车辆与基础设施间的通信性能优化方法及系统

技术领域

本发明涉及交通领域网络通信技术领域，具体涉及一种车辆与基础设施间的通信性能优化方法及系统。

背景技术

车联网有望借助新一代信息和通信技术实现车内、车与车、车与路、车与人、车与基础设施的全方位网络连接，对提高交通效率和安全水平具有重要意义，被视为实现智能交通系统的重要推动力量。其中，超可靠低延迟通信(Ultra Reliable and Low LatencyCommunications，URLLC)是实现车载无线控制、自动驾驶和精确导航等关键应用的使能技术，正在引起学术界和工业界的广泛关注。从标准角度来看，第三代合作伙伴计划(3rdGeneration Partnership Project，3GPP)将5G新无线电(New Radio，NR)引入了车载系统，为车联网通信提供了先进的物理层设计和媒体访问控制层操作。从无线通信的角度来看，有关研究报道了有限块长情况下可实现的信道容量，为URLLC物理层设计奠定了重要基础。进一步讨论了URLLC中可实现容量的近似表达式，为不同信道条件下的URLLC设计提供了指导。另一方面，相关工作证明了在车载系统中实现URLLC要求的可行性，促进了移动URLLC的实际应用。

为提高传输效率，目前已经存在一些面向数据流调度的研究，可降低时延敏感型流量的端到端延迟。针对静态网络，相关技术采用排队论和网络演算对时延敏感数据流的端到端传输延迟进行分析，但不适用于确定性网络。时间敏感数据流的调度被视为可满足性模理论问题，并使用静态调度方案求解。而为了实现移动URLLC系统中的调度，相关文献回顾了现有面向车载URLLC的数据包调度方案，并总结了潜在的挑战，为后续研究指明了方向。此外，有关文献创新地将移动网络中的调度问题建模为马尔可夫决策过程，并提出了基于动态规划策略的解决方案。一些研究人员还专注于增强移动宽带(Enhanced MobileBroadband，eMBB)和URLLC业务的联合调度，并为此类问题设计了基于打孔的传输方案。

由于功率分配机制能够有效提升车辆到基础设施(Vehicular-to-Infrastructur，V2I)URLLC系统的性能，目前已有一些工作展开了相关研究。其中，提出基于机器学习的资源分配算法，以在满足车辆到车辆(Vehicle-to-Vehicle，V2V)链路的可靠性和延迟要求的基础上最大化系统容量。并通过极值理论表征极端事件的分布，提出了一种联邦学习框架，以最小化具有URLLC约束的V2V网络中的功耗，有效减小了队列长度。同时，针对车载网络中URLLC和eMBB业务共存的问题，提出了基于网络切片和打孔技术的资源管理方案来提高整体性能。

然而，上述现有技术，仍存在以下缺陷：

(1)由于车联网中无线电和功率资源受限，设计高效的资源分配策略对于实现超可靠低延迟通信至关重要，但也面临着诸多挑战。第一，由于使用短包传输，传输信号功率、数据块长度和解码错误概率之间复杂的相互作用会使得资源分配问题非凸，从而难以求解。第二，由于车辆处在高速移动状态，信道条件实时变化，因而需要设计更为复杂的动态资源分配机制。

(2)鉴于无线电资源受限，目前已展开针对调度策略的研究，目标是通过合理安排短数据包的传输降低整体时延。但是大多数方案是针对静态或低速移动性场景设计的，不能直接应用于V2I网络。

(3)鉴于网络中的功率资源受限，有研究人员提出功率分配机制以提升URLLC系统的性能。然而，考虑数据流差异化服务质量(Quality of Service，QoS)需求的功率分配方案仍比较少，也不具备根据信道及传输状态实时调节的能力，无法满足车联网URLLC需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车辆与基础设施间的通信性能优化方法及系统，支持车联网中的关键信息传输，从而提高车联网效率及安全性。具体的，关注了下行V2I网络的超可靠低延迟通信，在无线电和功率资源受限的情况下，传输了更多满足延迟和可靠性要求的数据流，提升了系统整体性能，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种车辆与基础设施间的通信性能优化方法，包括：

