一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法及系统

技术领域

本发明涉及车联网通信技术领域，特别是涉及一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法及系统。

背景技术

车联网作为智慧交通的重要手段，将汽车、电子、信息通信、道路交通运输等行业深度融合，实现了车与车、车与路、车与行人、车与云平台等全方位的网络连接。然而单一类型的网络无法满足车联网中低时延、高可靠的通信需求，逐渐趋于融合的异构网络成为下一代车联网的发展趋势。为了使车辆在异构网络环境中充分利用网络资源，并根据业务需求和移动特性切换至最佳的接入网络，研究车联网垂直切换技术成为关键。

当前车联网中的业务类型大致可分为两类：一类是驾驶安全类业务，主要包含自动驾驶、远程驾驶及交通预警等。另一类是信息服务类业务，大多需要较高的带宽和网络吞吐量，但往往是时延不敏感的，所涉及到的应用领域包含车载娱乐、视频直播、动态地图及天气情况预报等。在异构车联网中每一个车辆相当于一个通信节点，其车载单元(OBU，OnBoard Unit)上配备有多种接口可接入不同的通信网络(如：5G、LTE、Wi-Fi及WiMAX等)。不同接入网络的特征参数各不相同，具体体现在信号强度、负载、开销、安全性、能耗等方面。针对安全类业务，用户注重的是网络的实时性和安全性；而针对信息服务类业务，用户可能更注重的是开销、带宽等。车辆在移动过程中需要采取合适的垂直切换机制，通过感知当前业务需求在不同网络之间执行切换，以保证用户服务质量(QoS，Quality of Service)。

垂直切换包含三个过程：切换信息采集、切换决策及切换执行，其中切换决策过程是最为关键的。一次切换决策可能会受到多重因素的影响，如：可用带宽、网络负载、网络覆盖范围、用户偏好、开销及安全性等。传统的切换决策方案可大致分为四类：基于用户服务质量的切换方案、基于决策函数的切换方案、基于人工智能的切换方案以及基于环境感知的切换方案，这些方案已针对切换次数、丢包率等方面有了改善，但仍存在一些问题：

(1)移动性分析不足：车联网场景下，车辆速度变化快，网络拓扑变化复杂，现有的切换算法对于车辆轨迹和移动性分析不足，并不适用于高速移动终端。一些机制建模简单，不能真实地反应车辆在网络中的驻留过程。

(2)算法简单：大部分的切换算法是基于接收信号强度、可用带宽等网络侧参数进行决策的，判决因素单一，易产生乒乓效应、抖动等问题。在车联网场景下，用户业务类型众多，需求也不尽相同，大多算法对于用户侧的开销、负载及安全性等方面的决策考虑不够。

(3)适用场景单一：传统切换算法相对简单，所涉及网络覆盖场景单一，在车辆密度较高时，网络负载均衡问题无法有效解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法及系统，解决传统垂直切换技术存在移动性分析不足、算法简单、适用场景单一等问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法，包括：

获取待切换车辆采用接入网络的网络状态和车辆参数；所述网络状态包括：接入网络分配的最大数据速率、各接入车辆已分配数据速率以及信道带宽；所述车辆参数包括待切换车辆所需数据速率、待切换车辆的地理位置、待切换车辆的速度与方向角、开销、安全性以及能耗；

根据所述网络状态确定接入网络的实际吞吐量；

判断所述接入网络的实际吞吐量是否小于所述待切换车辆所需数据速率，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述接入网络的实际吞吐量不小于所述待切换车辆所需数据速率，则将所述接入网络纳入备选网络集合中；纳入所述备选网络集合中的接入网络作为切换网络；

