CN114025331B - 基于异构网络的交通***及异构网络环境下网络选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于异构网络的交通***及异构网络环境下网络选择方法，***包括十字路口和双向多车道，若干不同类型的网络，若干不同类型网络的路侧单元和数据中心服务器；数据中心服务器基于车辆请求信息和网络状态信息估算请求车辆在候选网络中的驻留时间，并基于驻留时间筛选掉会造成不必要切换的候选网络。然后利用序关系法和变异系数法分别计算网络属性的主观权重和客观权重，并结合主客观权重计算网络属性的综合权重。计算候选网络的综合效用值并选出可用网络集合。最后，结合可用网络集合进行最优网络的选择与切换。本发明能有效减少异构车载网络环境下的网络切换阻塞概率，提高***的网络吞吐量，从而满足动态的车载环境和用户需求。

Description

基于异构网络的交通***及异构网络环境下网络选择方法

技术领域

本发明属于车联网技术领域，涉及一种基于异构网络的交通***及面向异构车载环境的网络选择方法，特别是一种城市场景下基于异构网络的交通***及面向异构车载环境的网络选择方法。

背景技术

随着移动互联网与通信技术的快速发展，多种网络融合的异构网络成为网络通信发展的必然趋势。在异构网络环境下，高效的网络选择与切换有利于保障用户的服务质量体验。其中，以车辆为主要载体的异构车载网络具有车辆移动速度快、用户需求多样化和网络拓扑变化频繁等特征，容易导致“切换阻塞”现象的发生和网络资源利用率的降低，这是目前智能交通领域亟需解决的一个问题。

随着可接入网络的数量和类型越来越多，城市车载网络环境越来越复杂，传统的基于单一因素(例如接收信号强度)的网络选择方法已经难以发挥作用。因此，目前对网络选择方法的研究大多数综合多个判决因素，通过多属性决策理论对多个候选网络进行性能评估，得到与理想网络最接近的候选网络并进行接入。

然而，现有的基于多属性决策的网络选择方法依然存在许多的问题。例如不少方法缺少对候选网络的预处理，那些车辆只能进行短暂停留的候选网络容易造成非必要的网络切换；此外，完成对候选网络的性能评估后，往往盲目选择最佳网络进行接入，容易导致“切换阻塞”现象的发生并降低了网络资源利用率，难以满足动态变化的车载环境和用户需求。

发明内容

本发明针对现有异构网络选择方法的不足，提出了一种基于异构网络的交通***及面向异构车载环境的网络选择方法，筛选掉不合格的候选网络后，综合主客观权重计算网络属性的综合权重，利用候选网络的综合效用值评估网络性能的优劣，并从可选的网络集合中进行最佳网络的选择与接入。

本发明的***所采用的技术方案是：一种基于异构网络的交通***，包括十字路口和双向多车道，若干不同类型的网络交叉覆盖在交叉路口及附近区域，若干不同类型网络的路侧单元和数据中心服务器；

所述***中车辆节点随机分布，行驶速度动态变化，行驶方向包括直行，左转，右转和调头，同一时刻只能接入一个网络中享受数据通信服务；所述路侧单元用于提供无线通信服务，包括语音对话、实时流媒体、网络交互和后台下载，同时收集过往车辆的请求信息；所述数据中心服务器用于处理路侧单元上传的车辆请求信息和网络状态信息。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种异构网络环境下网络选择方法，包括以下步骤：

步骤1：路侧单元实时监测并收集车辆请求信息和网络状态信息，路侧单元收到车辆发送的请求消息后，将车辆请求信息和网络状态信息上传到数据中心服务器；数据中心服务器对上传的数据进行处理，建立当前请求车辆的候选网络列表；

步骤2：数据中心服务器估算请求车辆在各个候选网络中的驻留时间，并与阈值时间t₀相比较，若估算的驻留时间小于阈值时间t₀，则将对应网络从候选网络列表中删除，否则将对应网络进行保留；

步骤3：利用序关系法计算网络属性的主观权重w_a，利用变异系数法计算网络属性的客观权重w_b，引入调整系数计算网络属性的综合权重W；

步骤4：利用简单加权法计算候选网络的综合效用值C，若大于满足车辆通信业务需求的阈值C_min，则将该网络加入可选网络集合，否则该网络无法加入可选网络集合；

步骤5：结合可选网络集合进行最优网络的选择与切换操作，结束流程。

本发明首先基于车辆在网络中的驻留时间对候选网络进行预筛选，然后利用序关系法和变异系数法分别计算网络属性的主观权重和客观权重，并结合主客观权重计算网络属性的综合权重，接着计算候选网络的综合效用值并选出可用网络集合，最后结合可选网络集合进行最优网络的选择与切换。本发明能够有效降低网络切换的阻塞概率，提高网络吞吐量，从而能满足动态的车载环境和用户需求。

