一种车载网络数据传输能耗优化方法及系统与流程
本发明属于计算机网络与移动互联网技术领域，更具体地，涉及一种基于频谱共享博弈的车载网络数据传输能耗优化方法及系统。
背景技术：
随着社会的快速发展，各式汽车逐渐走进普通家庭，成为主要的出门代步工具。与之相对应，车载网络研究逐渐兴起。而随着交通拥堵、交通安全、服务质量(qualityofservice，qos)等问题的出现，车载网络的研究需求也越来越大。
车载自组织网络主要由车载单元(on-boardunits，obus)和路边单元(roadsideunits，rsus)组成。对于用户而言，车辆自组织网络(vehicularadhocnetworks，vanet)可以提供以下几种服务：1)道路安全辅助服务。通过对路况和车况的实时监控和预测，将信息及时反馈给用户，以减小道路事故的发生概率。在该类服务中，有效的数据传递和较小的延时是关键。2)无线网络接入服务，包括娱乐信息，邮件上传与下载，最新的地图更新等等。在该类服务中，需要足够的带宽支持，而对延时却不是很敏感。3)交通管理服务，包括电子计费，车牌号码识别，路网与车辆之间的信息交互等等。现有的专用短程通信技术(dedicatedshortrangecommunications,dsrc)是一种适用于短距离的快速移动的目标识别技术，基本可以在车辆数量不是很多的情况下，完成交通管理通信服务。
然而，当车辆数量增大的时候，车辆道路安全服务的需求增大，车载用户可用的频谱资源变得紧缺。同时，当车载用户需要得到稳定的无线网络接入服务时，可用频谱资源变得尤为紧缺。另一方面，车辆的快速移动，信道的拓扑变化很快，车与车之间、车与路边设备中间可以理想通信的时间很短，要想完成通信，需要更多的带宽来支持。基于以上分析可以发现：车载网络中存在频谱资源短缺问题，且该问题会随着路面车辆密度的增大和车辆用户需求的复杂化而逐步变得严重。当前世界的多数国家采用政府统一分配授权的静态频谱管理方式，由政府无线电管理部统一对无线电频谱进行频段的划分、分配及授权，但是在这种静态的频谱管理方式下，频谱的利用出现高度的不均衡性，部分频段的利用率很高甚至出现了过度利用，而有的频段的利用率却非常低，造成一定程度的浪费，而且现今为止多数的可用频谱资源基本分配完毕，基本不可能单独分配一部分频谱资源作为车联网通信的专用频段。
认知无线电技术的引入，可以有效地解决该问题。在认知车载网络中，车辆用户作为次用户，其余的无线服务(主要是tv信号)用户作为主用户。次用户可以在不影响主用户的前提下，与主用户共享频谱资源，从而改善次用户的通信质量，提高频谱的利用率。目前对于vanet的相关研究大都是基于固定的发射功率，但是实际行驶的车辆是分布不均匀且不断变化的，采用固定的发射功率无法很好地适应vanet环境：采用固定的发射功率，在车辆集中的地方，由于节点通信范围内的邻居节点多，就会造成数据碰撞概率变大巧＂广播风暴＂等问题；而在车辆分散的地方，就会出现链路存在时间短和网络连接率低等问题。因此能量损耗问题依旧是一个十分重要的问题。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种车载网络数据传输能耗优化方法及系统，由此解决现有车辆自组织网络基于固定的发射功率而存在的能量损耗较高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种车载网络数据传输能耗优化方法，包括：
(1)根据当前时刻两个路边单元之间需要传递的数据包、各数据包的截止时间、转发区域距离以及车流速度构建车载网络系统，并在所述车载网络系统中，根据待传递车辆需要传递的数据包的截止时间，计算出转发区域距离区间内的车流密度；
(2)若当前时刻有新数据包加入，则根据当前时刻各数据包的截止时间、所述车流密度以及可共享空闲信道状态确定各车辆设备发射机的发射功率，并根据所述各车辆设备发射机的发射功率，得到各车辆设备选择各空闲信道的效用函数，将空闲信道分配给选择该空闲信道时效用函数最大的车辆设备，由选择出的各车辆设备完成所述待传递车辆的数据包的传递任务；
(3)若当前时刻没有新数据包加入，且当前时刻无空闲信道且数据包未传递完成，则按照最近一次的信道分配选择策略控制当前时刻的信道分配；
