CN112020032B - 一种车联网网络优化接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车联网网络优化接入方法，包括：当车辆i在时隙t到达区域k时，获取所述区域k中每一个接入网的总盈余工作时间Tl_j(t)、传输速率R_j；对于每一个所述接入网，计算第一参数第二参数 其中，D_i为车辆i传输的总数据量，∑_isel_ijDl_i(t)表示t时刻，接入网N_j中所有车辆的待传输数据总量；Dl_i(t)为车辆i剩余的待传输数据量；对于新到达的车辆i，如为其选择接入网N_j，则记sel_ij＝1，否则sel_ij＝0；对于车辆i，在所述区k域，选择使最小的接入网接入；其中，V盈余工作时间的权重。本发明实施例能够降低网络阻塞率，保证网络的长时稳定，且在无中心控制节点的情况下，各车辆分布式进行最优的网络选择。

Description

一种车联网网络优化接入方法

技术领域

本发明涉及车联网技术领域，尤其涉及一种车联网网络优化接入方法。

背景技术

车联网涉及汽车、电子、信息通信、交通等多个产业，正处于加速发展的关键阶段，目前出现了多种车联网网络接入方案，但是目前车辆网网络接入方案大多无法实现网络性能的长时最优。如，中国专利CN107508855B公开的《车联网中的节点通信方法和车联网节点》中涉及一种车联网中的节点通信方法和车联网节点，所述方法包括：源节点生成数据请求消息，数据请求消息中携带所请求的数据标识以及源节点标识；源节点将数据请求消息发送至车联网中朋友圈的下一跳节点，以使下一跳节点根据数据标识确定是否具有所请求的数据，朋友圈由车联网中的节点与源节点之间的通信频繁情况和具有的数据接近程度中的至少一个确定。其可以提高车联网中的节点在移动过程中通信的可靠性，但该发明由于只优化网络的瞬时性能，没有考虑当前选择结果对未来车辆到达的影响，因此，从长时间尺度上来看，这种瞬时网络选择算法可能导致后续的车辆切换及未来到达车辆无法接入，从而无法实现网络性能的长时最优。

因此，目前亟需一种新型的车联网网络接入方法，以能够实现网络性能的长时最优。

发明内容

本发明实施例提供一种车联网网络优化接入方法，以解决现有车联网网络接入方法不能实现网络性能的长时最优的技术问题，能够降低网络阻塞率，保证网络的长时稳定，且在无中心控制节点的情况下，各车辆分布式进行最优的网络选择。

本发明实施例提供一种车联网网络优化接入方法，包括：

当车辆i在时隙t到达区域k时，获取所述区域k中每一个接入网t时刻的总盈余工作时间Tl_j(t)、传输速率R_j；

对于每一个所述接入网，分别计算第一参数第二参数/> 其中，D_i为车辆i传输的总数据量，∑_isel_ijDl_i(t)表示t时刻，接入网N_j中所有车辆的待传输数据总量；Dl_i(t)为车辆i剩余的待传输数据量；对于新到达的车辆i，如为其选择接入网N_j，则记sel_ij＝1，否则sel_ij＝0；R_j为所述接入网N_j将其所有带宽分配给所述接入网N_j中的所有车辆传输数据，所得到的传输速率；

对于车辆i，在所述区k域中，选择使最小的接入网接入；其中，V盈余工作时间的权重。

进一步地，根据如下公式更新所述接入网的总盈余工作时间：

其中，max(Tl_j(t)-T_d(t))表示随时间流逝，盈余工作时间减少，T_d(t)表示流逝的时间，表示接入网N_j中，时隙t内新到达的车辆所产生的数据服务时间。

进一步地，所述AN_j(t)由如下公式确定：

进一步地，所述AN_j(t)的时间平均值为：

相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，本发明实施例能够降低网络阻塞率，保证网络的长时稳定，且在无中心控制节点的情况下，各车辆分布式进行最优的网络选择。

附图说明

图1是本发明实施例提供的车辆网的网络场景图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的车辆网的网络场景，其中包含了A类型接入网N₁、B类型接入网N₂和N₃,根据接入网N₁、N₂、N₃覆盖情况的不同，图1被分成了四个区域；其中，区域1只被N₁覆盖，区域2和区域3被A类型接入网和一个B类型接入网覆盖，区域4则被N1、N2和N3接入网覆盖。AN_k表示区域k中各接入网的集合。在本场景中，区域4中各接入网的集合为：AN₄＝{N₁,N₂,N₃}。

