本發(fā)明屬于移動通信，涉及一種基于isac的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同感知資源分配方法。

背景技術(shù)：

1、單個聯(lián)網(wǎng)自動汽車(connected?automatic?vehicles,cav)的感知能力存在固有的局限性，基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同感知技術(shù)的出現(xiàn)可以克服這一缺陷，通過融合多個cav和rsu的感知數(shù)據(jù)，可以大幅擴展感知范圍并提高感知準確性。然而，現(xiàn)有的單層協(xié)同感知方案仍存在一些問題。首先是帶寬和計算能力利用率飽和或不足，早期融合中，過量的原始數(shù)據(jù)傳輸可能會導致帶寬飽和而計算能力未充分利用，后期融合中，本地處理后發(fā)送對象數(shù)據(jù)可能會導致計算能力飽和而帶寬未充分利用，即使是中期融合在動態(tài)網(wǎng)絡條件下，仍存在上述問題。其次，對于單個cav，其最關(guān)注的路況信息并不是全局的地圖信息而是較近范圍內(nèi)的路況信息，生成完整的全局環(huán)境地圖需要處理大量的感知數(shù)據(jù)，給系統(tǒng)的計算和通信帶來巨大負擔，導致整體延遲較高。因此需要設計更加靈活高效的協(xié)同感知方案，提高系統(tǒng)性能。

2、通感一體化(integrated?communication?and?sensing,isac)設備在協(xié)同感知中起著關(guān)鍵作用。這類設備可以同時執(zhí)行雷達感知和通信功能,為協(xié)同感知提供必要的硬件基礎。通過協(xié)調(diào)雷達和通信資源的利用,isac設備能夠在感知和通信之間實現(xiàn)有效的平衡,為整個協(xié)同感知系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供重要支撐。然而,現(xiàn)有的isac設備在感知和通信性能平衡以及本地計算資源利用方面存在一些問題。由于感知和通信功能之間存在干擾,很難在二者之間實現(xiàn)最佳的資源配置。同時,沒有考慮到車載計算能力的引入,導致整個協(xié)同感知過程中出現(xiàn)較高的時延。通過分析不同持續(xù)時間分配比率對感知和通信性能的影響,并結(jié)合車載計算能力,得出了cav和rsu最佳的時間分配比范圍,可以降低了整個協(xié)同感知過程的時延。為isac設備在協(xié)同感知場景中的應用提供了一種靈活高效的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于isac的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同感知資源分配方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同感知資源分配策略的優(yōu)化，降低協(xié)同感知的執(zhí)行延遲。

2、為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于isac的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同感知資源分配方法，其包括以下步驟：

4、s1、在車聯(lián)網(wǎng)場景下構(gòu)建基于相對位置的多層協(xié)同感知關(guān)心區(qū)域方案；

5、s2、根據(jù)當前車輛的感知關(guān)心區(qū)域與路測單元、其他車聯(lián)網(wǎng)車輛的相對位置確認共同感知者；

6、s3、構(gòu)建基于時分動態(tài)幀結(jié)構(gòu)的通感一體化isac時間分配方案，獲取共同感知者的雷達感測持續(xù)時間的總感知互信息smi、通信持續(xù)時間的平均通信速率以及各個處理方式的執(zhí)行延遲；

7、s4、建立以最小化協(xié)同感知任務完成延遲為目標的感知任務分配、卸載和計算資源分配的聯(lián)合問題；

8、s5、采用混合動作空間的多智能體深度確定性策略梯度算法求解優(yōu)化問題得到最小任務完成延遲的資源分配方案。

9、進一步，在步驟s1中，車聯(lián)網(wǎng)場景包括若干車聯(lián)網(wǎng)自動車輛cav、若干路測單元rsu以及若干移動邊緣服務器mes，cav通過各種傳感器采集車內(nèi)外數(shù)據(jù)，沿路部署的若干rsu通過高速有線鏈路相互連接，每個rsu均通過有線鏈路與mes連接；

10、當前cav根據(jù)感知關(guān)心區(qū)域中的rsu和其他cav的相對位置選擇共同感知者，當前cav或共同感知者對于感知數(shù)據(jù)的處理包括本地處理和卸載處理；

11、設n＝{1,...,i,...,n}為系統(tǒng)中cav的集合，感知關(guān)心區(qū)域為ppac，prsu表示rsu的覆蓋范圍，當前車輛v1無法感知ppac中的所有區(qū)域，將ppac分為p1、pf和pb，p1為v1視野范圍內(nèi)的區(qū)域，pf和pb分別為v1前后的遮擋區(qū)域，則：