附图说明

图1为本发明实施例的***模型；

图2为本发明实施例的方法流程图；

图3为本发明实施例的估算车辆网络驻留时间场景图；

图4为本发明实施例的方法与其他两种方法在不同车辆数量情况下的切换阻塞概率对比图；

图5为本发明实施例的方法与其他两种方法在不同车辆数量情况下的网络吞吐量对比图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在目前基于多属性决策的异构车载网络选择方法中，存在缺少对候选网络的预处理，盲目选择最佳网络进行接入从而引起“切换阻塞”现象的发生并降低了网络资源利用率等问题。本发明据此提供了新的城市交通场景中面向异构车载环境的网络选择方法。一种面向异构车载环境的网络选择方法，用于高效地进行网络选择与切换。方法的基本思想是：实时收集车辆的请求信息和网络的状态信息并进行处理，通过估算请求车辆在候选网络中的驻留时间筛选掉会造成不必要切换的候选网络，建立候选网络评估模型计算候选网络的综合效用值并选出可选网络集合，结合可选网络集合选择最优网络作为切换目标。

请见图1，本发明提供的一种基于异构网络的交通***，包括十字路口和双向多车道，多种不同类型的网络交叉覆盖在交叉路口及附近区域，涉及1个LTE移动通信基站、2个WiMAX移动通信基站和2个WLAN移动通信基站，包含多种不同类型网络的路侧单元和数据中心服务器；本实施例中车辆节点随机分布，行驶速度动态变化，行驶方向包括直行、左转、右转和调头，同一时刻只能接入一个网络中享受数据通信服务；本实施例中路侧单元用于提供语音对话、实时流媒体、网络交互和后台下载等类型的无线通信服务，同时收集过往车辆的请求信息；本实施例中数据中心服务器用于处理路侧单元上传的车辆请求信息和网络状态信息。

为了使车辆选择合适的网络接入，在车辆发起网络切换请求时对当前检测到的候选网络进行性能评估，在得到候选网络的性能评估值后需要判断是否进行切换，但是现有的方法存在以下问题：

(1)异构车载环境中往往存在车辆只能短暂停留的网络，容易引起非必要的网络切换，缺少对这类网络的处理；

(2)在评估候选网络性能后，盲目选择最佳网络进行接入，不利于网络资源的高效和均衡利用。

因此，本发明提出一种异构网络环境下网络选择方法，该方法基于车辆在网络中的驻留时间筛选掉不合格的候选网络，然后利用序关系法和变异系数法分别计算网络属性的主观权重和客观权重，并结合主客观权重计算网络属性的综合权重，接着计算候选网络的综合效用值并选出可用网络集合，最后结合可选网络集合进行最优网络的选择与切换。

请见图2，本发明提供的一种异构网络环境下网络选择方法，包括以下步骤：

步骤1：路侧单元实时监测并收集车辆请求信息和网络状态信息，所述车辆请求信息包括车辆的标识符、行驶速度、行驶方向、地理位置以及通信业务类型，所述网络状态信息包括网络的带宽、时延、时延抖动、丢包率、误码率和接收信号强度；路侧单元收到车辆发送的请求消息后，将车辆请求信息和网络状态信息上传到数据中心服务器；数据中心服务器对上传的数据进行处理，并建立当前请求车辆的候选网络列表；

步骤2：数据中心服务器估算请求车辆在各个候选网络中的驻留时间，并与阈值时间t₀相比较，若估算的驻留时间小于阈值时间t₀，则将对应网络从候选网络列表中删除，否则将对应网络进行保留；

本实施例中，估算请求车辆在候选网络中的驻留时间的过程为：假设车辆在某候选网络中的移动轨迹如图3所示，基站S位于信号覆盖半径为R的候选网络中心，车辆从点P处进入基站S的信号覆盖范围，经过时间Δt后行驶至点A，最终从Q点驶出基站S的信号覆盖范围。点A的地理位置信息为(x_A,y_A)，基站S的地理位置信息为(x_S,y_S)，计算点A和基站S之间的距离D_SA，如式(1)所示：

根据图3中△SAB和△SPB的几何关系，计算点A和点B之间的距离D_AB，如式(2)所示：

其中，v为车辆的移动速度。

计算车辆在候选网络信号范围内的剩余移动轨迹总长度L，如式(3)所示：

L＝2D_AB+vΔt (3)

