本發(fā)明涉及移動車輛雙向通信領域，特別是涉及一種車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)功率分配方法及系統(tǒng)。
背景技術：
：協(xié)作分集技術是MIMO技術的一種，它通過各單天線用戶共享形成虛擬的多天線陣列來實現(xiàn)發(fā)射或接受分集。協(xié)作分集技術最初由Laneman和Wornell提出，近幾年來，該方向的研究重點多集中于協(xié)作中的功率分配方向。如現(xiàn)有技術存在的基于Amplify-and-Forward協(xié)議，假設各協(xié)作節(jié)點是固定的且信道相互正交，以最小化中斷概率為目標，給出了該情況下的最佳功率分配方案。且也提出Amplify-and-Forward協(xié)議下協(xié)作中繼系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方案，該方案可以有效提高無線傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點的生命周期。由此可以看出，盡管本領域的現(xiàn)有的研究為數(shù)眾多，但其主題大多僅限于集中協(xié)作中固定節(jié)點的功率分配，面對集中協(xié)作中移動的發(fā)送和接收信號節(jié)點，如何實現(xiàn)最優(yōu)的功率分配，在目前現(xiàn)有技術中仍有空白。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)功率分配的方法及系統(tǒng)，它填充現(xiàn)有技術的空白，解決了集中協(xié)作中移動節(jié)點如何實現(xiàn)最優(yōu)的功率分配，進而獲得更優(yōu)的系統(tǒng)中斷性能。本發(fā)明根據(jù)協(xié)作特點建立移動車輛雙向中繼系統(tǒng)模型，聯(lián)合網(wǎng)絡編碼，研究Amplify-and-Forward協(xié)議系統(tǒng)性能，并計算選擇中繼協(xié)議下多用戶空時協(xié)作的中斷概率，得到協(xié)議其對應的表達式，利用網(wǎng)絡編碼的特性里最優(yōu)功率分配，來分析功率分配因子，獲得最優(yōu)功率分配方案。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：一種基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)功率分配的方法，包括以下步驟：在所述的搭建移動車輛雙向中繼系統(tǒng)模型101設置3個節(jié)點A、B、R點，其中A和B為移動車節(jié)點(源節(jié)點)，R為路基設備節(jié)點(中繼節(jié)點)。在所述的搭建簡單的車輛雙向中繼系統(tǒng)模型通信過程中,車輛A、B信號通過路基設備R時，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)Amplify-and-Forward協(xié)議進行重傳，通信過程分為兩個階段：階段Ⅰ，車節(jié)點A和B同時發(fā)送信號xA和xB，路基設備R的接收到信號；階段Ⅱ，路基設備R將接收的信號轉(zhuǎn)發(fā)出去，車節(jié)點A和B接收信號；在所述的搭建簡單的車輛雙向中繼系統(tǒng)模型下，通過車節(jié)點A和B接收信號，計算車節(jié)點A、B的接收信噪比。設頻譜效率為R的系統(tǒng)，在所述設頻譜效率為R的系統(tǒng)下，根據(jù)中斷概率Pout與max(ρA,R,ρB,R)相關關系，計算出中斷概率102。在所述設頻譜效率為R的系統(tǒng)下，計算通信過程中各時刻的所有最小中斷概率，確定通信過程中各時刻的所有最小中斷概率最大值103，根據(jù)所述最小中斷概率最大值，在設定信噪比較大的條件下，采用窮舉搜索的方法獲得最佳功率分配因子104。一種基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)功率分配的系統(tǒng)，包括：模型搭建單元201，中斷概率計算單202，最小中斷概率的最大值確定單元203，最佳功率分配因子計算單元204，最佳發(fā)送功率計算單元205，最佳功率發(fā)送單元206。