一种基于车载网络的数据下发方法及装置

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于车载网络的数据下发方法及装置。


背景技术：

2.随着公共交通的普及，拥有私家车的家庭也越来越多，汽车甚至已经在本发明的生活中扮演着不可或缺的角色。然而，随着车辆数量的急剧增加，现有的道路基础设施已经不能够满足这些车辆用户需求。当大量车辆节点针对同一热点内容发出请求时，将出现资源重复下载的现象，浪费无线链路资源。并且，大量热点内容的重复传输会进一步增大网络负荷和回程链路压力，引起高峰网络阻塞。而路边单元和车辆相比于移动手持设备端来说具备更好的数据存储能力，在这些设备上缓存内容文件，能有效地提高数据传输效率，减小回程链路压力。
3.因此，现有技术通过预先在周围车辆与路边单元上缓存热点资源，使得它们可以实现近距离内容共享，从而缓解基站压力的同时降低车辆获取内容资源的时延。
4.然而，由于车载网络拓扑和通信链路质量的快速变化，完整的内容在短时间内可能无法进行完整传输，从而造成用户无法完整的对大体积的文件进行完整的下载。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于车载网络的数据下发方法及装置。
6.一方面，本发明提供一种基于车载网络的数据下发方法，包括：利用纠删码编码技术将任一热点内容编码成多个分片，对所有分片进行冗余编码获取多片内容分片，并将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu处；每辆vu仅存储有一片内容分片；所述簇是根据车载网络中各vu的位置以及各vu对场景中热点内容的请求信息，对所有vu进行划分而确定的；接收所述车载网络中任一目标vu对所述热点内容的加载请求，向所述目标vu发送内容分片；在由路侧单元rsu向所述目标vu发送内容分片的数量为k
‑
k
′
之后，若终止向所述目标vu发送内容分片，则控制其它k
′
辆vu将各自缓存的所述内容分片发送给所述目标vu，直至所述目标vu根据接收到的k个内容分片解码生成所述热点内容。
7.另一方面，本发明还提供一种基于车载网络的数据下发装置，包括：内容下发单元，用于利用纠删码编码技术将任一热点内容编码成多个分片，对所有分片进行冗余编码获取多片内容分片，并将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu处；每辆vu仅存储有一片内容分片；所述簇是根据车载网络中各vu的位置以及各vu对场景中热点内容的请求信息，对所有vu进行划分而确定的；第一数据下发单元，用于接收所述车载网络中任一目标vu对所述热点内容的加载请求，向所述目标vu发送内容分片，以由所述目标vu解码生成所述热点内容；第二数据下发单元，在由路侧单元rsu向所述目标vu发送内容分片的数量为k
‑
k
′
之后，若终止向所述目标vu发送内容分片，则控制其它k
′
辆vu将各自缓存的所述内容分片发送给所述目标vu，直至所述目标vu根据接收到的k个内容分片解码生成所述热点
内容。
8.另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于车载网络的数据下发方法的步骤。
9.另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于车载网络的数据下发方法的步骤。
10.本发明提供的基于车载网络的数据下发方法及装置，利用rsu对热点资源进行缓存，并采用分布式编码缓存技术将内容进行编码分片以缓存至各vu中，保证了内容传输的鲁棒性，提升了缓存节点空间利用率，减小了网络负荷和回程链路压力，在缓解基站压力的同时降低车辆获取内容资源的时延。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1是本发明提供的基于车载网络的数据下发方法的流程示意图；
13.图2本发明提供的非正交多址接入技术辅助下的分布式内容下发场景图；
14.图3是本发明提供的基于匹配理论求解用户成对问题过程示意图；
15.图4是本发明提供的利用匹配理论求解v2v链路过程示意图；
16.图5是本发明提供的利用图着色算法求解资源分配过程示意图；
17.图6是本发明提供的基于匹配理论的资源分配与用户成对方案流程图；
18.图7是本发明提供的bisection算法的示意图；
19.图8是本发明提供的一种基于车载网络的数据下发装置的结构示意图；
20.图9是本发明提供的vus与rsu分布示意图之一；
21.图10是本发明提供的所有用户平均时延随用户数目的变化示意图之一；
22.图11是本发明提供的所有用户平均遍历速率随用户数目的变化示意图之一；
23.图12所有用户平均遍历速率随用户数目及上下限的变化示意图；
24.图13是本发明提供的所有用户平均时延随用户数目及编码参数的变化示意图；
25.图14是本发明提供的平均频谱效率随用户数目的变化示意图；
26.图15是本发明提供的vus与rsu分布示意图之二；
27.图16是本发明提供的所有用户平均时延随用户数目的变化示意图之二；
28.图17是本发明提供的所有用户平均遍历速率随用户数目的变化示意图之二；