获取所述备选网络集合中的切换网络的网络参数；所述网络参数包括：网络发射功率、与路径损耗相关联的衰落余量、网络接入点与车辆之间的天线增益、信道带宽以及噪声功率；

根据所述网络参数确定QoS圆形区域的半径；所述QoS圆形区域为以接入点或基站为圆心的圆形区域；所述待切换车辆处于所述QoS圆形区域时，获取请求的数据传输速率；

根据所述QoS圆形区域的半径，采用Smooth RWP移动模型，确定接入距离；所述接入距离为所述待切换车辆在QoS圆形区域经过切换延时与接入点的距离；

获取所述待切换车辆选择所述切换网络进行切换的概率；

根据所述概率以及所述接入距离确定所述切换网络的QoS圆形区域的实际半径；

根据所述QoS圆形区域的实际半径以及所述QoS圆形区域的半径确定所述备选网络集合中的切换网络的网络利用率；

根据所述网络利用率确定最优网络，并根据所述最优网络进行切换。

可选的，所述根据所述网络状态确定接入网络的实际吞吐量，具体包括：

利用公式

其中，

可选的，所述根据所述网络参数确定QoS圆形区域的半径，具体包括：

利用公式

其中，

可选的，所述根据所述QoS圆形区域的半径，采用Smooth RWP移动模型，确定接入距离，具体包括：

利用公式

其中，L

可选的，所述根据所述网络利用率确定最优网络，并根据所述最优网络进行切换，之前还包括：

若所述网络利用率全部为零或者为空集，则选择数据传输速率最高的5G网络进行切换。

一种基于用户业务感知的车辆垂直切换系统，包括：

参数获取模块，用于获取待切换车辆采用接入网络的网络状态和车辆参数；所述网络状态包括：接入网络分配的最大数据速率、各接入车辆已分配数据速率以及信道带宽；所述车辆参数包括待切换车辆所需数据速率、待切换车辆的地理位置、待切换车辆的速度与方向角、开销、安全性以及能耗；

实际吞吐量确定模块，用于根据所述网络状态确定接入网络的实际吞吐量；

第一判断结果确定模块，用于判断所述接入网络的实际吞吐量是否小于所述待切换车辆所需数据速率，得到第一判断结果；

备选网络集合确定模块，用于若所述第一判断结果为所述接入网络的实际吞吐量不小于所述待切换车辆所需数据速率，则将所述接入网络纳入备选网络集合中；纳入所述备选网络集合中的接入网络作为切换网络；

网络参数获取模块，用于获取所述备选网络集合中的切换网络的网络参数；所述网络参数包括：网络发射功率、与路径损耗相关联的衰落余量、网络接入点与车辆之间的天线增益、信道带宽以及噪声功率；

QoS圆形区域的半径确定模块，用于根据所述网络参数确定QoS圆形区域的半径；所述QoS圆形区域为以接入点或基站为圆心的圆形区域；所述待切换车辆处于所述QoS圆形区域时，获取请求的数据传输速率；

接入距离确定模块，用于根据所述QoS圆形区域的半径，采用Smooth RWP移动模型，确定接入距离；所述接入距离为所述待切换车辆在QoS圆形区域经过切换延时与接入点的距离；

概率获取模块，用于获取所述待切换车辆选择所述切换网络进行切换的概率；

实际半径确定模块，用于根据所述概率以及所述接入距离确定所述切换网络的QoS圆形区域的实际半径；

网络利用率确定模块，用于根据所述QoS圆形区域的实际半径以及所述QoS圆形区域的半径确定所述备选网络集合中的切换网络的网络利用率；

切换模块，用于根据所述网络利用率确定最优网络，并根据所述最优网络进行切换。

可选的，所述实际吞吐量确定模块具体包括：

实际吞吐量确定单元，用于利用公式

其中，

可选的，所述QoS圆形区域的半径确定模块具体包括：

QoS圆形区域的半径确定单元，用于利用公式

其中，

可选的，所述接入距离确定模块具体包括：

接入距离确定单元，用于利用公式

其中，L

可选的，还包括：

5G网络切换模块，用于若所述网络利用率全部为零或者为空集，则选择数据传输速率最高的5G网络进行切换。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法及系统，通过车载通信终端扫描邻近可接入网的网络状态并收集相关的网络参数，评估各网络当前负载情况及其可向车辆提供的最大数据速率。进而判断当前网络可提供的实际吞吐量是否满足车辆请求的数据速率，对接入网络进行预筛选。对于备选网络集中的切换网络，将其可向车辆提供的最大数据速率转化为以接入点(AP)或基站(BS)为圆心的QoS圆形区域，车辆若处于圆形区域中即可获得请求的数据传输速率。通过车端OBU综合分析用户侧偏好信息、车辆移动特性、切换延迟等因素获得车辆在各备选网络中的实际半径。最终比较候选集中不同网络的网络利用率，选出的最优网络，完成后续切换执行过程。本发明解决了传统垂直切换技术存在移动性分析不足、算法简单、适用场景单一等问题。本发明具有适用场景广泛，可执行性高，执行结果准确等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法流程示意图；