其中，模型搭建單元201，用于搭建移動車輛雙向通信中繼系統(tǒng)模型，其在車輛雙向通信中繼系統(tǒng)模型設置3個節(jié)點A、B、P點，其中A和B為移動車節(jié)點，R為路基設備節(jié)點，路基設備節(jié)點R能獲取移動車節(jié)點A和B發(fā)送信號，移動車節(jié)點A和B能獲取路基設備節(jié)點R轉(zhuǎn)發(fā)信號。中斷概率計算單元202，具體包括：路基設備節(jié)點R獲取第一接收信噪比子單元，用于路基設備節(jié)點R獲取移動車節(jié)點A發(fā)送的第一接收信噪比，所述接收信噪比為移動車節(jié)點A接收到的路基設備節(jié)點R發(fā)送的信號的信噪比；路基設備節(jié)點R獲取第二接收信噪比子單元，用于路基設備節(jié)點R獲取移動車節(jié)點B發(fā)送的第二接收信噪比，所述接收信噪比為移動車節(jié)點B接收到的路基設備節(jié)點R發(fā)送的信號的信噪比；系統(tǒng)中斷概率計算子單元，用于根據(jù)中斷概率與所述第一接收信噪比及所述第二接收信噪比的相關關系，計算系統(tǒng)中斷概率。最小中斷概率的最大值確定單元203，具體包括：數(shù)據(jù)分析子單元，用于根據(jù)所述的中斷概率，在設定信噪比大于特定值的條件下，分析距離、速度及通信時間與中斷概率的關系；最小中斷概率的最大值確定子單元，用于根據(jù)所述的中斷概率與距離、速度及通信時間的關系，確定通信過程中各時刻的所有最小中斷概率的最大值。最佳功率分配因子計算單元204，用于根據(jù)所述最小中斷概率的最大值，采用窮舉搜索的方法確定最佳功率分配因子。根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術效果：本發(fā)明提供了一種基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)功率分配的方法及系統(tǒng)，通過搭建了移動車節(jié)點雙向中繼系統(tǒng)模型，計算系統(tǒng)的中斷概率，以通信過程中各時刻的所有最小中斷概率的最大值為優(yōu)化對象，進而獲取最佳移動節(jié)點功率分配因子，解決了基于集中協(xié)作中移動節(jié)點如何實現(xiàn)最優(yōu)的功率分配，進而獲得更優(yōu)的系統(tǒng)中斷性能，并填充現(xiàn)有技術的空白。同時用Matlab仿真表明與計算最佳分配因子相接近且優(yōu)于其他分配方案。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)功率分配方法流程圖；圖2為本發(fā)明基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)功率分配系統(tǒng)流程圖；圖3為本發(fā)明車輛雙向中繼系統(tǒng)模型結(jié)構圖；圖4為本發(fā)明實施例中的中斷概率與α的關系曲線圖。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明的目的是提供一種基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)功率分配的方法及系統(tǒng)，如圖1所示，通過搭建簡單的車輛雙向中繼系統(tǒng)模型，計算系統(tǒng)的中斷概率，分析距離、速度及通信時間與中斷概率的關系，并計算通信過程中各時刻的所有最小中斷概率的最大值且為優(yōu)化對象，計算最佳功率分配因子。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。搭建簡單的車輛雙向中繼系統(tǒng)模型如圖3所示，共有3個節(jié)點，其中A和B為移動車節(jié)點(源節(jié)點)，R路基設備節(jié)點(中繼節(jié)點)。A和B兩節(jié)點之間通信時，需要路邊基礎設備R在中間進行幫助，使其進行雙向中繼通信。節(jié)點A、B和R均配備單天線，各節(jié)點的通信方式均采用半雙工通信的方式。車節(jié)點A、B的發(fā)射功率為PA＝αP和PB＝(1-α)P，路基設備R的發(fā)射功率為PR＝P/2。假設通信初始，車節(jié)點A、B到路基設備R的距離分別為DA,R和DB,R，則在通信過程中，車節(jié)點A、B到路節(jié)點R間的距離為dA,R＝DA,R-νA,Rt、dB,R＝DB,R+νB,Rt，其中t∈[0,T]。