29.图18是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
31.现有的车联网数据下发，一般是通过在路边单元(road side unit，rsu)上缓存热点资源，并由其向车辆用户(vehicle user，vu)进行热点资源下发，但由于车载网络拓扑和通信链路质量的快速变化，完整的内容在短时间内可能无法进行完整传输。
32.本发明提供的基于车载网络的数据下发方法，考虑引入分布式编码缓存技术，利用纠删码在下发内容数据前先将内容进行编码分片，然后在车辆缓存节点中提前存储编码后的内容分片，当有内容请求车辆(称为目标vu)对某个热点内容发起请求时，周围的多个vu以向目标vu发送各自缓存的内容分片，以共同协助该目标vu实现热点内容的下载。内容请求车辆获得一定数目的内容分片后，可以通过解码获得完整的内容。
33.有鉴于此，内容部署(内容分片的部署)与内容分片传输(内容分片的传输)这两个阶段对于车辆编码缓存至关重要。
34.在内容部署阶段，当采用传统的正交多址(orthogonal multiple access，oma)传输内容分片时，需要依次向不同内容缓存车辆节点下发内容分片，存在谱效能效低的问题，故本发明考虑利用非正交多址接入(non
‑
orthogonal multiple access，noma)技术将内容分片下发至场景中的各vu处，从而提升内容分片部署的效率，而在noma中，选择哪些接收节点匹配成对，对noma系统的可达性能具有显著影响。
35.其次，在内容传输阶段，车辆如何选择通信链路以获取内容分片以及如何规划上述两个阶段的资源使用情况对系统的性能也有很大的影响。
36.最后，整个过程中的决策问题会耗费时间，如何使目标vu进行快速决策也是一个很重要的问题。
37.当前，许多研究工作仅考虑对内容分片的部署情况，却没有同时考虑内容分片下发与传输两个过程，并且没有考虑决策问题所耗费的时间问题。
38.为此本发明立足于内容部署与内容传输整个过程，综合考虑上述两个过程中的vu的通信情况以及对资源进行合理的管理以使场景中所有vu均能尽快恢复得到所需的完整内容。
39.下面结合图1
‑
图18描述本发明实施例所提供的基于车载网络的数据下发方法和装置。
40.图1是本发明提供的基于车载网络的数据下发方法的流程示意图，如图1所示，包括但不限于以下步骤：
41.步骤101：利用纠删码编码技术将任一热点内容编码成多个分片，对所有分片进行冗余编码获取多片内容分片，并将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu处；每辆vu仅存储有一片内容分片。
42.所述簇是根据车载网络中各vu的位置以及各vu对场景中热点内容的请求信息，对所有vu进行划分而确定的；
43.步骤102：rsu接收所述车载网络中任一目标vu对所述热点内容的加载请求，向所述目标vu发送内容分片。
44.步骤103：rsu在由路侧单元rsu向所述目标vu发送内容分片的数量为k
‑
k
′
之后，若终止向所述目标vu发送内容分片，则控制其它k
′
辆vu将各自缓存的所述内容分片发送给所
述目标vu，直至所述目标vu根据接收到的k个内容分片解码生成所述热点内容。
45.本发明假设场景中有u个具有缓存功能的rsu，将rsu的索引定义为同时，场景中存在一定数量的vu。
46.在步骤101中，在每个时隙中根据各vu的位置以及对场景中热点内容的请求情况，将所有vu分为若干个簇(假设每个簇中的车辆是同向行驶)，所有rsu存有场景中各vu所需的所有热点内容，定义热点内容为假设第f个内容的大小为c
f
。
47.热点内容一般为路况高清地图等较大的内容，每个rsu为当前的一个簇中的所有vu进行下发内容，假设在某一个时隙时第u个rsu服务的车辆簇中的vus数目为k
u
。
48.由于车辆的移动性，在rsu通信覆盖范围内将完整的热点内容下发至目标vu往往会难以实现，所以本发明在rsu侧，rsu会首先利用纠删码编码技术将热点内容分成k片，然后通过冗余编码得到n片内容分片，接着rsu根据通信链路情况利用noma技术结合v2i通信技术将内容分片下发至场景中的需要进行内容下载的任一目标vu处。
49.当所述目标vu收到内容分片后，会根据自身与周围vus(即多各vu构成的集合)所拥有的内容分片情况，将自身所缓存的内容分片发送给目标vu(同时也发送给其他的vus)，并从其他vus处获取所需内容分片，如果某个目标vu拥有k片不同的内容分片，即可以通过解码恢复成所需要的完整内容。
50.其中，纠删码编码技术可以是(n，k)最大距离可分码(maximum distance separable，mds)编码技术，具体地，首先将内容通过编码得到n片带有冗余的内容分片，并存储到不同的vu处，以此减小了每个车辆用户对于一个内容的缓存尺寸，同时，任一需下载内容的目标vu只需获得这n片内容分片中的任意k片即可通过解码获取到原有的内容。
51.具体来说，在步骤102中，首先由某一目标rsu向其对应簇中的vus进行内容分片的下发，对于任一目标vu来说，由于该目标vu是一直处于运行状态，设其接收到由rsu发送的k
‑
k
′
片内容分片后，不再属于目标rsu所在的簇，则目标rsu终止向该目标vu发送内容分片(或者发送失败)，则进入至步骤103.
