一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法

本发明属于异构网络切换，主要涉及高速移动目标车辆网络切换方法设计。具体是异构车城网中一种基于速率和成本的高速目标车辆智能网络切换方法。

背景技术：

1、随着车城网规模的不断扩大，车辆业务需求激增，网络异构特性凸显下的数据传输有了新的要求，车辆按照不同业务需求切换至不同制式网络中去。在车城网目标车辆高速移动场景中，一方面受远近效应的影响，车辆行驶至接入点覆盖区域边缘数据传输速率无法满足业务速率需求；另一方面，高速移动导致网络切换成本激增。因此，如何在低成本地进行网络切换的同时，满足高速移动目标车辆不同业务传输速率需求，就成了值得关注的问题。

2、申请号为“202010014344.3”的文件中，公开了“自适应多准则模糊逻辑的5g异构网络切换决策方法”，该方法采用八个决策参数在多种可用网络同时覆盖的情况下进行智能全面地切换决策，通过当前输入决策参数构成模糊准则进而通过数学函数计算输出分数来得到最终的决策值，提高了网络切换的准确度。然而，受多参数准则影响，考虑多参数会使网络切换所需信令开销成倍增加，切换成本会显著提升。申请号为“201810198466.5”的文件中，公开了“一种异构车联网环境下的车载网络切换方法”，该方法综合考虑了异构网络环境的吞吐量因素以及不同车载移动终端上车载应用的服务质量需求条件，提出生物启发式切换决策模型，较快达到全局最优，但并未考虑高速移动目标在网络切换时带来的切换成本和传输速率影响。由以上分析可见，将网络切换成本和业务数据传输速率考虑在内的异构车城网网络切换算法，是保证用户体验的直接方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，以克服现有的网络切换技术难以兼顾任务传输速率与切换开销的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，包括以下步骤：

3、步骤一、以异构网络单元为基础构建不同类型业务需求下的高速移动目标车辆场景并获取相关网络参数；

4、步骤二、计算数据传输速率和网络切换成本，并确定优化目标；

5、(1)、计算高速移动目标车辆的数据传输速率和网络切换成本；

6、(2)、联合传输速率和切换成本，构建优化目标函数；

7、步骤三、在异构网络单元中基于dqn设计网络切换算法。

8、进一步的，上述步骤一中，所述的异构网络单元由k个4g bs、l个5g bs以及m个rsu组成，其中k＝{0,1},0≤l≤l,0≤m≤m,l,m∈n*。

9、进一步的，上述步骤一中，所述业务类型为传输速率敏感业务、切换成本敏感业务以及简单业务。

10、进一步的，上述对于高清视频传输或大规模数据上传，该类业务为传输速率敏感业务；低时延的紧急业务，这类业务则为切换成本敏感业务；介于两者之间的为简单业务。

11、进一步的，上述步骤一中，所述网络参数为车辆的位置信息和网络切换信令开销。

12、进一步的，上述步骤二的(1)中，在高速移动目标车辆场景中，总切换成本表示为ctot：

13、

14、其中ctau和clp分别是tau和lp的相关消息开销，ap′表示目标车辆当前接入网络，ap表示待切换的目标网络，λ是触发tau过程的速率，α是触发lp过程的速率。

15、进一步的，上述步骤二的(2)中，以网络单元为车辆进行网络切换的选择范围，选择最大传输速率的网络为可接入的目标网络，联合网络切换成本，构建效用函数为：

16、

17、其中，ap为待切换的目标网络，i表示第i次切换，i∈i，i表示一个网络单元中总切换次数，w1,w2为不同业务类型对应的权重；

18、优化目标为：

19、

20、

21、

22、c3:0＜pap＜max{pap}(7d)

23、其中，r(z)ap表示车辆与ap之间的传输速率，ctot表示总切换成本，表示不同业务类型的传输速率下限，表示切换成本上限。type表示业务类型，type1,type2,type3分别表示传输速率敏感型业务、切换成本敏感型业务、简单业务。总体来讲，p1为优化目标，表示车辆经过一个网络单元后总效用函数最大化；c1和c2分别约束目标车辆的最小任务传输速率和最大网络切换成本；c3约束ap的发射功率。

24、进一步的，上述步骤三中，基于dqn设计网络切换算法中，奖励函数表示为：

25、

26、与现有方法相比，本发明的有益效果是：

27、(1)本发明引用异构网络单元作为基本场景要素，增强了系统的可扩展性和适应性，可以任意添加或替换异构网络中的单元，以适应新的任务、数据类型或性能要求，而无需对整个系统进行大规模改动，提供了更高的系统灵活性，降低了系统复杂性，使得整体系统更易于理解和维护。

28、(2)本发明联合传输速率和切换成本作为优化目标的确定依据，可以提高系统性能，频繁的切换可能引入不必要的不稳定因素，通过减少切换次数，可以降低网络中断的风险，减少切换延迟，提高通信的可靠性。在降低网络切换成本同时有效解决高速移动场景中由远近效应影响的网络切换问题，降低了系统能耗和维护成本，促使可持续和绿色经济的发展。

29、(3)本发明基于dqn算法实现算法优化，重塑奖励函数以及经验回放机制，使高速车辆能够利用当前时隙的网络状态信息，根据业务需求在线寻找最优网络，并决定是否进行网络切换。

技术特征：

1.一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，其特征在于：所述步骤一中，所述的异构网络单元由k个4g bs、l个5g bs以及m个rsu组成，其中k＝{0,1},0≤l≤l,0≤m≤m,l,m∈n*。

3.根据权利要求2所述的一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，其特征在于：所述步骤一中，所述业务类型为传输速率敏感业务、切换成本敏感业务以及简单业务。

4.根据权利要求3所述的一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，其特征在于：对于高清视频传输或大规模数据上传，该类业务为传输速率敏感业务；低时延的紧急业务，这类业务则为切换成本敏感业务；介于两者之间的为简单业务。

5.根据权利要求1-4所述的一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，其特征在于：所述步骤一中，所述网络参数为车辆的位置信息和网络切换信令开销。

6.根据权利要求5所述的一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，其特征在于：所述步骤二的(1)中，在高速移动目标车辆场景中，总切换成本表示为ctot：

7.根据权利要求6所述的一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，其特征在于：所述步骤二的(2)中，选择最大传输速率的网络为可接入的目标网络，联合网络切换成本，构建效用函数为：

8.根据权利要求7所述的一种基于速率和成本的高速车辆智能网络切换方法，其特征在于：所述步骤三中，基于dqn设计网络切换算法中，奖励函数表示为：

技术总结
本发明属于异构网络切换技术领域，具体涉及一种异构车城网中基于速率和成本的高速目标车辆智能网络切换方法。实现步骤如下：首先，以异构网络单元为基础构建不同类型业务需求下的高速移动目标车辆场景并获取网络参数。其次，联合传输速率和切换成本确定优化目标。最后，设计了一种基于DQN的异构网络切换算法。仿真结果表明，该方法最终能够实现收敛，通过本发明设定的三种类型业务引发的网络切换次数不大于2次，相较于仅以速率要求为切换条件的切换算法，切换次数减少了1次。经实验验证，该方法可以在降低网络切换成本同时有效解决高速移动场景中由远近效应影响的网络切换问题。

技术研发人员：王鹏,许茹玉,张玉芳,董绵绵,吕志刚,李晓艳,陈晨,邸若海,李亮亮,贺楚超
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/26