以传输成功的数据流数目最多为目标，以用户收到的数据位数为该数据流成功传输的数据量、每个资源块最多分配给一个数据流、数据流k仅可在前D

求解所述数据流传输优化模型，得到数据流局部功率分配；

根据无线资源的占用情况进行数据流调度，并对新调度的数据流执行局部功率分配，实现数据流调度与功率资源分配。

可选的，构建数据流传输优化模型为：

其中，C

可选的，求解所述数据流传输优化模型，包括：在每个T

可选的，基于延迟-接收算法的数据流调度机制，将尚未调度的数据流集合中的数据流分配给空闲频点，包括：

计算尚未调度的数据流集合中的每个数据流可达速率，建立对迷你时隙i中可用无线电资源的集合的偏好列表；

每个数据流向未拒绝过且最偏好的频点提出请求，如果该频点仅收到一个数据流的请求，则接收该请求；如果该频点收到两个或者两个以上的数据流请求，则计算各数据流的

可选的，基于收集-重分配算法计算分配给各数据流的发送功率，包括：计算使用平均功率时每个数据流的速率，判断其传输截止时间

可选的，将数据速率

收集到第a个T

优先对剩余内容较少的数据流进行功率重分配，对

第二方面，本发明提供一种车辆与基础设施间的通信性能优化系统，包括：

构建模块，用于以传输成功的数据流数目最多为目标，以用户收到的数据位数为该数据流成功传输的数据量、每个资源块最多分配给一个数据流、数据流k仅可在前D

求解模块，用于求解所述数据流传输优化模型，得到数据流局部功率分配；

分配调度模块，用于根据无线资源的占用情况进行数据流调度，并对新调度的数据流执行局部功率分配，实现数据流调度与功率资源分配。

第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上所述的车辆与基础设施间的通信性能优化方法。

第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如上所述的车辆与基础设施间的通信性能优化方法。

第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的车辆与基础设施间的通信性能优化方法的指令。

术语解释：

超可靠低时延通信：5G技术的三大应用场景之一，被视为支持智能交通，工业自动化和远程医疗等各种关键任务服务的重要技术。它对极低延迟和超可靠性的要求给系统设计带来了巨大挑战。

正交频分复用：一种多载波调制技术，能够实现较高的频谱利用率。主要思想是将信道分成若干正交的子信道，并将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。

数据流调度：一种数据流处理技术，即基于数据流的需求和进度对其完成状况进行预估，并据此动态地分配无线资源，提高系统资源的利用率。

功率分配：根据数据流的信道质量为其分配不同的功率，从而增加其信道容量，提高通信系统的整体性能。

本发明有益效果：考虑优化车辆到基础设施下行URLLC传输，实现了车联网效率和安全性的提升；提出了低复杂度的资源分配机制以最大化满足QoS需求的数据流数目；在数据流调度阶段，基于匹配理论提出了有效的调度策略；在功率分配阶段，提出了用于局部功率分配的收集-再分配算法；采用交替优化方法提升了系统的整体性能。

本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例所述的功率受限的路边服务单元与K辆单天线汽车间的通信模型示意图。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