52.在步骤103中，在由路侧单元rsu向所述目标vu发送内容分片的数量为k
‑
k
′
之后，若终止向所述目标vu发送内容分片，则由基站控制其它k
′
辆vu将各自缓存的所述内容分片发送给所述目标vu，直至目标vu共接收到k个内容分片为止。此时，目标vu可以根据接收到的k个内容分片解码生成所述热点内容。
53.本发明提供的基于车载网络的数据下发方法，利用rsu对热点资源进行缓存，并采用分布式编码缓存技术将内容进行编码分片以缓存至各vu中，保证了内容传输的鲁棒性，提升了缓存节点空间利用率，减小了网络负荷和回程链路压力，在缓解基站压力的同时降低车辆获取内容资源的时延。
54.基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu处之前，还包括：
55.根据信道条件，将所述簇中的所有vu划分为强用户和弱用户；
56.对所述强用户和所述弱用户进行两两组队，获取多个noma用户对；每个所述noma用户对由一个强用户和一个弱用户组成；
57.将所述noma用户对中的强用户作为noma强用户，将所述noma用户对中的弱用户作为noma弱用户，将余下不能组队的强用户或弱用户作为v2i用户。
58.本发明提供的基于车载网络的数据下发方法，还考虑到车辆在通信过程中单独使用专用频谱会造成频谱利用率低的问题，为此采用noma技术对数据下发进行辅助。
59.图2本发明提供的非正交多址接入技术辅助下的分布式内容下发场景图，如图2所示，假设在一个时隙内，同一个簇中的vus申请的为同一热点内容。完整的通信过程如图1所示，图2中是以(4，3)编码为例，对完整过程进行展示。
60.首先，考虑信道条件将每个簇中的vus分为三类用户，即noma强用户、noma弱用户、v2i用户，接着根据vus的分类情况，通过不同的方式将内容分片下发至noma强用户、noma弱用户及v2i用户中。
61.然后，场景中vus根据接收到的内容分片情况以及周围vu之间的v2v链路情况，将自身的内容分片共享给其他vus，并从其他vus处接收其他的内容分片以通过解码恢复完整的内容，从而使整个簇中的vus均能得到所需的内容。
62.(1)关于内容下发阶段(以下简称：第一阶段)：
63.本发明首先考虑在内容下发的过程使用noma技术，即在内容下发过程中需要考虑如何将簇中vus划分为：noma强用户、noma弱用户以及v2i用户，以使rsu通过不同的方式将内容分片下发至各vu处。
64.具体地，先考虑第u个rsu和相应的簇，考虑簇中有k
u
辆vu，记为记h
i
为rsu发送消息给第i个vus的信道功率增益，考虑信道服从瑞利分布，信道功率增益可表示为：
65.h
i
＝δ
i
d
i
‑
α
；
66.其中d
i
为rsu到第i个vus的距离，δ
i
为此rsu到第i个vus的信道衰落系数，α是路径损耗指数。
67.根据信道条件，将此簇中的vus分为强用户弱用户两部分，如将信道强度大于某一阈值的vu划分为强用户，将小于或等于这一阈值的vu划分为弱用户，分别记为其中满足m+n＝k
u
。则强用户和弱用户之间有两个成对的方法：
68.a)、noma对：强用户和弱用户分别作为noma对中的强用户和弱用户，即分别工作在noma强用户模式和noma弱用户模式，它们可以在有干扰的情况下使用相同的频谱资源。
69.b)、虚拟对：即当强用户的数目大于弱用户的数目，或者弱用户的数目大于强用户的数目时，会有部分vu没有办法与另一类vu组成noma对，则将余下不能组队的强用户或弱用户作为v2i用户(作v2i用户工作在v2i模式)，即v2i用户通过v2i链路从rsu处直接接收内容分片。
70.基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu处，包括：
71.采用v2i链路，向每个所述noma强用户、每个所述noma弱用户和每个所述v2i用户发送所述内容分片。
72.进一步地，所述控制其它k
′
辆vu将各自缓存的所述内容分片发送给所述目标vu，包括：
73.在所述目标vu为noma强用户或noma弱用户的情况下，其它任一noma强用户或其它任一noma弱用户，采用noma通信方式，将所述内容分片发送给所述目标vu，所述其它任一
noma强用户与其它任一noma弱用户的总数量为k
′
个；相应地，在所述目标vu为v2i用户的情况下，则继续由路边单元rsu采用v2i链路，向所述目标用户发送所述内容分片。
74.另外，位于同一子簇中的noma强用户以及noma弱用户之间，采用复用频谱的方式，进行内容分片的交互发送；所述子簇中vu的数量大于等于2。
75.记为强弱用户所形成的用户对的索引，且满足g＝max{m，n}。
76.假设频谱被分为带宽相同的资源块(resource blocks，rbs)，频谱资源的总带宽为b，假设在数据下发阶段(第一阶段)，v2i链路不复用频谱，则频谱资源分为g个rbs，每个rb的带宽为b/g。记h
g，s
和h
g，w
分别为rsu与第g个用户对中强弱用户之间的通信链路的信道功率增益，则第g个用户对中的强弱用户的信道功率增益分别为：
77.h
g，s
＝δ
g，s
d
g，s
‑
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1a)
78.h
g，w
＝δ
g，w
d
g，w
‑
