CN114245344B - 一种车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，公开了一种车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法及***，所述车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法包括：基站首先需要对车‑车链路上的不确定信道状态信息进行采样，并根据采样结果来学习不确定信道状态信息的一阶矩和二阶矩；根据学习到的矩信息，构造一个鲁棒对等的车‑车链路凸约束条件来等价的替换掉之前难以解决的概率约束条件；根据获得的鲁棒对等，调用一个二分法来求解车‑基站链路和车‑车链路上的发射功率；随后对获得的发射功率进行可行性验证，将验证后的结果进行输出。本发明具有在不同场景下进行部署的能力，同时本发明易和其他子载波分配方案来联合使用，使得本发明具有很好的兼容特性。

Description

一种车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法及***
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法及***。
背景技术
目前，车联网通信***中包含车-基站和车-车链路。车-车链路通过复用车-基站链路的频谱资源来进行通信。为了实现车-基站链路和车-车链路的和谐共存，就依赖于基站集中式的对不同链路的资源进行管控。基站对无线资源进行管控的前提是充分的获取不同链路上的信道状态信息。然而，车联网的特点是车辆具有高机动性。由于车-基站链路和基站直接相连，因此基站尚且能够准确的获取车-基站链路上的信道状态信息。但是车-车链路上的信道状态信息需要进行多次中继转发才能达到基站，也就是说车-车链路上信道状态信息的反馈需要一定的时延。由于车辆的高移动特性，基站获取车-车链路的信道状态信息时，车辆的位置已经发生变化，这就造成了车联网环境中的基站很难获得准确的车-车链路信道状态信息；再加上车联网通信***对通信链路的可靠性有着极高的要求，因此面向不确定信道状态信息的鲁棒功率控制就变的非常重要。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：车-车链路上的信道状态信息需要进行多次中继转发才能达到基站，车-车链路上信道状态信息的反馈需要一定的时延。同时由于车辆的高移动特性，基站获取车-车链路的信道状态信息时，车辆的位置已经发生变化，易造成车联网环境中的基站很难获得准确的车-车链路信道状态信息；并且现有的车联网通信***对通信链路的可靠性无法保障。
解决以上问题及缺陷的难度为：在没有准确信道状态信息的情况下，***只能够建立一个随机的功率分配问题。通常情况下，这个随机的功率分配问题是一个NP难问题，并且根据求解这个问题得到的功率分配解也难以满足车-车链路的可靠性约束。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明的通过解决这个问题，能够为车联网***提供一个接近实用的鲁棒功率控制策略，其能够在满足车-车链路可靠性需求的同时最大程度的节省***中的功率资源。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法及***。本发明解决了高机动情况下车联网***中的功率分配问题，并且本发明能够明显提高车联网***中通信链路的鲁棒性。
本发明是这样实现的，一种车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法，所述车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法，包括：
步骤一，基站首先需要对车-车链路上的不确定信道状态信息进行采样，并根据采样结果来学习不确定信道状态信息的一阶矩和二阶矩；
步骤二，根据学习到的矩信息，构造一个鲁棒对等的车-车链路凸约束条件来等价的替换掉之前难以解决的概率约束条件；
步骤三，根据获得的鲁棒对等，调用一个二分法来求解车-基站链路和车-车链路上的发射功率；
步骤四，随后对获得的发射功率进行可行性验证，将验证后的结果进行输出。
进一步，所述车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法，具体过程为：
步骤A，进行初始化；
步骤B：对不确定信道状态进行学习；
步骤C：根据学到的一阶矩g和二阶矩Σ信息来构造车-车链路的鲁棒对等表达式；
步骤D：根据车-基站链路的约束条件和车-车链路的鲁棒对等表达式，求解车-基站链路和车-车链路上的发射功率和/>
步骤E：判断发射功率和/>是否满足下式车-基站：/>
步骤F：输出功率分配结果和Rc。
进一步，所述步骤A，初始化具体过程为：
1a)用pc和pd表示车-基站链路和车-车链路上面的发射功率；
1b)用gd、gc、gcd、gB来表示车-车链路，车-基站链路、车-车之间干扰链路、车-基站之间干扰链路的信道增益；
1c)对不确定的信道状态g＝[gd,gcd]T进行N次采样，其样本集合为D＝{ξ(1),ξ(2),…,ξ(N)}；
1d)将功率分配问题建模为
s.t车-基站：
车-车：Pr
进一步，所述步骤B中对不确定信道状态进行学习，具体过程为：
学习不确定信道状态信息的一阶矩和二阶矩Σ
其中
进一步，所述步骤C中，根据学到的一阶矩和二阶矩Σ信息来构造车-车链路的鲁棒对等表达式：