本实施例1中，首先提供了一种车辆与基础设施间的通信性能优化系统，包括：

构建模块，用于以传输成功的数据流数目最多为目标，以用户收到的数据位数为该数据流成功传输的数据量、每个资源块最多分配给一个数据流、数据流k仅可在前D

求解模块，用于求解所述数据流传输优化模型，得到数据流局部功率分配；

分配调度模块，用于根据无线资源的占用情况进行数据流调度，并对新调度的数据流执行局部功率分配，实现数据流调度与功率资源分配。

本实施例1中，利用上述的系统，实现了车辆与基础设施间的通信性能优化方法，包括：

以传输成功的数据流数目最多为目标，以用户收到的数据位数为该数据流成功传输的数据量、每个资源块最多分配给一个数据流、数据流k仅可在前D

求解所述数据流传输优化模型，得到数据流局部功率分配；

根据无线资源的占用情况进行数据流调度，并对新调度的数据流执行局部功率分配，实现数据流调度与功率资源分配。

构建数据流传输优化模型为：

其中，C

求解所述数据流传输优化模型，包括：在每个T

基于延迟-接收算法的数据流调度机制，将尚未调度的数据流集合中的数据流分配给空闲频点，包括：

计算尚未调度的数据流集合中的每个数据流可达速率，建立对迷你时隙i中可用无线电资源的集合的偏好列表；

每个数据流向未拒绝过且最偏好的频点提出请求，如果该频点仅收到一个数据流的请求，则接收该请求；如果该频点收到两个或者两个以上的数据流请求，则计算各数据流的

基于收集-重分配算法计算分配给各数据流的发送功率，包括：计算使用平均功率时每个数据流的速率，判断其传输截止时间

将数据速率

收集到第a个T

优先对剩余内容较少的数据流进行功率重分配，对

实施例2

本实施例2中，提出了一种数据流调度和功率分配的联合优化方案，在不增加功耗的情况下实现了下行链路V2I OFDM URLLC网络中传输成功的数据流数目最大化。

如图1所示，一个功率受限的路边服务单元向K辆单天线汽车发送关键信息，待传输数据包的大小可表示为

在传输过程中，为了有效降低时延并避免不同数据流之间的强同频干扰，考虑采用OFDM调制，其子载波间隔为15kHz且支持迷你时隙传输。此时，时域中的一个迷你时隙和频域中的12个子载波组成一个资源块(Resource Block，RB)，是本实施例中的基本调度单元。该系统中共有

由于车辆可以处于发射基站的任何方向，大多数研究假设路边基站(Road-SideBase Station，RSU)部署有全向天线，但这并不是一种吞吐量有效的方案。为了实现性能提升，本实施例中，考虑在RSU上部署四个90°扇区天线，从而取得了与全向天线相同的传输特性，并且可以实现G

在车辆端部署3GPP TR 37.885中的三维天线模型，其功率方向图是水平角θ和垂直角ψ的函数，且总增益可表示为：

A(θ,ψ)＝-min{-(A

其中A

本实施例2中，考虑准静态平坦衰落信道，且完美的信道状态信息已知。此时，信道增益在相干时间

其中

此外，(i,j)中第k辆车的接收功率可表示为：

其中，β是与

车辆的高速运动会引起多普勒频移，从而破坏子载波之间的正交性并引入RB间干扰。将车辆k在(i,j)中接收到的干扰功率表示为S

其中x

其中

此外，RB内干扰可以表示为

因此，(i,j)中用户k的信干噪比(Signal-to-Interference-Plus-Noise Ratio，SINR)为：

其中N

由于URLLC系统采用短数据包传输，经典的香农容量不再适用。因此，采用有限块长编码(Finite Blocklength Codes，FBC)容量公式来表征可实现速率、时延和块错误率(Block Error Rate，BLER)之间的关系，则(i,j)中数据流k的可实现速率为：

其中

根据联合信道编码理论，车辆k接收到的数据量可近似为：

C

在该网络中，RSU首先收集来自车辆传输请求，然后从迷你时隙i＝1开始调度需要传输的数据流，且整个通信过程中RSU都能实时获取车辆的位置和系统资源利用情况。

目标是充分发挥V2I网络的传输能力，即在无线资源和传输功率有限的情况下，通过联合优化数据流调度和功率分配，尽可能满足URLLC业务的流量需求，该问题可以表示为

该问题的目标函数是传输成功的数据流数目。约束条件一确保用户k收到N

该优化问题是一个混合整数非线性规划问题(Mixed-Integer NonlinearProgramming，MINLP)，难以获得其最优解。因此，提出了一种启发式算法来获得其次优解，即先分别求解数据流调度和功率分配子问题，然后设计联合优化框架来迭代求解原问题。