假設節(jié)點A到節(jié)點R的信道為hA,R，節(jié)點B到節(jié)點R的信道hB,R，這兩個信道均滿足復高斯隨機分布，均值為0，方差分別為和其中c是常數(shù)，與環(huán)境有關，τ表示路徑損耗指數(shù)，通常在2到5之間的值，在不失一般性的情況下取c＝1,τ＝2；節(jié)點R接收到的噪聲信號是nR，滿足方差為N0復高斯隨機分布。在通信過程中,車輛A、B信號通過路基設備R時，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)Amplify-and-Forward協(xié)議進行重傳，因此通信過程分為兩個階段：階段Ⅰ，車節(jié)點A和B同時發(fā)送信號xA和xB，此時路基設備R的接收到信號表示為YR=hA,RPAXA+hB,RPBXB+nR---(1)]]>階段Ⅱ，路基設備R將接收的信號轉(zhuǎn)發(fā)出去，此時車節(jié)點A和B接收信號能夠表示為其中α是路基設備R的轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù)，可表示為α=PRPA|hA,R|2+PB|hB,R|2+N0---(3)]]>進而能夠獲得車節(jié)點A、B的接收信噪比，其為化簡得：根據(jù)PA＝αP，PB＝(1-α)P，PR＝P/2化簡得：ρA,R=12(1-α)|hA,R|2|hB,R|2γ2(α+1/2)|hA,R|2γ+(1-α)|hB,R|2γ+1---(6)]]>ρB,R=12α|hA,R|2|hB,R|2γ2α|hA,R|2γ+(3/2-α)|hB,R|2γ+1---(7)]]>其中γ＝P/N0。關于中斷概率，設頻譜效率為R的系統(tǒng)，其中斷概率能夠定義為Pout(R)＝Pr{I＜R}(8)首先假設A到B傳輸?shù)闹袛喔怕蕿槎鳥到A傳輸?shù)闹袛喔怕蕿樽詣又貍鰽RQ是對系統(tǒng)中的中斷信號經(jīng)常采用的處理方式，自動重傳機制是先將A、B之間需要重新傳送的信號匯總起來，然后在同一時刻對其進行重新傳輸。將A、B丟失的數(shù)據(jù)包匯總，然后對其重新發(fā)送，不存在A或B任意一個處在空閑狀態(tài)的情況，進而能夠有效減少系統(tǒng)重傳的時間，故其重新傳送的次數(shù)與和這兩個中斷概率中較大的中斷概率是直接相關的。而信噪比也對中斷概率具有一定的決定影響，故系統(tǒng)的中斷概率與max(ρA,R,ρB,R)是相關的。系統(tǒng)中斷概率為Pout=Pr(min(0.5log2(1+ρA,R),0.5log2(1+ρB,R))<R)=Pr(ρA,R<κ)+Pr(ρB,R<κ)-Pr(ρA,R<κ)Pr(ρB,R<κ)---(9)]]>其中κ＝22R-1。根據(jù)式(6)可得Pr(ρA,R<κ)=Pr((α+1/2)(1-α)|hA,R|2|hB,R|2γ2(α+1/2)|hA,R|2γ+(1-α)|hB,R|2γ+1<(2α+1)κ)---(10)]]>其中|hi,R|2滿足指數(shù)分布，其參數(shù)是(i∈{A,B})。假設μ＝(α+1/2)|hA,R|2γ是指數(shù)分布，其參數(shù)為λμ，假設ν＝(1-α)|hB,R|2γ也是指數(shù)分布，其參數(shù)λν，z＝μν/(μ+ν+1)的概率密度函數(shù)為Pr(z<Z)=1-e-(λμ+λv)Z4λμλvZ(Z+1)K1(4λμλvZ(Z+1))---(11)]]>其中K1指的是第二類修正貝塞爾函數(shù)。當x較小時可得到K1(x)≈1/x，所以當Z趨于0時，式近似為Pr(z＜Z)≈1-exp(-Z(λμ+λν))，即滿足參數(shù)為λμ+λν的指數(shù)概率分布函數(shù)。因此，式(10)可得Pr(ρA,R<κ)=(2δA,R2+2α+11-α1δB,R2)κγ(γ→∞)---(12)]]>同理Pr(ρB,R<κ)=(3-2αα1δA,R2+2δB,R2)κγ(γ→∞)---(13)]]>將(12)式和(13)式代入(9)式，(9)式中的前兩項與γ成反比，而第三項與γ2成反比，當γ→∞，第三項可以忽略，因此可得Pout=3(1α1δA,R2+11-α1δB,R2)κγ(γ→∞)---(14)]]>由于取c＝1,τ＝2，而dA,R＝DA,R-νA,Rt，dB,R＝DB,R+νB,Rt，因此Pout=3((DA,R-vA,Rt)2α+(DB,R+vB,Rt)21-α)κγ(γ→∞)---(15)]]>當信噪比γ較大時，系統(tǒng)中斷概率如(15)所示，其中假設f(α,t)=(DA,R-vA,Rt)2α+(DB,R+vB,Rt)21-α---(16)]]>定義全局中斷概率為雙向通信在通信過程中的各時刻的所有最小中斷概率的最大值。