其中β是实数，Z是一个三维对称矩阵
进一步，所述步骤D中，根据车-基站链路的约束条件和车-车链路的鲁棒对等表达式，求解车-基站链路和车-车链路上的发射功率和/>具体过程为：
4a)初始化设置其中/>是车-车链路上的最大发射功率，设置精度参数/>
4b)判断若成立，则跳转到步骤4c)，若不成立，则跳转到4i)；
4c)计算
4d)通过CVX工具包求解优化问题
pc≥0；
获得发射功率pc；
4e)判断其中/>是车-基站链路上的最大发射功率，若是，则跳转到4f)，若不是则跳转到4g)；
4f)令跳转到4b)；
4g)判断若是，则跳转到4h，若不是则跳转到4i)；
4h)令跳转到4b)；
4i)设置
进一步，所述步骤E中，判断发射功率和/>是否满足下式
车-基站：
若约束条件满足，则计算车-基站链路上的传输速率计算为：
若不满足，则令Rc＝-∞。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制***，所述车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制***中车联网包含有一个车-车链路，一个车-基站链路，车-车链路通过复用车-基站链路的频谱资源实现通信；一个车-车链路只能复用一个车-基站链路上的频谱资源，并且一个车-基站链路的频谱资源只能被一个车-车链路来复用；
假设基站覆盖范围的半径为200米，车和基站的距离在80米到200米之间随机取值，车与车间的距离在40米到50米之间随机取值，SINR约束设置为和/>
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述包括车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法，下列步骤：
步骤一，基站首先需要对车-车链路上的不确定信道状态信息进行采样，并根据采样结果来学习不确定信道状态信息的一阶矩和二阶矩；
步骤二，根据学习到的矩信息，构造一个鲁棒对等的车-车链路凸约束条件来等价的替换掉之前难以解决的概率约束条件；
步骤三，根据获得的鲁棒对等，调用一个二分法来求解车-基站链路和车-车链路上的发射功率；
步骤四，随后对获得的发射功率进行可行性验证，将验证后的结果进行输出。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明从采集的信道状态信息中来学习信道的特性，而不依赖不确定信道状态信息的分布特性，使得本发明具有了在不同场景下进行部署的能力。同时本发明瞄准的是一个频谱资源复用对上的功率分配问题，因此本发明很容易和其他子载波分配方案来联合使用，使得本发明具有很好的兼容特性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制***结构示意图。
图3是本发明实施例提供的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制整体过程示意图。
图4是本发明实施例提供的功率分配过程的示意图。
图5是本发明实施例提供的获得的车-基站链路和车-车链路上的功率分配结果示意图。
图6是本发明实施例提供的车-车链路实现的SINR分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法及***，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图1所示，本发明实施例提供的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法，包括：
S101：基站首先需要对车-车链路上的不确定信道状态信息进行采样，并根据采样结果来学习不确定信道状态信息的一阶矩和二阶矩；
S102：根据学习到的矩信息，构造一个鲁棒对等的车-车链路凸约束条件来等价的替换掉之前难以解决的概率约束条件；
S103：根据获得的鲁棒对等，调用一个二分法来求解车-基站链路和车-车链路上的发射功率；
S104：随后对获得的发射功率进行可行性验证，将验证后的结果进行输出。
如图2所示，本发明实施例提供的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制***中车联网包含有一个车-车(V2V)链路，一个车-基站链路(V2I)，车-车链路通过复用车-基站链路的频谱资源实现通信；一个车-车链路只能复用一个车-基站链路上的频谱资源，并且一个车-基站链路的频谱资源只能被一个车-车链路来复用；假设基站覆盖范围的半径为200米，车和基站的距离在80米到200米之间随机取值，车与车间的距离在40米到50米之间随机取值，SINR约束设置为和/>
如图3所示，本发明实施例提供的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制过程，具体为：
步骤A，初始化步骤
1a)用pc和pd表示车-基站链路和车-车链路上面的发射功率；
1b)用gd、gc、gcd、gB来表示车-车链路，车-基站链路、车-车之间干扰链路、车-基站之间干扰链路的信道增益；
1c)对不确定的信道状态g＝[gd,gcd]T进行N次采样，其样本集合为D＝{ξ(1),ξ(2),…,ξ(N)}；
1d)将功率分配问题建模为
s.t车-基站：
车-车：
步骤B：对不确定信道状态进行学习；
