時刻為止車輛Vk的水平方向運動距離，因每個時隙是單位時間，故U(t-nTupdaJ是從nTupdate時刻開始到t時刻為止每個時隙的水平方向速度之和，即U(t-nTupdate) = M(nTupdate)+M(nTupdate+l)+...+M(t-1)，其中t _ T1Q^qHT2(Xq)所述的fu(x)是隨機變量U(t_nTupdaJ的概率密度函數，可以表述為fu(x)=蓋L+Γ G(f)e-ifxdf,其中G(f)= p(f)T(f)t_nTuPdatel,p(f) = (Peleif,Pe2ei2f,…，Pemeimf)，T(f)=
權利要求
1.一種路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟一每輛車輛周期性地更新位置和速度信息並廣播通知所有路邊設備，在每個更新間隔中，可以完成整數次I2V通信； 步驟二 源路邊設備根據收集的關於目的車輛的位置和速度信息，預測目的車輛未來的軌跡，路邊設備在每次I2V通信開始時，判斷目的車輛的最有可能出現位置； 步驟三源路邊設備在每次I2V通信開始時，根據預測的軌跡信息，以及收集到的其他I-R-V通信鏈路信息，判斷所有空閒中繼路邊設備是否滿足最小信幹噪比條件；如果滿足，則是有效中繼節點，再計算這條I-R-V通信鏈路的傳輸容量； 步驟四選擇能最大化鏈路傳輸容量的中繼作為最佳中繼節點，如果這一最大鏈路傳輸容量大於源路邊設備與目的車輛直接通信時的鏈路傳輸容量或者源路邊設備不能直接將數據成功發送到目的車輛，則通過此最佳中繼進行數據傳輸；否則，若源路邊設備和目的車輛可以直接通信，且直接通信時的鏈路傳輸容量比使用最佳中繼時的鏈路傳輸容量大，則源路邊設備與目的車輛直接通信，而不利用中繼節點； 步驟五根據所述步驟四，源路邊設備或者選擇最佳中繼進行數據傳輸，即首先將數據傳輸到中繼，然後中繼將數據傳輸到目的車輛；或者選擇直接與目的車輛通信。
2.根據權利要求I所述的路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法，其特徵在於，所述的I2V通信是指路邊設備作為源節點將數據發送到目的車輛，其中可以通過利用其它路邊設備作為中繼轉發數據。
3.根據權利要求I或2所述的路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法，其特徵在於，所述的鏈路傳輸容量是指Ibit數據從源路邊設備發送到中繼的比特距離以及Ibit數據從中繼發送到目的車輛的比特距離之和或者Ibit數據從源路邊設備直接發送到目的車輛的比特距離。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法，其特徵在於，所述的其他I-R-V通信鏈路信息主要用於確定還有哪些路邊設備是空閒節點，還用於計算出中繼接收端和目的車輛接收端的信幹噪比。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法，其特徵在於，所述的源路邊設備不能直接將數據成功發送到目的車輛是指源路邊設備與目的車輛直接通信時，目的車輛的接收機端的信幹噪比不滿足最小信幹噪比條件，即比最小信幹噪比小。
6.根據權利要求I至5中任一項所述的路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法，其特徵在於，所述的最小信幹噪比條件是使得數據能夠成功傳輸時的最小信幹噪比。
全文摘要
本發明提供一種路邊設備與車輛通信中的最佳中繼選擇方法，基於車載網中的車輛更新的位置和速度信息來預測未來軌跡，根據預測的未來軌跡選擇一個其他的路邊設備來作為最佳中繼節點，源路邊設備首先將數據發送給中繼節點，然後由中繼節點將數據發送到目的車輛。在中繼節點的幫助下，源路邊設備可以和距離更遠的目的車輛進行通信，因此本發明有效提高了網絡的傳輸容量，從而改善網絡性能。
文檔編號H04W4/02GK102625237SQ20121006216
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月9日 優先權日2012年3月9日
發明者俞暉, 應凱, 李御益, 程鵬, 鄧磊 申請人:上海交通大學