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1b)
79.其中d
g，s
、d
g，w
分别为rsu到第g个用户对中的强弱用户的距离，δ
g，s
、δ
g，w
分别为rsu到第g个用户对中的强弱用户的信道衰落系数，并且服从瑞利衰落。
80.定义γ
g，s
和γ
g，w
分别为第g个用户对中强弱用户的接收信噪比(signal to interference plus noise ratio，sinr)，则rsu发送内容分片到第g个用户对中的强弱用户的信噪比分别为：
[0081][0082][0083]
其中β
g
∈(0，1/2)是第g个用户对中的功率分配因子，p
rsu
是rsu向每个用户对发送消息时的总功率，σ2为加性高斯白噪声(additive white gaussian noise awgn)。
[0084]
当第g个用户对为虚拟对时，若第g个用户对中的vu为强用户，则β
g
＝1，若此vu为弱用户，则β
g
＝0。则第g个noma对中的强弱用户的速率分别为：
[0085][0086][0087]
定义变量代表vu是否在第g个用户对中(变量x为vu组成用户对的情况)，若第q个vus在第g个用户对中，则x
q，g
＝1，否则x
q，g
＝0，其中
[0088]
假设此簇中所需的内容为f，经过(n，k)编码后，每个内容分片的大小为c
f
/k，为了充分利用rsu下发内容的性能优越性，在下发过程中会下发k
‑
k
′
片内容分片，同时要求下发过程需在t1时间内完成。
[0089]
(2)关于v2v通信阶段(以下简称：第二阶段)：
[0090]
以图2所示的场景为例，图中以(4，3)编码为例(即n＝3，k＝3)描述了内容下发与共享的整个过程，从图2中可以看出，在内容下发过程中，vus选择了不同的接收内容分片的模式，即noma强用户、noma弱用户、v2i用户，其中noma强用户、noma弱用户及v2i用户均从
rsu处接收内容分片。
[0091]
在内容下发结束后，进入内容共享过程时，由于目标vu已经从rsu处接收了k
‑
k
′
片内容分片，因此只需要从另外k
′
辆拥有与其不同分片的vus处接收内容分片，便可以通过解码恢复出完整内容。
[0092]
考虑将该簇中vus所需的第f个热点内容利用纠删码编码得到n片内容分片，记为记变量为rsu下发内容分片后vus对内容分片的存储情况，若第q辆vus从rsu处接收到了内容分片j，则y
qj
＝1，否则y
qj
＝0，其中
[0093]
假设每辆vu可以向任意不同的vu获取所需的一片内容分片。记变量代表vus之间共享内容分片的情况，若第q辆vus向第i辆vus发送内容分片，则z
qi
＝1，否则z
qi
＝0，其中
[0094]
当第q辆vus向第i辆vu发送内容分片时，记h
qi
为第q辆vu向第i辆vus发送内容分片时的信道功率增益，可表示为：
[0095]
h
qi
＝δ
qi
d
qi
‑
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0096]
其中d
qi
为第q辆vus与第i辆vus之间的距离，δ
qi
为第q辆vus与第i辆vus之间的信道衰落系数。
[0097]
可选地，本发明所提供的基于车载网络的数据下发方法，为了提高频谱利用率，假设在内容共享阶段v2v通信时，vus与内容下发阶段使用相同的频谱资源，并将频谱资源重新分为带宽相等的rbs，且在v2v过程中，vus之间可以复用rbs。
[0098]
考虑根据vus之间的干扰关系，再次将当前簇中的所有vu进行分簇，获取的同一子簇中的vus使用同一个rb，其中每个子簇中的vus数目不大于2，假设共分为r个子簇，记子簇集合为定义变量a∈{0，1}
q
×
r
代表vus被分到子簇的情况，若第q辆vus发送内容分片时被分到第r个子簇中，则a
qr
＝1，否则a
qr
＝0。
[0099]
定义γ
qi
为第q辆vus向第i辆vus发送内容分片时的接收sinr，可表示为：
[0100][0101]
其中p
qi
为第q辆vu向第i辆vu发送内容分片时的发送功率，g
q
′
i
′
为第q
′
辆vus向第i
′
辆vus发送内容分片时对第i辆vus的干扰信道功率增益，则p
q
′
i
′
为与第q
′
辆vu向第i
′
辆vu发送内容分片时的功率。
[0102]
因此，第i辆vu接收到内容分片的速率为：
[0103][0104]
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在利用纠删码编码技术将任一热点内容编码成多个分片，对所有分片进行冗余编码获取多片内容分片，并将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu处之前，还包括：
[0105]
以最小化总时延为目标构建数据下发优化模型；对所述数据下发优化模型进行求解，以获取最优vu组成用户对的情况、β
g
组成的用户对中最优功率分配因子矩阵、vu之间最优发送内容分片情况矩阵、最优rb分配情况矩阵、v2v过程中最优传输功率分配矩阵、k的数量以及k
′
的数量；其中，β
g
表示第g个用户对为noma用户对。
[0106]
具体地，本发明利用遍历速率对通信时延进行评估。为了最小化在两个阶段中所有vus通信时延的最大值，可以将问题进行建模。记t
i(pair)
为第i个vu在第一阶段中的通信时延，则t