图2为本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法原理示意图；

图3为车辆在某网络QoS圆形理论区域的移动轨迹图；

图4为本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法及系统，具有适用场景广泛，可执行性高，执行结果准确的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

传统垂直切换技术存在移动性分析不足、算法简单、适用场景单一等问题并不能很好地应用于异构车联网场景。本发明的目的是改进原有的切换技术，针对有基础设施(如：RSU、AP或基站)的异构车联网场景，提出一种科学合理、适用性强的垂直切换方案。该方案通过感知车辆业务需求和不同接入网络特性，利用移动假设、QoS边界转换及效用函数完成切换决策，从而提升车辆在移动过程中的通信质量和用户体验质量。

本发明的适用场景为包含有5G、Wi-Fi等多种无线通信技术的异构车联网环境，其中5G采用密集组网的方式实现了全覆盖。

图1为本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法流程示意图，图2为本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法原理示意图，如图1和图2所示，本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换方法，包括：

S101，获取待切换车辆采用接入网络的网络状态和车辆参数；所述网络状态包括：接入网络分配的最大数据速率、各接入车辆已分配数据速率以及信道带宽；所述车辆参数包括待切换车辆所需数据速率、待切换车辆的地理位置、待切换车辆的速度与方向角、开销、安全性以及能耗。

S102，根据所述网络状态确定接入网络的实际吞吐量。

S102具体包括：

利用公式

其中，

网络负载是影响切换性能的重要因素之一，与现有的方案不同的是本专利采用接入同一网络车辆所需的数据速率表示该网络的负载而不是用接入车辆数量来表示，其根本原因是接入车辆多，并不意味着网络负载就一定很大，负载往往取决于接入车辆对网络的数据传输需求。车辆节点通过周期性广播来扫描获取附近可供接入的网络，并获取各网络当前的实际负载情况Li。假设当前有N辆车接入网络i，接入该网络的N辆车分配到的数据速率分别为{s

针对车联网下的不同场景，感知模块可实时获取车辆对当前业务所需的数据速率需求。

S103，判断所述接入网络的实际吞吐量是否小于所述待切换车辆所需数据速率s

S104，若所述第一判断结果为所述接入网络的实际吞吐量不小于所述待切换车辆所需数据速率，则将所述接入网络纳入备选网络集合中；纳入所述备选网络集合中的接入网络作为切换网络。

S105，获取所述备选网络集合中的切换网络的网络参数；所述网络参数包括：网络发射功率、与路径损耗相关联的衰落余量、网络接入点与车辆之间的天线增益、信道带宽以及噪声功率。

S106，根据所述网络参数确定QoS圆形区域的半径；所述QoS圆形区域为以接入点或基站为圆心的圆形区域；所述待切换车辆处于所述QoS圆形区域时，获取请求的数据传输速率。

向车辆提供的最大数据速率向车辆提供的最大数据速率

由香农定理可知，在被高斯白噪声干扰的信道中，网络i的最大数据速率由下述公式确定：

其中，W为信道带宽，P

P

P

P

γ、α、β为常量，与车联网所处无线场景有关。车辆接受到的瞬时信号功率可能会由于无线信道状态的变化而产生波动。此时为了防止因为波动产生的影响，将所述接收到的平均信号功率P

进而，利用公式

其中，

S107，根据所述QoS圆形区域的半径，采用Smooth RWP移动模型，确定接入距离；所述接入距离为所述待切换车辆在QoS圆形区域经过切换延时与接入点的距离。QoS圆形区域的半径为理论半径，也就是说此时的QoS圆形区域为理论圆形区域。

S107考虑到用户偏好信息、车辆移动特性、切换延迟等因素，车辆未来实际可能会使用到的区域要小于QoS圆形理论区域。该实际区域也可通过以接入点(AP)或基站(BS)为圆心的圆形区域表示，半径为