学习不确定信道状态信息的一阶矩和二阶矩Σ
其中
步骤C：根据学到的一阶矩和二阶矩Σ信息来构造车-车链路的鲁棒对等表达式：
其中β是实数，Z是一个三维对称矩阵
步骤D：根据车-基站链路的约束条件和车-车链路的鲁棒对等表达式，求解车-基站链路和车-车链路上的发射功率和/>
4a)初始化设置其中/>是车-车链路上的最大发射功率，设置精度参数/>
4b)判断若成立，则跳转到步骤4c)，若不成立，则跳转到4i)；
4c)计算
4d)通过CVX工具包求解优化问题
pc≥0；
获得发射功率pc；
4e)判断其中/>是车-基站链路上的最大发射功率，若是，则跳转到4f)，若不是则跳转到4g)；
4f)令跳转到4b)；
4g)判断若是，则跳转到4h，若不是则跳转到4i)；
4h)令跳转到4b)；
4i)设置
步骤E：判断发射功率和/>是否满足下式
车-基站：
若约束条件满足，则计算车-基站链路上的传输速率计算为：
若不满足，则令Rc＝-∞。
步骤F：输出功率分配结果和Rc。
下面结合仿真实验对本发明的技术方案作详细的描述。
图5展示了本方法功率控制策略所获得的功率分配结果。从图中可以看出，本发明的功率控制策略能够快速的找到最优解。图6说明在不确定信道状态测试集下不同资源分配方法的应有SINR累积分布。不难理解，横坐标为1的曲线上的点可被视为车-车链路通信的中断概率。可以发现，非鲁邦功率控制方法下的车-车链路中断概率都大于0.4。通过保护操作，本发明的鲁棒功率控制方法可以有效降低车-扯链路的中断概率。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行***，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法，其特征在于，所述车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法，包括：
步骤一，基站首先需要对车-车链路上的不确定信道状态信息进行采样，并根据采样结果来学习不确定信道状态信息的一阶矩和二阶矩；
步骤二，根据学习到的矩信息，构造一个鲁棒对等的车-车链路凸约束条件来等价的替换掉之前难以解决的概率约束条件；
步骤三，根据获得的鲁棒对等，调用一个二分法来求解车-基站链路和车-车链路上的发射功率；
步骤四，随后对获得的发射功率进行可行性验证，将验证后的结果进行输出；
所述车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法，具体过程为：
步骤A：进行初始化；
初始化具体过程为：
1a)用pc和pd表示车-基站链路和车-车链路上面的发射功率；
1b)用gd、gc、gcd、gB来表示车-车链路，车-基站链路、车-车之间干扰链路、车-基站之间干扰链路的信道增益；
1c)对不确定的信道状态g＝[gd,gcd]T进行N次采样，其样本集合为D＝{ξ(1),ξ(2),…,ξ(N)}；
1d)将功率分配问题建模为
其中和/>分别为车基站链路和车车链路上的SINR需求；
步骤B：对不确定信道状态进行学习；
具体过程为：
学习不确定信道状态信息的一阶矩和二阶矩Σ
其中
步骤C：根据学到的一阶矩和二阶矩Σ信息来构造车-车链路的鲁棒对等表达式；
其中β是实数，Z是一个三维对称矩阵
步骤D：根据车-基站链路的约束条件和车-车链路的鲁棒对等表达式，求解车-基站链路和车-车链路上的发射功率和/>
具体过程为：
4a)初始化设置其中/>是车-车链路上的最大发射功率，设置精度参数/>
4b)判断若成立，则跳转到步骤4c)，若不成立，则跳转到4i)；
4c)计算
4d)通过CVX工具包求解优化问题
Z-Φ＞0,
pc≥0；
获得发射功率pc；
4e)判断其中/>是车-基站链路上的最大发射功率，若是，则跳转到4f)，若不是则跳转到4g)；
4f)令跳转到4b)；
4g)判断若是，则跳转到4h，若不是则跳转到4i)；
4h)令跳转到4b)；
4i)设置
步骤E：判断发射功率和/>是否满足车-基站链路约束条件：
车-基站：
若约束条件满足，则计算车-基站链路上的传输速率计算为：
若不满足，则令Rc＝-∞；
步骤F：输出功率分配结果和Rc。
2.一种实施如权利要求1所述车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制***，其特征在于，所述车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制***中车联网包含有一个车-车链路，一个车-基站链路，车-车链路通过复用车-基站链路的频谱资源实现通信；一个车-车链路只能复用一个车-基站链路上的频谱资源，并且一个车-基站链路的频谱资源只能被一个车-车链路来复用；
基站覆盖范围的半径为200米，车和基站的距离在80米到200米之间随机取值，车与车间的距离在40米到50米之间随机取值，SINR约束设置为和/>
3.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1所述的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法的步骤。
4.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求1所述的车联网不确定信道状态信息鲁棒功率控制方法。
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