估算车辆在候选网络中的预估驻留时间t，如式(4)所示：

步骤3：利用序关系法计算网络属性的主观权重w_a，利用变异系数法计算网络属性的客观权重w_b；引入调整系数α计算网络属性的综合权重W；

本实施例利用序关系法计算网络属性主观权重w_a；

对网络属性进行归一化处理后，若网络属性I_j对业务类型的重要程度大于网络属性I_j-1，则记I_j>I_j-1(2≤j≤n)，n为网络属性的数量；根据对时延敏感程度的不同将语音对话、实时流媒体和网络交互划分为实时业务，将后台下载划分为非实时业务。实时类业务对应的序关系为：接收信号强度>时延>时延抖动>带宽>丢包率>误码率，非实时类业务对应的序关系为：接收信号强度>误码率>带宽>丢包率>时延>时延抖动。

令相邻网络属性I_j和I_j-1相对于业务类型的重要程度之比为R_j，1.0≤R_j≤1.8且依据人为因素的干涉对相邻网络属性I_j和I_j-1的重要程度进行判决。属性I_j-1比属性I_j同等重要时，R_j取值1.0；属性I_j-1比属性I_j的相对重要程度越高时，R_j取值越大；

计算网络属性I_j的主观权重w_aj，如式(5)所示：

本实施例利用变异系数法计算网络属性的客观权重w_b；

为合理比较量纲不同的各项网络属性，采用网络属性的变异系数来处理网络属性的客观权重。首先计算网络属性I_j的变异系数U_j，如式(6)所示：

其中，σ_j是网络属性I_j的标准差，k_j是网络属性I_j的平均数，σ_j和k_j的取值分别如式(7)和式(8)所示：

f_ij表示第i个候选网络的第j个网络属性值，1≤i≤m，1≤j≤n。m为候选网络的数量，n为网络属性的数量；

计算网络属性I_j的客观权重w_bj，如式(9)所示：

本实施例引入调整系数α，0≤α≤1，计算网络属性I_j的综合权重W_j：

W_j＝αw_aj+(1-α)w_bj (10)

步骤4：利用简单加权法计算候选网络的综合效用值C，若大于满足车辆通信业务需求的阈值C_min，则将该网络加入可选网络集合，否则该网络无法加入可选网络集合；

计算出网络属性的综合权重之后，可通过简单加权法计算候选网络的综合效用值，候选网络T_i的综合效用值C_i通过下式进行计算：

其中，W_j表示第j个网络属性的综合权重，f_ij表示第i个候选网络的第j个属性的属性值。

步骤5：结合可选网络集合进行网络选择与切换操作，结束流程；

本实施中，该步骤具体包括以下步骤：

步骤5.1：记当前接入网络为N_current，可选网络集合中具有最大综合效用值的网络为N_best。计算当前接入网络的综合效用值C_current，与满足当前车辆通信业务需求的最小网络综合效用值C_min进行比较，若C_current＞C_min，则转步骤5.2，否则转步骤5.3；

步骤5.2：保持当前网络的接入状态不变，不进行网络切换，结束本流程；

步骤5.3：进行网络切换操作，选择并接入综合效用值最大的网络N_best，结束本流程。

为了说明本实施例的方法性能，提供如下几种方法作对比：

1)MADM-VHO，一种基于多属性决策的网络选择方法。

2)ST-VHO，一种以驻留时间作为主要判决因素的网络选择方法。

基于MATLAB进行对比实验，在不同的车辆数量情况下比较三种网络选择方法的切换阻塞概率和网络吞吐量。图4表明所提网络选择方法的切换阻塞概率在三种方法中表现最佳，与性能相对较优的MADM-VHO方法相比较，在车辆数量为100时切换阻塞概率减少了33.97％。图5表明所提网络选择方法的网络吞吐量在三种方法中表现最佳，与性能较优的MADM-VHO方法相比较，网络吞吐量提高了12.78～17.12％。

本发明通过估算车辆在候选网络中的驻留时间筛选出能提供更为稳定通信服务的网络，通过结合主客观权重构造效用函数来更加准确地评估候选网络的性能，通过判断当前接入网络的综合效用值是否满足当前车辆通信业务的最小需求，避免了盲目接入具有最大综合效用值的候选网络。本发明能有效减少网络切换阻塞概率，提高了***的网络吞吐量，从而满足动态的车载环境和用户需求。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种异构网络环境下网络选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：路侧单元实时监测并收集车辆请求信息和网络状态信息，路侧单元收到车辆发送的请求消息后，将车辆请求信息和网络状态信息上传到数据中心服务器；数据中心服务器对上传的数据进行处理，建立当前请求车辆的候选网络列表；

步骤2：数据中心服务器估算请求车辆在各个候选网络中的驻留时间，并与阈值时间t₀相比较，若估算的驻留时间小于阈值时间t₀，则将对应网络从候选网络列表中删除，否则将对应网络进行保留；