本发明考虑通过车端OBU智能推算车辆未来在某些网络的QoS圆形理论区域的驻留时间及实际可使用的区域半径，在推算过程中选用Smooth RWP移动模型来模拟车辆移动，该模型考虑到了移动节点的历史状态，有效避免了速度及方向角突变的问题，更符合实际。接下来的内容将以候选网络集C中某一网络为例，叙述具体推算过程。

假设车辆以一定概率进入某一网络的QoS圆形理论区域，其轨迹如附图3所示。初始时刻(t＝0)车辆处在点A，其历史速度及方向角为v

中t

d

d

进而，利用公式

其中，L

其中d

T

S108，获取所述待切换车辆选择所述切换网络进行切换的概率P

P

其中τ

τ

{C

表1如下：

表1

S109，根据所述概率以及所述接入距离确定所述切换网络的QoS圆形区域的实际半径。

S110，根据所述QoS圆形区域的实际半径以及所述QoS圆形区域的半径确定所述备选网络集合中的切换网络的网络利用率。

即各网络利用率为{η

通过比较候选集中不同网络的网络利用率，利用率最高的即为选出的最优切换网络。将结果通知到切换执行组件，当前网络链路质量下降或网络所提供的数据速率不足以满足车辆需求时，尝试切换至最优网络。

Result＝max{η

S111，根据所述网络利用率确定最优网络，并根据所述最优网络进行切换。

S111之前还包括：

若所述网络利用率全部为零或者为空集，则选择数据传输速率最高的5G网络进行切换。

即由于η

图4为本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换系统结构示意图如图4所示，本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换系统，包括：

参数获取模块401，用于获取待切换车辆采用接入网络的网络状态和车辆参数；所述网络状态包括：接入网络分配的最大数据速率、各接入车辆已分配数据速率以及信道带宽；所述车辆参数包括待切换车辆所需数据速率、待切换车辆的地理位置、待切换车辆的速度与方向角、开销、安全性以及能耗。

实际吞吐量确定模块402，用于根据所述网络状态确定接入网络的实际吞吐量。

第一判断结果确定模块403，用于判断所述接入网络的实际吞吐量是否小于所述待切换车辆所需数据速率，得到第一判断结果。

备选网络集合确定模块404，用于若所述第一判断结果为所述接入网络的实际吞吐量不小于所述待切换车辆所需数据速率，则将所述接入网络纳入备选网络集合中；纳入所述备选网络集合中的接入网络作为切换网络。

网络参数获取模块405，用于获取所述备选网络集合中的切换网络的网络参数；所述网络参数包括：网络发射功率、与路径损耗相关联的衰落余量、网络接入点与车辆之间的天线增益、信道带宽以及噪声功率。

QoS圆形区域的半径确定模块406，用于根据所述网络参数确定QoS圆形区域的半径；所述QoS圆形区域为以接入点或基站为圆心的圆形区域；所述待切换车辆处于所述QoS圆形区域时，获取请求的数据传输速率。

接入距离确定模块407，用于根据所述QoS圆形区域的半径，采用Smooth RWP移动模型，确定接入距离；所述接入距离为所述待切换车辆在QoS圆形区域经过切换延时与接入点的距离。

概率获取模块408，用于获取所述待切换车辆选择所述切换网络进行切换的概率。

实际半径确定模块409，用于根据所述概率以及所述接入距离确定所述切换网络的QoS圆形区域的实际半径。

网络利用率确定模块410，用于根据所述QoS圆形区域的实际半径以及所述QoS圆形区域的半径确定所述备选网络集合中的切换网络的网络利用率。

切换模块411，用于根据所述网络利用率确定最优网络，并根据所述最优网络进行切换。

所述实际吞吐量确定模块402具体包括：

实际吞吐量确定单元，用于利用公式

其中，

所述QoS圆形区域的半径确定模块406具体包括：

QoS圆形区域的半径确定单元，用于利用公式

其中，

所述接入距离确定模块408具体包括：

接入距离确定单元，用于利用公式

其中，L

本发明所提供的一种基于用户业务感知的车辆垂直切换系统，还包括：

5G网络切换模块，用于若所述网络利用率全部为零或者为空集，则选择数据传输速率最高的5G网络进行切换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。