本發(fā)明涉及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種車聯(lián)網(wǎng)中車輛與路側(cè)單元通信的功率分配方法。

背景技術(shù)：

為滿足人們對(duì)車載信息資源的迫切需求，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過車與車、v2r(vehicle-to-roadsideunit，車與路側(cè)單元)的通信能夠滿足上述應(yīng)用需求。然而，v2r通信時(shí)鏈路之間干擾大，且存在路徑損耗、陰影衰落等因素，導(dǎo)致v2r通信鏈路不穩(wěn)定、系統(tǒng)吞吐量低等問題，影響了車載信息系統(tǒng)的應(yīng)用部署和發(fā)展。

針對(duì)上述問題，本發(fā)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干擾，有利于提升系統(tǒng)吞吐量性能。因此，研究一種車聯(lián)網(wǎng)中路側(cè)單元與車輛通信的功率分配方法具有重要實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的存在的問題，本發(fā)明提出一種車聯(lián)網(wǎng)中車輛與路側(cè)單元通信的功率分配方法，rsu(roadsideunit，當(dāng)路側(cè)單元)與各車輛通信時(shí)，通過博弈的方法實(shí)現(xiàn)rsu發(fā)射功率的合理分配來降低v2r通信鏈路之間的干擾，提高通信鏈路的信干噪比，進(jìn)而提高整個(gè)通信系統(tǒng)的吞吐量。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

一種車聯(lián)網(wǎng)中車輛與路側(cè)單元通信的功率分配方法，具體包括如下步驟：

1)構(gòu)建由rsu、車輛組成的系統(tǒng)模型：在每輛車裝上配有信號(hào)接收與發(fā)送裝置，簡稱obu(onboardunit，車載單元)；rsu具有多個(gè)電臺(tái)，每個(gè)電臺(tái)采用波束成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)在各自的信道上進(jìn)行通信，支持與多輛車同時(shí)通信；rsu采用專用短距離無線通信方式與obu進(jìn)行通信，且通過有線或無線接入因特網(wǎng)；

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(dá)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(tǒng)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(fā)射功率pk為策略空間，vk的效用函數(shù)被看作是收到的報(bào)酬，映射到vk的信干噪比，模型中引入價(jià)格函數(shù)，作為對(duì)其他車輛干擾的花費(fèi)，形成帶有警告的效用函數(shù)，vk帶有價(jià)格函數(shù)的效用函數(shù)uk的表達(dá)式為：

uk＝sinrk-sk(1)

上述公式(1)中，sk是價(jià)格函數(shù)，sinrk是vk與rsu通信時(shí)鏈路的信干噪比，

價(jià)格函數(shù)sk的表達(dá)式為：

上述公式(2)中，θ為其他車輛干擾的價(jià)格因子，pk為rsu與vk通信的發(fā)射功率，hk為rsu到車輛vk的復(fù)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(jù)上述vk帶有價(jià)格函數(shù)的效用函數(shù)，在一些限制條件下構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的非合作博弈功率分配的總效用函數(shù)u，表達(dá)式為：

上述公式(4)中，sk是價(jià)格函數(shù)，sinrk是vk與rsu通信時(shí)鏈路的信干噪比，pk為vk的發(fā)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(shù)是否存在納什均衡，如果構(gòu)建的博弈模型存在納什均衡，則執(zhí)行步驟4)；否則建立的此模型是無效的，不能達(dá)到功率分配的最佳方案,修改步驟2)中車輛vk的效用函數(shù)，并重新執(zhí)行步驟2)，建立新的博弈模型；

4)對(duì)步驟3)中的非合作博弈功率分配的總效用函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，使一階導(dǎo)數(shù)為零，即進(jìn)而求出rsu與車輛vk通信的發(fā)射功率pk的表達(dá)式為：

5)根據(jù)步驟4)中求出的pk進(jìn)一步求出步驟2)中的sinrk、uk、u；

6)對(duì)步驟4)與步驟5)使用迭代算法，當(dāng)系統(tǒng)總效用函數(shù)u趨于收斂，表明博弈到達(dá)納什均衡，系統(tǒng)已經(jīng)獲得最優(yōu)化的功率分配方案，則執(zhí)行步驟7)，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟6)；

7)結(jié)合步驟5)中計(jì)算出的sinrk，利用vk的吞吐量ck表達(dá)式計(jì)算出系統(tǒng)吞吐量c，其中系統(tǒng)吞吐量c表達(dá)式為：

經(jīng)過上述所有步驟，實(shí)現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)中車輛與路側(cè)單元通信中功率的合理分配。

所述步驟1)中，obu是指在rsu的覆蓋范圍內(nèi)的所有obu，且同時(shí)從rsu下載資源；vk接收信號(hào)可以表達(dá)為：

上述公式(7)中，hk是rsu到車輛vk的復(fù)合信道，包括路徑損耗與陰影衰落；pk是rsu與vk通信的發(fā)射功率，xk是rsu發(fā)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(duì)功率進(jìn)行優(yōu)化前，還需獲取車輛在通信中得到的信干噪比(sinr)，表達(dá)式為：

上述公式(8)中，hk是rsu到車輛vk的復(fù)合信道，包括路徑損耗與陰影衰落，pk是rsu與vk通信的發(fā)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(shù)滿足的條件為：

