[发明专利]车联网中基于Lyapunov优化的V2V通信资源分配方法

权利要求书

1.一种车联网中基于Lyapunov优化的V2V资源分配方法，在以下系统中运行通信业务，该系统包括一个基站，多个V2V链路和V2I链路，其中V2I链路预先分配了频谱资源块，V2V链路通过复用V2I下行链路的频谱资源块，以D2D通信方式实现两个临近车辆之间的通信；V2V链路和V2I链路的集合分别表示为和其中K和M分别表示V2V链路和V2I链路的总数量；为了分析V2V链路的时延和可靠性，每个V2V链路的传输端均配置一个缓存数据的缓存队列，通信系统按时隙运行通信业务，定义使用时隙t∈{1,2,...}表示一段时间的间隔[t,t+1)；针对以上V2V通信系统模型，规划优化问题，并且根据Lyapunov优化理论设计资源分配方法对优化问题进行求解，该方法具体步骤如下：

1)问题规划

在时隙t，第k个V2V链路的数据传输速率定义为

其中表示取任意符号，B表示带宽，δ表示时隙持续时间，α_k,m(t)为资源块复用因子，在时隙t如果第k个V2V链路复用第m个V2I链路的资源块，那么α_k,m(t)＝1，否则α_k,m(t)＝0，σ²表示高斯白噪声干扰功率，P_k,m(t)表示在时隙t第k个V2V链路复用第m个V2I链路的频谱资源块时的传输功率，P_m(t)表示在时隙t第m个V2I链路的传输功率，h_k,m(t)表示在时隙t第k个V2V链路与第m个V2I链路共享资源块时的信道增益，s_m,k(t)表示在时隙t第m个V2I链路传输端对k个V2V链路接收端的干扰信道增益；V2V链路长时间平均总吞吐量定义为

其中τ表示0至t-1时隙中的第τ个时隙，R_k(τ)表示在时隙τ第k个V2V链路的吞吐量，表示在时隙τ所有V2V链路的吞吐量，τ≤t-1；V2V链路长时间平均总传输功率为

其中P_k,m(τ)表示在时隙τ第k个V2V链路复用第m个V2I链路的频谱资源块时的传输功率，表示在时隙τ所有V2V链路总传输功率，α_k,m(τ)为资源块复用因子，在时隙τ如果第k个V2V链路复用第m个V2I链路的资源块，那么α_k,m(τ)＝1，否则α_k,m(t)＝0；在时隙t，任意V2I链路m的基站传输速率定义为

其中h_m(t)表示在时隙t第m个V2I链路的信道增益，g_k,m(t)表示在时隙t第k个V2V链路传输端对第m个V2I链路接收端的干扰信道增益；每个V2V链路的传输端配置一个任务队列，任意V2V链路的队列长度定义为Q_k(t)，其更新公式定义为

其中A_k(t)表示在时隙t任务到达速率,在每个时隙服从均值为λ_k的泊松分布，表示对A_k(τ)求期望，max表示求最大值符号；

对每个V2V链路的队列长度施加概率约束，第k个V2V链路的队列长度的概率约束为

其中Pr表示概率，L_k表示队列长度的边界，θ表示任意队列长度Q_k(t)超出L_k的违背概率；Q_k(τ)表示在时隙τV2V链路k的队列长度,以最大化V2V链路能量效率为目标函数，同时以V2V链路的时延和可靠性要求以及V2I链路的最小速率要求为约束，规划出如下优化问题

其中s.t.表示约束符号，C1、C2、C3、C4和C5表示约束式符号，η_EE表示V2V链路的能量效率，R_C表示V2I链路传输速率最小值，表示V2V链路传输功率最大值；

2)优化问题等价变换

根据马尔可夫不等式，约束C1可以被松弛为

当第k个V2V链路与第m个V2I链路共享资源块，此时满足α_k,m＝1，根据问题(7)中的约束式C2，可以推导出V2I链路的功率最优值为

其中将V2I链路的功率最优值代入优化问题(7)可得到如下问题

是关于功率向量α和P₁的函数，e_k,m(t)＝σ²(h_m(t)+βs_m,k(t))，f_k,m(t)＝βs_m,k(t)g_k,m(t)，d_k,m(t)＝h_k,m(t)h_m(t)；将优化问题(10)的分式形式的目标函数转换为减式形式，可得到如下优化问题

其中

3)Lyapunov优化理论

针对问题(11)中的时间平均约束C1，引入虚拟队列：

G_k(t+1)和G_k(t)分别表示任意V2V链路在时隙t+1和时隙t的虚拟队列,定义二次Lyapunov函数为其中G(t)＝{G₁(t),...,G_K(t)}；在任意时隙t期间，基于虚拟队列G(t)的Lyapunov漂移及惩罚定义为

其中表示基于条件y求x的期望值，表示Lyapunov函数值在两个时隙之间的变化量，V＞0表示权衡队列长度和V2V链路能量效率的控制参数；在时隙t期间的任意队列状态和控制策略下，基于虚拟队列条件的Lyapunov漂移及惩罚可以满足如下上界

其中[a]⁺＝max{0,a}；根据[Q_k(t)-R_k(t)+A_k(t)]⁺≤max{Q_k(t)+A_k(t),R_k,max(t)}-R_k(t)，其中R_k,max(t)表示在时隙t第k个V2V链路的最大传输速率，可以得出公式(15)满足下式

其中C是一个常数，Γ_k(t)＝Q_k(t)+A_k(t)+G_k(t)；基于上述Lyapunov优化理论，可以将优化问题(11)转换为每个时隙最小化Lyapunov漂移及惩罚上界的优化问题，即

其中min表示求最小值符号,表示以α和P₁为变量的目标函数，表示通过优化α和P₁变量获得目标函数的最小值，

4)基于Lyapunov优化的资源分配方方法

针对优化问题(17)，先将二进制变量松弛区间为[0,1]的连续变量，然后引入辅助变量μ_k,m(t)＝α_k,m(t)P_k,m(t)，可得到一个关于向量α和的联合凸函数，表示为

使用凸优化方法进行求解，当优化问题(18)的目标函数对功率变量P_k,m(t)求偏导，并使偏导数值等于0时，可获得在时隙t此凸问题的功率最优解即

其中

在已知功率最优解的条件下，根据“赢者通吃”原则，可以获得在时隙t的最优资源块分配结果即

其中表示在时隙t当k′＝k时，可以取得H_k′,m(t)的最大值，

将连续的T₀＞＞1个时隙组成一个时间帧，基站仅需在每个时间帧的开始阶段执行一次信道状态捕获任务，每个时隙均需要执行资源分配任务；根据上述凸优化问题求解过程，基于Lyapunov优化的资源分配方法如下：

i.在一个时间帧的开始阶段，初始化t＝1，

ii.在时隙t，基站捕获V2V链路和V2I链路的信道状态信息Q(t)＝{Q₁(t),Q₂(t),...,Q_K(t)}；

iii.根据当前的信道状态信息Q(t)、队列长度G(t)和任务到达速率A(t)＝{A₁(t),A₂(t),...,A_K(t)}，通过公式(19)和公式(21)执行V2V通信资源分配任务；

iv.根据公式(12)更新当前时隙的V2V通信系统能量效率

v.根据公式(5)和公式(13)更新队列长度G(t)，并且更新时隙t＝t+1；

vi.重复执行步骤iii至v，直至t＞T₀时，跳转至步骤ii重新捕获V2V链路和V2I链路的信道状态信息。