12、ppac＝p1+pf+pb

13、將三個區(qū)域的感知任務分別定義為t1，tf，tb，cav感知關(guān)心區(qū)域的感知任務表示為：

14、tpac＝t1+tf+tb

15、cav進行感知任務處理的方式包括本地處理或者卸載處理。

16、進一步，在步驟s2中，將當前車輛從當前rsu的覆蓋范圍轉(zhuǎn)移到下一個rsu覆蓋范圍的過程分為以下五個階段，每個階段的共同感知者的選擇范圍為：

17、在第一個階段，tpac完全處于rsuj的覆蓋范圍，其共同感知者可選擇rsuj和處于pb，pf的cav；

18、

19、vf表示ppac中v1之前的cav,vb表示ppac中v1之后的cav，vf和vb可能有多個也可能沒有，vv2v為v1通信范圍內(nèi)的cav集合，uj表示v1當前所處范圍的rsuj，uj+1表示v1即將進入的rsuj+1；

20、在第二個階段，tpac的pf部分進入rsuj+1的覆蓋范圍，共同感知者可選擇rsuj、rsuj+1和處于pb，pf的cav；

21、

22、在第三個階段，tpac的pf進入rsuj+1的覆蓋范圍，pb未進入，其共同感知者可選擇rsuj、rsuj+1和處于pf的cav；

23、

24、在第四個階段，tpac的pb部分進入rsuj+1的覆蓋范圍，其共同感知者可選擇rsuj、rsuj+1和處于pb，pf的cav；

25、

26、在第五個階段中，tpac的已經(jīng)完全進入rsuj+1的覆蓋范圍。其共同感知者可選擇rsuj+1和處于pb，pf的cav；

27、

28、將任務分配函數(shù)定義為y＝ta(x)，表明tpac中的協(xié)作任務分配給y，根據(jù)相對位置信息，在rsu和cav中選擇一組共同感知者來協(xié)助v1完成感知任務；設ω表示選定的共同感知者的集合，其滿足：

29、ω＝ta(t1)∪taρ(tf)∪taρ(tb)

30、式中taρ(t1)、taρ(tf)、taρ(tb)分別表示能夠感知t0、tf、tb的感知者，ρ＝1,2,3,4,5表示所處的階段。

31、進一步，在步驟s3中，首先構(gòu)建包括s個感測子幀、p個計算子幀和q個通信子幀的可調(diào)幀格式，每個周期中有ns個子幀，設每個子幀的持續(xù)時間為τs，將每個車輛isac設備的時間分配決策描述為χvi＝{ai,bi,ci}，其中，vi∈ωv，ai,bi,ci分別為vi對應的歸一化感知持續(xù)時間、計算持續(xù)時間和感知持續(xù)時間，ai+bi+ci＝1，其中，

32、雷達探測過程中，vi在雷達感測持續(xù)時間ai的平均感知互信息(sensing?mutualinformation,smi)表示為：

33、

34、其中，bi表示為分配給vi的帶寬；為vi的信號和干擾加噪聲比，其表示為：

35、

36、式中pi是vi的發(fā)射功率，表示路徑傳播增益，nr-rad和nr-com分別表示其他cav對vi的雷達信號造成的雷達干擾和通信干擾；n0表示熱噪聲功率譜密度。

37、進一步，在步驟s3中，通信過程中，vi在通信持續(xù)時間ci過程的總通信數(shù)據(jù)量為：

38、

39、vi在通信持續(xù)時間ci的平均通信速率為：

40、

41、其中，表示vi通信信號的信噪比，其表示為：

42、

43、式中，gt和gr表示天線發(fā)射增益和天線接收增益，表示i到j的通信信道增益，和分別為所受雷達干擾和所受通信干擾。

44、進一步，在步驟s3中，對于各個執(zhí)行時延，將感知任務描述為li＝{si,di,τi}，si表示感知任務中需要提取的環(huán)境信息量，di表示處理一位環(huán)境信息需要的cpu周期數(shù)，τi表示整個感知任務完成的最大可容忍延遲，有：

45、車輛本地處理感知數(shù)據(jù)的執(zhí)行延遲為：

46、

47、式中，表示分配給本地任務的cpu周期頻率，定義有cav的最高cpu周期頻率滿足

48、車輛卸載到服務器的執(zhí)行延遲為：

49、

50、式中，為rsuj的最高cpu周期頻率，μvi表示分配給vi的計算資源的比例。

51、rsu側(cè)的執(zhí)行延遲為：

52、

53、式中，表示uj分配用于任務處理的計算資源的比例。

54、進一步，在步驟s4中，將協(xié)同感知任務分配、卸載和計算資源分配優(yōu)化方案制定為最小化協(xié)同感知任務處理時延最小化問題，優(yōu)化問題表示為：