假设时间被分为长度相等的时隙，A_k(t)表示区域k在时隙t的网络到达率，且各区域网络到达率的均值表示为：

车辆i用u_i表示。假设知道车辆需要传输的数据量D_i，并且假设数据到达过程是平稳遍历的过程，那么数据到达率为：

其中，ar_ij表示车辆i在区域j中，否则ar_ij＝0。D_i表示车辆需要传输的数据量，t表示时隙。

对于新到达的车辆i，如为其选择接入网N_j，则记sel_ij＝1，否则sel_ij＝0。在接入网N_j中，车辆i传输的总数据量D_i已知，则可计算得出在t时刻，车辆i剩余的待传输数据量Dl_i(t)。因此t时刻，接入网N_j中所有车辆的待传输数据总量为∑_isel_ijDl_i(t)。假设接入网N_j将其所有带宽分配给这些车辆传输数据，所得到的传输速率为R_j，则t时刻，网络N_j的总盈余工作时间为：

盈余工作时间的更新公式为；

其中，max(Tl_j(t)-T_d(t))表示随时间流逝，盈余工作时间减少，T_d(t)表示流逝的时间，由于本发明假设网络带宽全部分配出去，所以Td(t)＝1；又因为盈余工作时间必须大于等于0，所以使用了max(Tl_j(t)-T_d(t)，0)，表示接入网N_j中，时隙t内新到达的车辆所产生的数据服务时间。其中，AN_j(t)＝∑_{在t时刻到达}sel_ijD_i。AN_j(t)的时间平均值为：

为了方便，本发明中，Tl(t)＝(Tl₁(t)，Tl₂(t)，Tl₃(t))

根据上述定义可知，盈余工作时间这一网络参数同时表征了接入网的负载情况以及对未来新到达车辆的影响情况，因此，在网络选择算法中，通过减小各接入网盈余工作时间的差异，能够有效地均衡各接入网的业务负载。

在每个时隙中，定义表示t时刻，为接入网N_j的最大总盈余工作时间，网络的选择就转化成为下面的优化问题

s.t.λ_j≤R_j j＝1，2，3 (1)

可以看出是选择结果sel_ij的函数。因此可以通过控制车辆的接入选择对其进行优化控制。其中限制条件是网络稳定的充要条件。可以看出，优化问题(见式(1))相当于在每个时隙统计各个接入网中最大的剩余服务时间，然后最小化其平均值，所以起名为特征盈余工作时间。

基于上述记载的内容，可知：

当车辆i在时隙t到达区域k时，车辆终端获取所述区域k中每一个接入网t时刻的总盈余工作时间Tl_j(t)、传输速率R_j；

对于每一个所述接入网，分别计算第一参数第二参数/> 其中，D_i为车辆i传输的总数据量，∑_isel_ijDl_i(t)表示t时刻，接入网N_j中所有车辆的待传输数据总量；Dl_i(t)为车辆i剩余的待传输数据量；对于新到达的车辆i，如为其选择接入网N_j，则记sel_ij＝1，否则sel_ij＝0；R_j为所述接入网N_j将其所有带宽分配给所述接入网N_j中的所有车辆传输数据，所得到的传输速率；

对于车辆i，在所述区k域中，选择使最小的接入网接入；其中，V盈余工作时间的权重。

需要说明的是，以上本发明实施例提供的车联网网络优化接入方法实质就是根据盈余工作时间算法选择接入网络的，盈余工作时间算法为自定义的名称。

下面将对发明实施例提供的盈余工作时间算法的性能进行分析：

根据上述分析可知，盈余工作时间算法只需要Tl_j和R_j，每个新到达的车辆就可以选定自己接入哪个网络，而不需要和其他新到达的车辆进行交流。由于Tl_j和R_j可以通过接入网广播得到，所以盈余工作时间算法是分布式的。其中，参数V表示盈余工作时间的权重，在优化中用来平衡网络稳定性和最小化最大盈余工作时间。