上述(9)式中，pmax為rsu的最大發(fā)射功率，ymin為車輛的信干噪比門限；公式(9)中第一項(xiàng)為rsu與所有車輛通信的發(fā)射功率總和不大于rsu最大的發(fā)射功率；第二項(xiàng)為每輛車的信干噪比不低于額定的信干噪比。

本發(fā)明的有益效果為：提出的車聯(lián)網(wǎng)中v2r通信中的功率分配方法，具有減小通信鏈路中的干擾，提升系統(tǒng)的吞吐量的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明工作流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不是對(duì)本發(fā)明限定。

實(shí)施例：

一種車聯(lián)網(wǎng)中車輛與路側(cè)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(gòu)建由rsu、車輛組成的系統(tǒng)模型，其中每輛車都裝配有obu，rsu支持與多輛車同時(shí)通信。rsu與obu采用專用短距離無線通信方式進(jìn)行通信，rsu通過有線或無線與因特網(wǎng)連接獲得網(wǎng)絡(luò)資源。rsu具有多個(gè)電臺(tái)，同時(shí)擁有多信道用于同時(shí)信息收發(fā)。rsu同時(shí)與多個(gè)車輛同時(shí)通信方法采用波束成形技術(shù)，減少各個(gè)信道間的干擾，使rsu具有多接收與多發(fā)送功能。假設(shè)當(dāng)車輛v1,v2,v3…vk都已進(jìn)入rsu的覆蓋范圍，且同時(shí)從rsu下載資源。

車輛vk接收信號(hào)可以表達(dá)為：

上述公式(7)中，是rsu到車輛vk的復(fù)合信道，sk＝(dk/d0)^-α10^(μ/10)相當(dāng)于從rsu到vk之間的小規(guī)模衰落，包括路徑損耗與陰影衰落，陰影衰落符合獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)差為σ的對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)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(tài)分布的隨機(jī)變量，h'k是rsu到vk的信道系數(shù)，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(fā)射功率，xk是rsu發(fā)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的信干噪比表達(dá)式為：

車輛vk的吞吐量表示為：

ck＝log2(1+sinrk)(3)

由于車輛之間的競爭是車聯(lián)網(wǎng)的固有屬性，且每輛車都具有自私的特點(diǎn)，因此車輛會(huì)選擇使本車獲利最大的rsu發(fā)射功率，而忽略了對(duì)其他車輛的干擾，導(dǎo)致車輛之間的干擾增大，進(jìn)而使得整個(gè)系統(tǒng)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(shí)通信時(shí)因競爭帶來的通信干擾，本發(fā)明采用博弈論來對(duì)此功率優(yōu)化問題進(jìn)行分析，獲得最優(yōu)的功率分配方案，以得到最優(yōu)的系統(tǒng)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(fā)射功率pk，車輛vk的效用函數(shù)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(fā)明引入了價(jià)格函數(shù)，作為對(duì)其他車輛干擾的花費(fèi)，形成帶有警告的效用函數(shù)，車輛vk帶有價(jià)格函數(shù)的效用函數(shù)表達(dá)式為：

uk＝sinrk-sk(1)

其中是價(jià)格函數(shù)，θ是其他車輛干擾的價(jià)格因子，hk為車輛vk與rsu的信道增益，由于系統(tǒng)通過分配功率使最大化車輛總效用函數(shù)，進(jìn)而使得系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)，因此系統(tǒng)的非合作博弈功率分配的總效用函數(shù)u，表達(dá)式為：

非合作博弈功率分配的總效用函數(shù)滿足條件為：

其中pmax為rsu的最大發(fā)射功率，ymin為車輛的信干噪比門限，目標(biāo)函數(shù)中第一項(xiàng)為rsu與所有車輛通信的發(fā)射功率總和不能大于rsu最大的發(fā)射功率；第二項(xiàng)為每輛車的信干噪比不能低于額定的信干噪比。車輛在滿足上述兩個(gè)條件下，通過迭代功率分配算法來得到最優(yōu)的發(fā)射功率進(jìn)行通信，可使效用函數(shù)達(dá)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(shù)是否存在納什均衡，如果構(gòu)建的博弈模型存在納什均衡，則執(zhí)行步驟4)；否則建立的此模型是無效的，不能達(dá)到功率分配的最佳方案,修改步驟2)中車輛vk的效用函數(shù)，并重新執(zhí)行步驟2)，重新建立博弈模型；

4)s104：對(duì)步驟3)s103中的非合作博弈功率分配的總效用函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，使一階導(dǎo)數(shù)為零，即進(jìn)而求出rsu與車輛vk通信的發(fā)射功率pk的表達(dá)式為：

5)s105：根據(jù)pk求出步驟2)s102中的sinrk、uk、u；

6)s106：對(duì)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(jìn)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于設(shè)定閾值，并達(dá)到收斂，則得到最優(yōu)分配功率，進(jìn)而根據(jù)pk進(jìn)而求得車輛vk的sinrk及效用函數(shù)uk，得到最優(yōu)的效用函數(shù)，系統(tǒng)獲得最優(yōu)化的功率分配方案，此時(shí)系統(tǒng)效用達(dá)到最大化，則執(zhí)行步驟7)s107，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟6)s106；

7)s107：結(jié)合步驟5)s105中計(jì)算出的sinrk，利用系統(tǒng)吞吐量表達(dá)式計(jì)算出系統(tǒng)吞吐量，其中系統(tǒng)吞吐量表達(dá)式為：

經(jīng)過上述步驟，實(shí)現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)中車輛與路側(cè)單元通信中功率的合理分配。