55、

56、其中為車輛卸載決策，為車輛isac設備時間分配比例，為mes為車輛分配的計算資源比例，ωv表示被選為共同感知者的cav，ωu表示被選為共同感知者的rsu；

57、c1表示選擇共同感知者；c2表示vi和uj的總處理時間不能超過最大可容忍延遲；c3表示vi分配的歸一化感知、通信和計算時間比例之和為1；c4表示在同一個周期內(nèi)，通信的數(shù)據(jù)量不能超過感知的數(shù)據(jù)量；c5表示實際需要的感知、通信和計算的時間不大于分配的感知、通信和計算的時間；c6表示提供卸載服務的rsu分配的資源比例之和不大于1。

58、進一步，在步驟s5中，將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為馬爾可夫決策過程，狀態(tài)空間設置為：

59、

60、其中，b,g,l分別表示mes的剩余計算資源狀態(tài)、cav和mes之間的通信鏈路的信道增益、cav和mes之間的連接狀態(tài)；

61、動作空間：

62、以卸載決策βvi、時間比例分配的離散動作和計算資源分配比例μ的連續(xù)變量共同作為cav的混合動作

63、獎勵：

64、

65、其中β為常數(shù)，當延遲降低時，獎勵增大；

66、訓練價值網(wǎng)絡的目標是最小化狀態(tài)-動作價值函數(shù)的預測誤差，假設每個cav的參數(shù)為θ＝{θ1,θ2,,...,θi...,θn}，對每個cavi，使用目標網(wǎng)絡計算目標值；計算目標動作a'j，其中a'j＝μ'j(s')表示第j個智能體在下一狀態(tài)s'j下的目標動作,j∈{1,2,...,n}，則目標值為：

67、yi＝ri+γq'i(s',ai)

68、其中q'i為cavi的目標價值網(wǎng)絡；

69、通過最小化均方誤差損失來更新價值網(wǎng)絡參數(shù)θi：

70、

71、其中b為從經(jīng)驗回放區(qū)中抽取的一個批次；

72、訓練策略網(wǎng)絡時，假設每個cav的策略網(wǎng)絡參數(shù)為ω＝{ω1,ω2,...ωi,...ωn}，對于每個cavi，使用策略梯度更新策略網(wǎng)絡，策略梯度為：

73、

74、使用梯度上升法更新策略網(wǎng)絡參數(shù)ωi；

75、對于價值網(wǎng)絡和策略網(wǎng)絡的目標網(wǎng)絡參數(shù)，使用軟更新：

76、θi'＝τθi'+(1-τ)θi

77、ωi'＝τωi'+(1-τ)ωi

78、其中，τ表示軟更新參數(shù)。

79、進一步，在步驟s5中，采用混合動作空間的多智能體深度確定性策略梯度算法求解優(yōu)化問題的具體過程包括：

80、s51：初始化每個cav的actor網(wǎng)絡和critic網(wǎng)絡；

81、s52：在每次迭代中，初始化一個隨機進程用于動作探索,獲取每個cav的初始觀測即環(huán)境的初始狀態(tài)；

82、s53：在每個時隙，根據(jù)當前的策略和狀態(tài)，每個cav選擇動作并執(zhí)行；

83、s54：在每個時隙，所有cav與環(huán)境交互獲得各自的獎勵并且跳到下一狀態(tài),將經(jīng)驗數(shù)據(jù)儲存在經(jīng)驗回放池中；

84、s55：對每個cav，從經(jīng)驗池中隨機抽取小批量的樣本；

85、s56：對每個cav，計算critic的目標狀態(tài)值,計算損失函數(shù)，并最小化損失來更新critic網(wǎng)絡,計算策略梯度，更新actor網(wǎng)絡；

86、s57：完成每個cav后軟更新價值網(wǎng)絡和策略網(wǎng)絡的目標網(wǎng)絡參數(shù)，然后返回s53，否則返回s55；

87、s58：完成每個時隙后返回s52，否則返回s53；

88、s59：完成迭代后停止，否則返回s52。

89、本發(fā)明的有益效果在于：

90、本發(fā)明針對現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)中協(xié)同感知融合方案帶寬和計算資源利用率飽和或不足、生成全局地圖數(shù)據(jù)量大，以及isac設計未能平衡感知和通信性能而導致系統(tǒng)高延遲的問題，提出了一種基于isac的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同感知資源分配方案。首先，為減少傳輸數(shù)據(jù)量并合理利用帶寬和計算資源，提出一種基于相對位置的多層協(xié)同感知關(guān)心區(qū)域方案。其次，提出基于時分動態(tài)幀結(jié)構(gòu)的isac感知、通信和計算時間分配方案，分析不同時間分配比對感知和通信互信息(mi)的影響，并根據(jù)cav的計算能力進行時間分配。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同感知資源分配策略的優(yōu)化，降低協(xié)同感知的執(zhí)行延遲。

91、本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。