i(pair)
的表达式为：
[0107][0108]
相应地，可以定义第一阶段中第i个vu的数据速率为r
i(pair)
，并第二阶段中第i个vu的通信时延为t
i(v2v)
，数据速率为r
i(v2v)
。在第一阶段中，vu已经从rsu处接收了k
‑
k
′
片的内容分片，因此在第二阶段只需要从k
′
辆其他vu处各接收一片内容分片即可解码得到完整的内容，则t
i(v2v)
的表达式为：
[0109][0110]
为了最小化两个阶段中所有vu的总时延，本发明将问题建模为
[0111][0112][0113][0114][0115][0116][0117][0118][0119][0120][0121][0122]
[0123]
p
rsu
＞p
v2v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9l)
[0124]
k
‑
k
′
≥k
′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9m)
[0125]
具体来说，在公式(9)中，优化变量x为vu组成用户对的情况；优化变量为rsu下发内容分片后vu对内容分片的存储情况，若第q辆vu从rsu处接收到了内容分片j，则y
qj
＝1，否则y
qj
＝0；优化变量β是由β
g
组成的用户对中功率分配因子矩阵；优化变量z是表示vus之间发送内容分片情况矩阵；优化变量a是rb分配情况矩阵；优化变量p是v2v过程中传输功率分配矩阵。
[0126]
具体地，上述优化问题的约束条件(9a)表示每个vu只能在一个用户对中；约束条件(9b)表示每个用户对中最多有一个强用户；约束条件(9c)表示每个用户对中最多有一个弱用户；约束条件(9d)表示若第g个用户对为noma对，则发送功率分配因子要满足大于0小于1/2；约束条件(9e)表示第一阶段内容下发阶段要在t1时间内完成；约束条件(9f)表示第二阶段v2v通信阶段要在t2时间内完成；约束条件(9g)表示每辆vu在发送内容分片时只能在一个子簇中；约束条件(9h)表示每个子簇中最多有两辆vus；约束条件(9i)表示第二阶段v2v过程的vu的发射功率要小于p
v2v
；约束条件(9j)表示要求vu在第二阶段能够从k
′
个用户处接收到内容分片，以得到足够的内容分片进行解码得到完整内容；约束条件(9k)表示第一阶段vu发射功率p
rsu
与第二阶段v2v过程的vu的发射功率p
v2v
之和为约束条件(91)表示第一阶段vu发射功率p
rsu
要大于第二阶段v2v过程的vu的发射功率p
v2v
；约束条件(9m)表示第一阶段中下发的内容分片数目要比第二阶段中接收的内容分片数目要多，以保证vu可以获得所需的分片数目。
[0127]
作为一种可选实施例，本发明在构建公式(9)所示的数据下发优化模型之后，对公式(9)所涉及的问题其进行分解，包括但不限于以下步骤：
[0128]
获取每辆vu的位置信息以及发射功率最大值，所述发射功率最大值根据信道条件将簇中的所有vu划分为强用户和弱用户，计算每个强用户与每个弱用户组成noma用户对时的通信时延和，并根据所有强用户的通信时延和与所有弱用户的通信时延，确定强弱用户权值；基于匈牙利算法，将确定满足所有vu的遍历速率和最大时的用户成对的情况下的强弱用户权值作为用户最大权值匹配x1；根据用户最大权值匹配x1计算每个vu的时延t1；将两组相同的vu作为两个点集，在所述两个点集为同一vu时，将边权值赋值为无穷大；在所述两个点集为不同vu时，将边权值设为两个vu传送消息的时延；利用多对多匹配算法获取最小权值匹配x2，以确定所有vu接收时延和最小时的v2v链路成对情况；将所有vu作为一个集合，计算所述集合中任意两两vu复用资源时的时延；若所述时延大于每辆vu单独使用资源时的时延和，则在所述两两vu所对应的点之间构建一条边，从而获取传统图；基于超图着色算法，对所述传统图进行着色，其中存在边的两点用不同颜色着色，将同一资源对应的点用同一颜色着色；根据着色结果，获取资源复用情况x3，并根据x3计算每辆vu的v2v通信时延t2；根据t1、t2计算所有vu在下发阶段和通信阶段的总时延t；基于单一变量求最值的方法，结合x1、x2、x3对p
v2v
和p
rsu
进行优化，以使得总时延t最小化。
[0129]
具体来说，可以通过将公式(9)按照内容下发(第一阶段)与内容共享(第二阶段)可分为两个子问题进行求解。
[0130]
首先，考虑内容下发过程，可以得到子问题一：
[0131][0132]
s.t.约束条件(9a)～约束条件(9e)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12a)
[0133]
在子问题一中，可以首先通过优化x与β最大化
[0134]
当x～exp(θ)，p为常数时，可以得到：
[0135][0136]
其中，为指数积分函数。假设强用户信道衰落服从瑞利分布且均值为λ
s
，弱用户信道衰落服从瑞利分布且均值为λ
w
，定义μ
g，s
＝λ
s
d
g，s
‑
α
/σ2，μ
g，w
＝λ
w
d
g，w
‑
α
/σ2。可以得到在瑞利衰落时，第g个用户对中强弱用户的遍历速率分别为：
[0137][0138][0139]
则第g个用户对的总的遍历速率为r
g
＝r
g，s
+r
g，w
。
[0140]
若第g个用户对为虚拟对，且第g个用户对中的vu为强用户，则β