(4)若当前时刻有空闲信道且数据包传递完成，则结束信道分配。
优选地，步骤(2)具体包括：
(2.1)初始化n个车辆设备的信道分配和发射功率；
(2.2)对于车辆设备i，由所述车辆设备i探测m个空闲信道上的干扰信息；
(2.3)所述车辆设备i根据探测到的各空闲信道上的干扰信息，计算在m个空闲信道上使得效用函数达到最大的发射功率；
(2.4)根据所述发射功率，由
(2.5)将效用函数最大时对应的空闲信道分配给所述车辆设备i；
(2.6)判断当前分配是否收敛，若不收敛，则返回执行步骤(2.2)对其他车辆设备进行资源分配，若收敛，则信道分配结束，其中，收敛条件为所有空闲信道的当前功耗均为最小，且所有车辆设备分配的信道不改变。
优选地，步骤(2.3)具体包括：
(2.3.1)若车辆设备i在空闲信道j上的发射功率pi(fj)小于等于pmin，则pi(fj)＝pmin，其中，pmin表示在没有其他车辆设备时，车辆设备i的接收机正常解码的发射机最小发射功率；
(2.3.2)若车辆设备i在空闲信道j上的发射功率pi(fj)大于等于pmax，则pi(fj)＝pmax，其中，pmax表示车辆设备i的发射机最大允许发射功率和根据干扰温度门限计算得到的最大发射功率中的最小值；
(2.3.3)若车辆设备i在空闲信道j上的发射功率pi(fj)在pmin与pmax之间，则
按照本发明的另一方面，提供了一种车载网络数据传输能耗优化系统，包括：
车流密度确定模块，用于根据当前时刻两个路边单元之间需要传递的数据包、各数据包的截止时间、转发区域距离以及车流速度构建车载网络系统，并在所述车载网络系统中，根据待传递车辆需要传递的数据包的截止时间，计算出转发区域距离区间内的车流密度；
第一信道分配模块，用于在当前时刻有新数据包加入时，根据当前时刻各数据包的截止时间、所述车流密度以及可共享空闲信道状态确定各车辆设备发射机的发射功率，并根据所述各车辆设备发射机的发射功率，得到各车辆设备选择各空闲信道的效用函数，将空闲信道分配给选择该空闲信道时效用函数最大的车辆设备，由选择出的各车辆设备完成所述待传递车辆的数据包的传递任务；
第二信道分配模块，用于在当前时刻没有新数据包加入，且当前时刻无空闲信道且数据包未传递完成时，按照最近一次的信道分配选择策略控制当前时刻的信道分配；
第三信道分配模块，用于在当前时刻有空闲信道且数据包传递完成时，结束信道分配。
优选地，所述第一信道分配模块包括：
初始化模块，用于初始化n个车辆设备的信道分配和发射功率；
干扰获取模块，用于对于车辆设备i，由所述车辆设备i探测m个空闲信道上的干扰信息；
发射功率获取模块，用于由所述车辆设备i根据探测到的各空闲信道上的干扰信息，计算所述车辆设备i在m个空闲信道上使得效用函数达到最大的发射功率；
效用函数确定模块，用于根据所述发射功率，由
信道分配模块，用于将效用函数最大时对应的空闲信道分配给所述车辆设备i；
收敛判断模块，用于判断当前分配是否收敛，并在不收敛时，返回执行所述干扰获取模块对其他车辆设备进行资源分配，在收敛时，完成信道分配结束，其中，收敛条件为所有空闲信道的当前功耗均为最小，且所有车辆设备分配的信道不改变。
优选地，所述发射功率获取模块包括：
第一发射功率获取子模块，用于在车辆设备i在空闲信道j上的发射功率pi(fj)小于等于pmin时，pi(fj)＝pmin，其中，pmin表示在没有其他车辆设备时，车辆设备i的接收机正常解码的发射机最小发射功率；
第二发射功率获取子模块，用于在车辆设备i在空闲信道j上的发射功率pi(fj)大于等于pmax时，pi(fj)＝pmax，其中，pmax表示车辆设备i的发射机最大允许发射功率和根据干扰温度门限计算得到的最大发射功率中的最小值；
第三发射功率获取子模块，用于在车辆设备i在空闲信道j上的发射功率pi(fj)在pmin与pmax之间时，
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)在保证电视tv频段的正常通信下，共享该频段提高频谱利用率，满足车载网络中车辆设备的通信要求。基于博弈论模型的频谱共享节能策略综合考虑平均信干比和公平性指标，提高平均信干比的同时保证了公平性，提高了系统性能。