步骤3：计算网络属性的主观权重w_a，计算网络属性的客观权重w_b，计算网络属性的综合权重W；

利用序关系法计算网络属性的主观权重w_a；

对网络属性进行归一化处理后，若网络属性I_j对业务类型的重要程度大于网络属性I_j-1，则记I_j>I_j-1，2≤j≤n，n为网络属性的数量；根据对时延敏感程度的不同将语音对话、实时流媒体和网络交互划分为实时业务，将后台下载划分为非实时业；实时类业务对应的序关系为：接收信号强度>时延>时延抖动>带宽>丢包率>误码率，非实时类业务对应的序关系为：接收信号强度>误码率>带宽>丢包率>时延>时延抖动；

令相邻网络属性I_j和I_j-1相对于业务类型的重要程度之比为R_j，1.0≤R_j≤1.8且依据人为因素的干涉对相邻网络属性I_j和I_j-1的重要程度进行判决；属性I_j-1比属性I_j同等重要时，R_j取值1.0；属性I_j-1比属性I_j的相对重要程度越高时，R_j取值越大；

则计算网络属性I_j的主观权重w_aj为：

利用变异系数法计算网络属性的客观权重w_b；

首先计算网络属性I_j的变异系数U_j：

其中，σ_j是网络属性I_j的标准差，k_j是网络属性I_j的平均数；f_ij表示第i个候选网络的第j个网络属性值，1≤i≤m，1≤j≤n，m为候选网络的数量，n为网络属性的数量；

则计算网络属性I_j的客观权重w_bj为：

步骤4：计算候选网络的综合效用值C，若大于满足车辆通信业务需求的阈值C_min，则将该网络加入可选网络集合，否则该网络无法加入可选网络集合；

步骤5：结合可选网络集合进行最优网络的选择与切换操作，结束流程。

2.根据权利要求1所述的异构网络环境下网络选择方法，其特征在于：步骤1中所述车辆请求信息包括车辆的标识符、行驶速度、行驶方向、地理位置以及通信业务类型，所述网络状态信息包括网络的带宽、时延、时延抖动、丢包率、误码率和接收信号强度。

3.根据权利要求1所述的异构网络环境下网络选择方法，其特征在于：步骤2中，基站S位于信号覆盖半径为R的候选网络中心，车辆从点P处进入基站S的信号覆盖范围，经过时间Δt后行驶至点A，最终从Q点驶出基站S的信号覆盖范围；点A的地理位置信息为(x_A,y_A)，基站S的地理位置信息为(x_S,y_S)，计算点A和基站S之间的距离D_SA：

计算点A和点B之间的距离D_AB：

其中，v为车辆的移动速度；

计算车辆在候选网络信号范围内的剩余移动轨迹总长度L：

L＝2D_AB+vΔt(3)

估算车辆在候选网络中的预估驻留时间t：

4.根据权利要求1所述的异构网络环境下网络选择方法，其特征在于：步骤3中，引入调整系数计算网络属性的综合权重W；

引入调整系数α，0≤α≤1，计算网络属性I_j的综合权重W_j为：

W_j＝αw_aj+(1-α)w_bj(10)

其中，w_aj为网络属性I_j的主观权重，w_bj为网络属性I_j的客观权重。

5.根据权利要求1所述的异构网络环境下网络选择方法，其特征在于：步骤4中，利用简单加权法计算候选网络的综合效用值C；

对于候选网络T_i，其综合效用值C_i的计算为：

其中，W_j表示第j个网络属性的综合权重，f_ij表示第i个候选网络的第j个属性的属性值，n表示网络属性的数量。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的异构网络环境下网络选择方法，其特征在于，步骤5的具体实现包括以下子步骤：

步骤5.1：记当前接入网络为N_current，可选网络集合中具有最大综合效用值的网络为N_best；计算当前接入网络的综合效用值C_current，与满足当前车辆通信业务需求的最小网络综合效用值C_min进行比较，若C_current＞C_min，则转步骤5.2，否则转步骤5.3；

步骤5.2：保持当前网络的接入状态不变，不进行网络切换，结束本流程；

步骤5.3：进行网络切换操作，选择并接入综合效用值最大的网络N_best，结束本流程。

7.一种基于异构网络的交通***，采用权利要求1-6任一项所述的方法；其特征在于：包括十字路口和双向多车道，若干不同类型的网络交叉覆盖在交叉路口及附近区域，若干不同类型网络的路侧单元和数据中心服务器；

所述***中车辆节点随机分布，行驶速度动态变化，行驶方向包括直行，左转，右转和调头，同一时刻只能接入一个网络中享受数据通信服务；所述路侧单元用于提供无线通信服务，包括语音对话、实时流媒体、网络交互和后台下载，同时收集过往车辆的请求信息；所述数据中心服务器用于处理路侧单元上传的车辆请求信息和网络状态信息。