g
＝1，若此虚拟对中的vu为弱用户，则β
g
＝0。
[0141]
由参考文献可得，在信道衰落服从瑞利分布时，为降低求遍历速率时的复杂度，可将遍历速率的上下限进行松弛，定义：
[0142][0143]
其中：
[0144][0145]
由此本发明可得到强用户的上下限分别为：
[0146][0147][0148]
弱用户的上下限分别为：
[0149][0150][0151]
图3是本发明提供的基于匹配理论求解用户成对问题过程示意图，如图3所示，以上述公式(18a)
‑
(18b)和公式(19a)
‑
公式(19b)所确定的对强弱用户之间的权值进行计算；
然后，利用匹配算法为用户之间形成用户对，以利用匹配理论对公式(12)进行求解。
[0152]
进一步地，本发明考虑共享内容分片的过程(第二阶段)，可得问题二：
[0153][0154]
s.t.约束条件(9f)～约束条件(9j)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19a)
[0155]
在子问题二中，可以首先通过优化z、a、p以最大化
[0156]
在为vus分配频谱资源时，可以使用图着色算法，首先根据两个vus同时使用同一个频谱资资源时的数据速率情况建立边，当第q个vu向第i个vu发送消息时与第q
′
个vu向第i
′
个vu发送消息时使用同一个资源块，若数据速率小于阈值，则为第q个vu与第q
′
个vu之间构造边，第q个vu与第q
′
个vu的数据速率分别为：
[0157][0158][0159]
根据参考文献，当x1～exp(α1)，x2～exp(α2)时，可以得到：
[0160][0161][0162]
其中假设信道功率增益，则第q个vu与第q
′
个vu的数据速率分别可以写为：
[0163][0164][0165]
图4是本发明提供的利用匹配理论求解v2v链路过程示意图，图5是本发明提供的利用图着色算法求解资源分配过程示意图，本发明以此作为为v2v链路匹配时的权值，以及传统图中的边权值关系，并利用图4所示的匹配理论对v2v链路进行求解，并采用如图5所示的图着色算法对资源分配情况进行求解，以此求解公式(19)。
[0166]
图6是本发明提供的基于匹配理论的资源分配与用户成对方案流程图，综上所述，本发明利用一对一匹配算法用于求解公式(12)，然后用图着色算法求解公式(19)。
[0167]
图7是本发明提供的bisection算法的示意图，结合图7所示，整个求解的流程为：
[0168]
首先，将强用户与弱用户看为两个点集，计算每个强用户与每个弱用户在组成用
户对时的用户对的遍历速率和。在求解遍历速率和时，由于r
g，s
是随着β
g
单调递增的，r
g，w
是随着β
g
单调递减的，遍历速率和是随着β
g
单调递增的，故本发明可以使用图7所示的bisection算法对β
g
进行优化，然后通过优化β
g
最大化第g个用户对中的遍历速率和，将遍历速率和作为两个用户之间的边权值。
[0169]
然后，利用hungarian算法以找到最大权值匹配以决定noma成对情况。
[0170]
进一步地，将vus集合看作两个点集合，每个点集合均包含所有的vus，假设一个集合为发送用户的集合，另一个集合为接收用户的集合。由于每个接收用户需要从k
′
个发送用户处接收到内容分片，为多对多问题，因此，可以利用多对多匹配算法以找到最小权值匹配以决定v2v通信链路形成情况。
[0171]
基于v2v链路形成情况，计算第q个vu和第q
′
个vu复用资源块时的遍历速率，若遍历速率小于阈值，则视为第q个vu和第q
′
个vu之间存在边，以此进行传统图的构造。
[0172]
然后，利用图着色算法进行求解，以得到vus之间对功率的复用情况。在上述过程中，本发明通过将功率分为了p
rsu
以及p
v2v
，然后根据用户对成对情况、v2v链路形成情况、资源复用情况利用单一变量求最值的方法在约束条件(9k)～约束条件(9m)下，对p
v2v
、p
rsu
进行优化，使整个过程中vus的通信时延最小。
[0173]
图8是本发明提供的一种基于车载网络的数据下发装置的结构示意图，如图8所示，主要包括：内容下发单元81、第一数据下发单元82和第二数据下发单元83，其中：
[0174]
内容下发单元81主要用于利用纠删码编码技术将任一热点内容编码成多个分片，对所有分片进行冗余编码获取多片内容分片，并将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu处；每辆vu仅存储有一片内容分片；所述簇是根据车载网络中各vu的位置以及各vu对场景中热点内容的请求信息，对所有vu进行划分而确定的。
[0175]
第一数据下发单元82主要用于接收所述车载网络中任一目标vu对所述热点内容的加载请求，向所述目标vu发送内容分片，以由所述目标vu解码生成所述热点内容。
[0176]
第二数据下发单元83主要在由路侧单元rsu向所述目标vu发送内容分片的数量为k
‑
k
′
之后，若终止向所述目标vu发送内容分片，则控制其它k
′
辆vu将各自缓存的所述内容分片发送给所述目标vu，直至所述目标vu根据接收到的k个内容分片解码生成所述热点内容。
[0177]
需要说明的是，本发明实施例提供的基于车载网络的数据下发装置，在具体运行时，可以执行上述任一实施例所述的基于车载网络的数据下发方法，对此本实施例不作赘述。
[0178]