根據(jù)(16)式，中斷概率是關于時間和功率分配因子的函數(shù)，在通信過程中不能夠時刻改變發(fā)送功率，因此需要在通信開始找到最佳的功率分配因子，使得全局中斷概率最小，即α*=argminα∈(0,1)(maxt∈[0,T]f(α,t))---(17)]]>采用窮搜索的方法獲得最佳功率分配因子，對于一些特殊情況可以對式(17)采用分層優(yōu)化的方法處理，首先不對t進行處理，設0≤t1＜t2≤T，則由于α∈(0,1)，易得：∂f(α)∂α=(DB,R+vB,Rt)2(1-α)2-(DA,R-vA,Rt)2α2---(18)]]>∂2f(α)∂α2=2((DA,R-vA,Rt)2α3+(DB,R+vB,Rt)2(1-α)3)>0---(19)]]>故f(α)在α∈(0,1)區(qū)間上是凹函數(shù)，所在此區(qū)間上函數(shù)定存在最小值。由于dA,R＝DA,R-νA,Rt，dB,R＝DB,R+νB,Rt，因此令得最優(yōu)的功率分配因子αopt＝dA,R/(dA,R+dB,R)，則f(αopt)=(1δA,R+1δB,R)2=[DA,R+DB,R-(vA,R+vB,R)t]2---(20)]]>再假設α設為定值，對f(α,t)與t的關系進行討論。∂f(t)∂t=2vB,R(DB,R-vB,Rt)(1-α)-2vA,R(DA,R-vA,Rt)2α---(21)]]>∂2f(t)∂t2=2(vA,R2α+vB,R21-α)---(22)]]>因故f(t)在t∈[0,T]區(qū)間上是凹函數(shù)，其在區(qū)間上該函數(shù)定存在最小值，因為該函數(shù)區(qū)間有限，故其在該區(qū)間也必然存在最大值。在該函數(shù)中，f(α,t)在t∈[0,T]區(qū)間上在t為0或T時即在兩車開始或終點時取最大值。可簡化成max{f(α,0),f(α,T)}；最終得出：α*=argminα∈(0,1)(max{f(α,0),f(α,T)})---(23)]]>本節(jié)將通過MATLAB仿真來進一步對上述算法計算過程進行分析。對于各節(jié)點間信道的路徑損耗，采用了通用的衰落系數(shù)模型，即其中和di,j分別表示節(jié)點i到節(jié)點j信道的衰落系數(shù)和距離，而η表示路徑衰落指數(shù)，取η＝2。仿真中假設初始狀態(tài)下A到R的距離DA,R＝300m，B到R的距離DB,R＝200m，A運行的速度νA,R＝30m/s，B運行的速度νB,R＝-40m/s，整個通信時長T＝2s。進一步根據(jù)優(yōu)化目標，要在時間搜索α值使得f(α,t0)極小，將所有時間點上的極小值f(α,t0)集合，找出最大的f(α,t0)值。當α值固定，t＝0時，函數(shù)f(α,t)在區(qū)間[0,T]內(nèi)的值取最大值。而整系統(tǒng)的性能受最大值的限制，因此僅需找出α值使得f(α,0)最小，此時得出α值即是所要求的系統(tǒng)最優(yōu)功率分配因子。圖4中曲線是在假設R＝1，其它條件不變的情況下，信噪比分別為10dB和20dB的條件下，t＝0和t＝2s時系統(tǒng)中斷概率與α的關系曲線。根據(jù)上面分析表明，最優(yōu)α值，僅僅需要搜索t＝0時，f(α,0)的最小值，此時最優(yōu)αopt＝0.6，這與所求的值相同，驗證了上文的算法計算過程是正確的。本文研究了結(jié)合協(xié)作分集和網(wǎng)絡編碼技術的車輛雙向中繼系統(tǒng)，計算該系統(tǒng)中斷概率表達式，對中斷概率進行分析計算出最佳功率分配因子。且在移動的兩車發(fā)送總功率一定的情況下，根據(jù)所述最佳功率分配因子計算兩車各自發(fā)送功率最佳值，將功率最佳值轉(zhuǎn)發(fā)給相應的移動車輛，進而獲得最佳功率分配方案。分析得出最佳功率分配因子在時間上處于車輛運行初始狀態(tài)或結(jié)束狀態(tài)。通過仿真，進一步的計算出的最佳功率分配因子與實際仿真的最佳功率分配因子相差不大。本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的系統(tǒng)而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。當前第1頁1 2 3