(2)车载网络中用户发射功率增大造成恶意竞争，增加了干扰，另一方面加大用户能耗，增大了能量受限用户设备的使用时间。改进的博弈共享算法模型以数据包传输队列，各任务时间容忍度，信道状况作为输入参数，在严格满足时间容忍度的前提下选择最优的共享策略从而减少网络传输能耗，通过联合对车辆所占信道和发射功率的调整，减小了不同车辆间的同频干扰，在保证系统性能和公平性的同时，显著降低了系统平均发射功率，减小了系统能耗，此传输方案能够使所有任务在规定时间内完成且消耗最少的传输能耗。比起默认的任务到达即传输方案，本发明的能耗优化方法能够减少约20％的能耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种车载网络数据传输能耗优化方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种频谱共享博弈方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种100m的区域中车载网络传输示意图；
图4为本发明实施例提供的一种通过现有随机机制与博弈合作传输之间车辆能获得的平均效用的对比图；
图5为本发明实施例提供的一种车辆数与效用值的关系曲线图。
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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种车载网络数据传输能耗优化方法及系统，充分发挥网络传输任务的时间容忍度，根据车辆负载及功率代价选择最佳的共享信道。一方面通过博弈模型在最佳收益下传输，另一方面频谱资源分配避免频谱感知功率的浪费从而减少系统能耗。该网络数据传输能耗优化方法能够达到网络数据传输能耗的最大化优化。
如图1所示为本发明实施例提供的一种车载网络数据传输能耗优化方法的流程示意图，图1所示的方法以时间顺序为线索，该方法具体包括：
(1)根据当前时刻两个路边单元之间需要传递的数据包、各数据包的截止时间、转发区域距离以及车流速度构建车载网络系统，并在车载网络系统中，根据待传递车辆需要传递的数据包的截止时间，计算出转发区域距离区间内的车流密度；
(2)若当前时刻有新数据包加入，则根据当前时刻各数据包的截止时间、车流密度以及可共享空闲信道状态确定各车辆设备发射机的发射功率，并根据各车辆设备发射机的发射功率，得到各车辆设备选择各空闲信道的效用函数，将空闲信道分配给选择该空闲信道时效用函数最大的车辆设备，由选择出的各车辆设备完成待传递车辆的数据包的传递任务；
(3)若当前时刻没有新数据包加入，且当前时刻无空闲信道且数据包未传递完成，则按照最近一次的信道分配选择策略控制当前时刻的信道分配；
(4)若当前时刻有空闲信道且数据包传递完成，则结束信道分配。
在步骤(2)中，在已知当前数据包列表、各数据包截止时间、可共享空闲信道状态的前提下，可以计算当前所有空闲信道的选择策略，具体包括以下内容：
在算法中博弈论模型g＝＜n,a,{uj}＞主要包括三个部分：1)参与人，n个车载车辆设备；2)策略空间包括信道选择策略，m表示信道个数，功率选择策略pi(fj)；3)效用函数主要考虑信道容量，信道容量与车辆所在信道收到的干扰以及发射功率有直接关系。当其他车辆的信道和功率策略不再改变时，当前车辆的效用就只跟所选择的信道和自身的功率策略有关系。这样做的一个严重后果是所有认知车辆都会无限制提高功率去感知空闲频谱，加剧了干扰，也增加了大量的能量损耗。为了合理分配共享频谱的信道，提高能量使用效率，算法的效用函数中加入了功率代价λipi(fj)，其中，a表示参与人的可选策略，即车载车辆设备与频谱共享有关的各种行为，例如信道选择功率选择等。
效用函数可表示为：
ui(pi(fj),p-i(fj))＝max{uj(pi(fj),p-i(fj))},j＝1,2,3,...,m；
其中，uj(pi(fj),p-i(fj))表示车辆设备i在空闲信道j上的效用函数；
其中，j表示信道数，i,k表示车载车辆，gki表示车辆设备k与所述车辆设备i之间的链路增益，f表示信道，n0为噪声，λi表示功代价指数，pi(fj)表示车辆i在空闲信道j上的功率选择，p-i(fj)表示除车辆设备i以外其他车辆设备在信道j上的功率选择，gii表示认知车辆设备i自身的链路增益。