下面将对盈余工作时间算法的最忧性和稳定性进行分析。

首先，以区域K中存在3个接入网为例，给出几个优化理论中的基本概念及定定义。

优化函数：对于Tl(t)＝(Tl₁(t)，Tl₂(t)，Tl₃(t))，其优化函数定义为：

则优化函数偏差Δ(Tl(t))定义为

Δ(Tl(t))＝E{L(Tl(t+1))-L(Tl(t))|Tl(t)}

其中，E{}为取平均值函数。

稳定域：

如果存在一种网络选择算法，能够使网络在某个到达过程A(t)下稳定，那么就说A(t)可以被。所有可能的A(t)集合用Λ表示，那么那么Λ就是网络的稳定域。

稳定地服务

方法1：队列优化方法：如果有常数B≥0，V≥0，ε≥0，y和它的最优值y^*，在所有时隙τ＝0，1，2，…和所有队列Q(t)的可能性下，满足下面不等式，

那么，所有的队列Q_i(t)是稳定的。如果V＞0且ε＞0，，则有下面的结论：

可以看出，当选择足够大的V，y的均值就会和优化目标y^*足够接近。其中，sup表示一个集合中的上界。E{}为取平均值函数。

现在开始证明盈余工作时间算法可以解优化问题(见式(1))，对比式(1)和式(2)，可以发现其中队列Q_i(t)就是定义的Tl(t)，因此想证明盈余工作时间算法是优化问题(见式(1))的解就需要证明盈余工作时间算法满足以下不等式

现在开始证明，因为盈余工作时间的更新公式为

又因为当Q≥0，b≥0，A≥0时，(max[Q-b]，0+A)²≤Q²+A²+b²+2Q(A-b)

可以计算出

由于AN_j(t)、R_j、T_d(t)均有界，则上式可以进一步简化为

其中，B是一个常数，且满足

根据式(6)可得

E{}为取平均值函数。这里希望使不等式左边最小化。在右边部分只有和车辆接入网的结果有关系，所以只需要选择一个接入算法来最小化/>

本发明假设车辆的到达是泊松过程，所以当时隙选择够小的时候，在一个时隙中，只会有一个车辆到达。那么如果当前时隙t到达的车辆为车辆i，如果它选择了接入网k，可以算出

这里之所以简化，是因为只有一个车辆到达，对于接入网k有AN_k(t)＝D_i(t)，而对于其他接入网，因为没有新车辆到达，所以有AN_j(t)＝0(j≠k)。在每一个时隙t，选择一个接入网i，使最小。

盈余工作时间算法的步骤③，正是选择令最小的接入网。根据之前的分析，可以得到盈余工作时间算法最小化了/>

如果车辆到达率λ₁、λ₂、λ₃和λ₄在稳定域中，那么肯定存在一种选择算法可以使网络稳定并且是令优化目标y达到y^*。这里，用来标记这个特殊的算法，用/>来表示在这个算法下新的到达。结合式(7)，可以得到

上式满足方法1，所以证明了盈余工作时间算法可以解优化问题(见式(1))，并且在整个稳定域内，都可以使网络稳定。

综上，相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，本发明实施例能够降低网络阻塞率，保证网络的长时稳定，且在无中心控制节点的情况下，各车辆分布式进行最优的网络选择。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种车联网网络优化接入方法，其特征在于，包括：

当车辆i在时隙t到达区域k时，获取所述区域k中每一个接入网t时刻的总盈余工作时间Tl_j(t)、传输速率R_j；

对于每一个所述接入网，分别计算第一参数第二参数/> 其中，D_i为车辆i传输的总数据量，∑_isel_ijDl_i(t)表示t时刻，接入网N_j中所有车辆的待传输数据总量；Dl_i(t)为车辆i剩余的待传输数据量；对于新到达的车辆i，如为其选择接入网N_j，则记sel_ij＝1，否则sel_ij＝0；R_j为所述接入网N_j将其所有带宽分配给所述接入网N_j中的所有车辆传输数据，所得到的传输速率；

对于车辆i，在所述区域k中，选择使最小的接入网接入；其中，V盈余工作时间的权重。

2.根据权利要求1所述的车联网网络优化接入方法，其特征在于，根据如下公式更新所述接入网的总盈余工作时间：

其中，max(Tl_j(t)-T_d(t))表示随时间流逝，盈余工作时间减少，T_d(t)表示流逝的时间，表示接入网N_j中，时隙t内新到达的车辆所产生的数据服务时间。

3.根据权利要求2所述的车联网网络优化接入方法，其特征在于，所述AN_j(t)由如下公式确定：

AN_j(t)＝∑在t时刻到达sel_ijD_i。

4.根据权利要求3所述的车联网网络优化接入方法，其特征在于，所述AN_j(t)的时间平均值为：