由于每个数据流可以使用多个RB，但每个RB只能分配给一个数据流，大多数现有研究工作将数据流调度建模为多对一匹配游戏(MatchingGame,MG)并进行求解。但我们注意到除非传输完成，否则每个数据流不会在相干时间内改变其传输状态。因此可以建立如下的一对一匹配游戏。

定义一：匹配概念

用

其中

定义二：偏好列表

匹配过程

定义三：基于延迟-接收算法的数据流调度机制

由于匹配双方都是自私且理性的，因此上述匹配过程可以表述为一个游戏，其中每个玩家的偏好列表都是严格和完整的。这种匹配游戏存在多个稳定状态，而经典的延迟接受(Deferred Acceptance,DA)算法可以找到使总效用最大化的稳定匹配。

因此，在算法1中提出基于DA的解决方案来获得最优的数据流调度结果。匹配操作在RSU侧执行，它能够收集来自车辆的URLLC请求并实时捕获车辆位置、FB分配和偏好列表等系统参数。该算法的复杂度为

本实施例2中，通过调整分配给各数据流的发送功率来优化系统性能。由于使用准静态衰落信道，因此以相干时间为间隔进行局部功率调整是合理的，其基本思想是：1)假设采用平均功率传输，然后从能够在规定时延前完成传输的数据流中收集可用功率；2)将所收集的功率重新分配给不能满足延迟要求的数据流，从而增加所完成的数据流的数目。这两个阶段的伪代码总结在算法2中，其中

/>

该算法首先计算使用平均功率时每个数据流的速率，然后检查其传输截止时间

由于剩余内容较少的流更容易传输成功，因此应优先对其进行功率重分配。故第17行对

基于数据流调度和功率分配子问题的解，提出联合优化算法来迭代求解原问题

/>

在该算法中，I个迷你时隙被划分到A个相干间隔内，故有I＝A·T

综上，考虑到该系统使用短包传输，本实施例2基于5G NR标准，并结合有限块长编码理论构建了下行V2I URLLC的系统模型。在系统设计中充分考虑了场景的高速移动特性，具体体现在两个方面：一是分析了多普勒频移对系统造成的干扰，二是以相干时间为间隔展开局部功率分配。提出的联合优化数据流调度和功率分配算法有效提高了传输成功的URLLC数据流数目，改善了系统性能且复杂度较低。

考虑优化车辆到基础设施下行URLLC传输，实现了车联网效率和安全性的提升。由于系统中的无线电和功率资源受限，提出了低复杂度的资源分配机制以最大化满足QoS需求的数据流数目。在数据流调度阶段，基于匹配理论提出了有效的调度策略；在功率分配阶段，提出了用于局部功率分配的收集-再分配算法。最后采用交替优化方法提升了系统的整体性能。

实施例3

本实施例3提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现车辆与基础设施间的通信性能优化方法，该方法包括：

以传输成功的数据流数目最多为目标，以用户收到的数据位数为该数据流成功传输的数据量、每个资源块最多分配给一个数据流、数据流k仅可在前D

求解所述数据流传输优化模型，得到数据流局部功率分配；

根据无线资源的占用情况进行数据流调度，并对新调度的数据流执行局部功率分配，实现数据流调度与功率资源分配。

实施例4

本实施例4提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行车辆与基础设施间的通信性能优化方法，该方法包括：

以传输成功的数据流数目最多为目标，以用户收到的数据位数为该数据流成功传输的数据量、每个资源块最多分配给一个数据流、数据流k仅可在前D

求解所述数据流传输优化模型，得到数据流局部功率分配；

根据无线资源的占用情况进行数据流调度，并对新调度的数据流执行局部功率分配，实现数据流调度与功率资源分配。

实施例5

本实施例5提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现车辆与基础设施间的通信性能优化方法的指令，该方法包括：

以传输成功的数据流数目最多为目标，以用户收到的数据位数为该数据流成功传输的数据量、每个资源块最多分配给一个数据流、数据流k仅可在前D

求解所述数据流传输优化模型，得到数据流局部功率分配；

根据无线资源的占用情况进行数据流调度，并对新调度的数据流执行局部功率分配，实现数据流调度与功率资源分配。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。