考虑所有数据包转发的时间容忍度，保证数据量的前提下计算出所需要的信道容量，从而得到满足该时间容忍度的功率，然后将不同车辆选择信道j的效用函数uj(pi(fj),p-i(fj))进行比较，将信道j分配给效用函数u大的车辆。算法的收敛条件是判断车载车辆设备的策略组合是否达到纳什均衡，当所有信道的当前功耗都为最小时，选择策略不再改变，即达到了纳什均衡。
通过上述方法可以在严格满足时间容忍度的前提下选择最优的频谱共享方案对网络数据包进行转发，从而最大程度减少网络传输能耗。
如图2所示为本发明实施例提供的一种频谱共享博弈方法的流程示意图，具体包括：
(2.1)初始化n个车辆设备的信道分配和发射功率；
其中，可以随机信道分配和恒定功率。
(2.2)对于车辆设备i，由车辆设备i探测m个空闲信道上的干扰信息；
其中，可通过频谱检测或者发射探测包的方式获取干扰信息，且干扰信息为
(2.3)车辆设备i根据探测到的各空闲信道上的干扰信息，计算在m个空闲信道上使得效用函数达到最大的发射功率；
其中，步骤(2.3)具体包括：
(2.3.1)若车辆设备i在空闲信道j上的发射功率pi(fj)小于等于pmin，则pi(fj)＝pmin，其中，pmin表示在没有其他车辆设备时，车辆设备i的接收机正常解码的发射机最小发射功率；
(2.3.2)若车辆设备i在空闲信道j上的发射功率pi(fj)大于等于pmax，则pi(fj)＝pmax，其中，pmax表示车辆设备i的发射机最大允许发射功率和根据干扰温度门限计算得到的最大发射功率中的最小值；
(2.3.3)若车辆设备i在空闲信道j上的发射功率pi(fj)在pmin与pmax之间，则
(2.4)根据发射功率，由
(2.5)将效用函数最大时对应的空闲信道分配给车辆设备i；
(2.6)判断当前分配是否收敛，若不收敛，则返回执行步骤(2.2)对其他车辆设备进行资源分配，若收敛，则信道分配结束，其中，收敛条件为所有空闲信道的当前功耗均为最小，且所有车辆设备分配的信道不改变。
如图3所示详细展示了一个100m的区域中车载网络通过本发明的基于频谱共享博弈算法的网络数据传输能耗优化方法的传输。信道数m＝4，初始功率p＝10dbm，v＝100km/h参与转发的车辆数随待处理的数据包数量从0-160变化。具体包括如下的步骤：
(3-1)按照步骤(2.1)随机初始化存储信道分配和功率；
(3-2)按照步骤(2.3)计算发射功率的值；
(3-3)按照步骤(2.4)计算效用函数uj(pi(fj),p-i(fj))的值；
(3-4)按照步骤(2.5)选择效用函数最大的分配方案；
(3-5)按照步骤(2.6)使系统达到稳定状态，计算结束。
至此完成频谱共享博弈节能的所有步骤，下面以蜂窝-车辆网环境为例讲解该发明的应用：
把问题分为网关选择和车联网合作传输两个部分，可以克服网络的异构性，并且能够激励车辆之间的合作。根据上述步骤设计合理的效用函数和分配策略设计，并且运用简单的联盟合并和分离策略有效的克服了联盟博弈中复杂度过高的弊端，使得算法拥有高性能和线性复杂度。
如图4所示，通过现有随机机制与博弈合作传输之间车辆能获得的平均效用的对比。在非合作机制中，仅有一部分带有蜂窝接口的车辆能获得数据。而对于其他车辆来说，由于无法获得数据，他们的效用值为0。在仿真中，拥有蜂窝接口的车辆比例为固定的40％，因此在网络容量充裕且不考虑干扰的情况下，平均效用值随着车辆数目的变化不大且数值处于低位。在合作博弈传输过程中，由于车辆间合作的存在，更多的车辆能够获得效用，所以车辆的平均效用比非合作时高很多。并且在一定限度内，随着车辆数目的增加，各个车辆有更多的机会选择更好的信道加入，平均效用也因此呈增加趋势。值得注意的是，由于网络容量以及干扰的存在，这种增加是在一定限度内的。
车辆数目n在50-120范围内，网络达到均衡状态前总切换数目的变化情况。与上述分析的一致，形成稳定系统的算法的复杂度为o(n)，切换数随着车辆数目的增加而线性增加，如图5所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
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