为了充分展示本发明提供的基于车载网络的数据下发方法及装置的有益效果，本发明通过实验仿真结果验证了本发明的性能。
[0179]
具体地，在图6中，本发明采用了匈牙利匹配算法，利用在本次仿真验证中，还采用hk算法、gs算法作为基准，基于不同车辆分布场景对使用这三个匹配算法时所有车辆用户的总时延、运行时间进行对比，比较不同匹配算法在本章所考虑的场景中的优劣。
[0180]
其中在第一次使用匹配算法时，匹配双方为强信道vus与弱信道vus。使用gs算法时，强信道vus对弱信道vus的偏好列表设置为强vu与弱vu形成用户对时，强信道vu的传输时延；弱信道vus对强信道vus的偏好列表设置为强vu与弱vu形成用户对时，弱信道vu的传输时延。
[0181]
针对hk算法，由于不考虑匹配双方的边权值关系，只考虑双方的连通性，则将每个强弱vu之间的边权值均设为逻辑值1，代表可以连通。针对匈牙利算法最小化权值和，使用匈牙利算法时，则将强信道vus和弱信道vus之间的边权值设置为强弱用户的传输时延和。
[0182]
在第二次使用匹配算法时，匹配双方均为所有vus，使用gs算法时，两边vu若为同一vu时，则将偏好设为负无穷，代表不可以被匹配，若不为同一vu时，则将偏好设为传输时延，两边vu的偏好列表矩阵为转置关系。使用hk算法时，将两边不同vu之间的边权值均设为逻辑值1，代表可以连通，相同vu之间设为逻辑值0，代表不可连通。使用匈牙利算法时，将两边不同vu之间的边权值设置为传输时延，相同vu之间的边权值设为负无穷，代表不可以被匹配。
[0183]
为了简化实验流程，本发明考虑场景中只有一个簇的情况，分别对不同的发射功率最大值进行对比，同时设置路径损耗因子为α＝3，高斯白噪声功率为σ2＝
‑
30dbm，形成noma对的车辆用户的数据速率阈值为车辆用户工作在oma状态时的数据速率，v2v过程中车辆用户的的数据速率的阈值为车辆用户不与其他用户复用资源块时的数据速率，当前结果为(3，2)编码(即n＝3，k＝2)，k
′
＝1的情况，仿真结果与仿真分析如下：
[0184]
(一)在rsu均分布在车道一侧时：
[0185]
图9是本发明提供的一种vus与rsu分布示意图，考虑车道的宽度为20m、长度为80m，rsu位于车道一侧中间位置，其中考虑车辆大小与车间的安全距离，考虑每辆车中心的位置距离长为8m，宽为5m，rsu位于坐标(40，0)位置，在此情况下车辆与rsu分布如图9所示。
[0186]
图10是本发明提供的所有用户平均时延随用户数目的变化示意图，如图10所示，三角形虚线条为本发明所使用的匈牙利匹配算法的情况，空心圆是使用gs匹配算法的情况，实心圆是使用hk匹配算法的情况，实线条代表对应的当的情况，虚线条代表对应的当时的情况。
[0187]
从仿真分析可知，在所提方案中使用匈牙利算法是优于其他的匹配算法的。在的情况下，匈牙利算法比gs算法平均时延方面平均降低了14.4％，相比于hk算法平均时延方面平均降低了39.7％。在的情况下，匈牙利算法比gs算法平均时延方面平均降低了19.9％，相比于hk算法平均时延方面平均降低了50.3％。
[0188]
图11是本发明提供的所有用户平均遍历速率随用户数目的变化示意图之一，如图11所示，本发明所使用的匈牙利算法是优于其他的匹配算法的。在情况下，匈牙利算法相对于gs算法遍历速率方面提升了4.7％，相对于hk算法遍历速率方面提升了58.9％。在情况下，匈牙利算法相对于gs算法遍历速率方面提升了6.8％，相对于hk算法遍历速率方面提升了83.9％。
[0189]
图12是本发明提供的所有用户平均遍历速率随用户数目及上下限的变化示意图，如图12所示，通过对比第一阶段使用上下限计算遍历速率的情况，本次仿真实验中使用了三角形线条是采用匈牙利匹配算法，并且未使用上下限；空心圆线条是使用匈牙利匹配算法，并且在第一阶段使用了上限的情况；实心圆线条是使用匈牙利匹配算法的情况，并且使用了下限的情况。从仿真分析可知，使用松弛了的上下限与未使用上下限结
果相差不大。使用了下限计算遍历速率的相比于没有用上下限的结果相差4.6％。使用了上限计算遍历速率的相比于没有用上下限的结果相差3.7％。
[0190]
图13是本发明提供的所有用户平均时延随用户数目及编码参数的变化示意图，本次仿真实验中均使用匈牙利算法。其中，三角形线条代表k＝2、k
′
＝1的情况，空心圆线条代表k＝4、k
′
＝1的情况，实心圆线条代表的是k＝2、k
′
＝0即只有第一阶段v2i通信的情况，实线代表对应的当的情况，虚线代表对应的当时的情况。
[0191]
从仿真分析可知，在k＝2、k
′
＝1时时延最小。在情况下，k＝2、k
′
＝1的情况相对于k＝4、k
′
＝1的情况时延方面降低19.6％，相对于k＝2、k
′
＝0的情况时延方面降低32.6％。在情况下，k＝2、k
′
＝1的情况相对于k＝4、k
′
＝1的情况时延方面降低22.7％，相对于k＝2、k
′
＝0的情况时延方面降低37.0％。
[0192]
图14是本发明提供的平均频谱效率随用户数目的变化示意图，平均频谱效率表示为总的频谱效率与用户数目的比值，本次仿真实验中均使用匈牙利算法。三角形线条代表第一阶段使用noma技术进行下发的平均频谱效率情况，实心圆线条代表的是第一阶段使用oma技术进行下发的平均频谱效率情况，实线代表对应的当的情况，虚线代表对应的当时的情况。
[0193]
从仿真分析可知，noma下发比oma下发在平均谱效方面更有优势。在情况下，noma下发相对于oma下发平均谱效方面提升了4.9％。在情况下，noma下发相对于oma下发平均谱效方面提升了4.7％。
[0194]
二)在rsu均分布在车道两侧时：
[0195]
此情况下车辆与rsu分布如图14所示。
[0196]
图15是本发明提供的另一种vus与rsu分布示意图，考虑车道的宽度为20m、长度为80m，rsu位于车道中间位置，其中考虑车辆大小与车间的安全距离，考虑每个车中心的位置距离长为8m，宽为5m，rsu位于坐标(40，10)位置，在此情况下车辆与rsu分布如图15所示。
[0197]
图16是本发明提供的所有用户总时延随用户数目的变化示意图，如图16所示，三角形虚线条为本发明所使用的匈牙利匹配算法的情况，空心圆是使用gs匹配算法的情况，实心圆是使用hk匹配算法的情况，实线条代表对应的当的情况，虚线条代表对应的当时的情况。
[0198]
从仿真分析可知，在所提方案中使用匈牙利算法是优于其他的匹配算法的。在的情况下，匈牙利算法比gs算法平均时延方面平均降低了10.1％，相比于hk算法平均时延方面平均降低了42.1％。在的情况下，匈牙利算法比gs算法平均时延方面平均降低了16.4％，相比于hk算法平均时延方面平均降低了54.0％。
[0199]
图17是本发明提供的所有用户平均遍历速率随用户数目的变化示意图，如图17所示，使用匈牙利算法是优于其他的匹配算法的。在情况下，匈牙利算法相对于gs算法遍历速率方面提升了4.5％，相对于hk算法遍历速率方面提升了54.1％。在情况下，匈牙利算法相对于gs算法遍历速率方面提升了6.4％，相对于hk算法
遍历速率方面提升了75.8％。
[0200]
综上所述，由不同的车辆分布的结果相比可知，rsu的位置不同对第一阶段的总时延影响较为明显，是因为车辆与rsu分布不同，对v2v链路没有影响，只对车辆与rsu之间的距离有影响，即对rsu下发内容分片的链路影响更大，因此两种车辆分布的结果趋势相同。
[0201]
图18是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图18所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communications interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行基于车载网络的数据下发方法，该方法包括：利用纠删码编码技术将任一热点内容编码成多个分片，对所有分片进行冗余编码获取多片内容分片，并将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu处；每辆vu仅存储有一片内容分片；所述簇是根据车载网络中各vu的位置以及各vu对场景中热点内容的请求信息，对所有vu进行划分而确定的；接收所述车载网络中任一目标vu对所述热点内容的加载请求，向所述目标vu发送内容分片；在由路侧单元rsu向所述目标vu发送内容分片的数量为k
‑
k
′
之后，若终止向所述目标vu发送内容分片，则控制其它k
′
辆vu将各自缓存的所述内容分片发送给所述目标vu，直至所述目标vu根据接收到的k个内容分片解码生成所述热点内容。
[0202]
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0203]
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的基于车载网络的数据下发方法，该方法包括：利用纠删码编码技术将任一热点内容编码成多个分片，对所有分片进行冗余编码获取多片内容分片，并将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu处；每辆vu仅存储有一片内容分片；所述簇是根据车载网络中各vu的位置以及各vu对场景中热点内容的请求信息，对所有vu进行划分而确定的；接收所述车载网络中任一目标vu对所述热点内容的加载请求，向所述目标vu发送内容分片；在由路侧单元rsu向所述目标vu发送内容分片的数量为k
‑
k
′
之后，若终止向所述目标vu发送内容分片，则控制其它k
′
辆vu将各自缓存的所述内容分片发送给所述目标vu，直至所述目标vu根据接收到的k个内容分片解码生成所述热点内容。
[0204]
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于车载网络的数据下发方法，该方法包括：利用纠删码编码技术将任一热点内容编码成多个分片，对所有分片进行冗余编码获取多片内容分片，并将所述内容分片分别缓存至一个簇中的各车辆用户vu
处；每辆vu仅存储有一片内容分片；所述簇是根据车载网络中各vu的位置以及各vu对场景中热点内容的请求信息，对所有vu进行划分而确定的；接收所述车载网络中任一目标vu对所述热点内容的加载请求，向所述目标vu发送内容分片；在由路侧单元rsu向所述目标vu发送内容分片的数量为k
‑
k
′
之后，若终止向所述目标vu发送内容分片，则控制其它k
′
辆vu将各自缓存的所述内容分片发送给所述目标vu，直至所述目标vu根据接收到的k个内容分片解码生成所述热点内容。
[0205]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。