[发明专利]一种用于车路协同系统的车载终端无线接入方法

摘要

本发明公开一种用于车路协同系统的车载终端无线接入方法，在车载终端部署无线网络接入模块，路侧无线网络AP或者基站部署无线资源管理模块，Internet网络侧部署联合无线资源管理模块；车载终端与无线资源管理模块之间、无线资源管理模块与联合无线资源管理模块之间分别通过信令消息、Internet有线传输交换信息；通过车载终端、无线资源管理模块和联合无线资源管理模块协同决策，将QoS全局满意度、网络资源分配全局效用及公平性综合成一个量化参数，以该参数驱动求解本发明的动力系统模型获得无线接入的决策信息。应用本发明方法可从保障QoS全局满意度、网络资源分配全局效益及公平性的综合角度给出动态自适应网络环境变化的车载终端无线接入方案。

主权项

1.一种用于车路协同系统的车载终端无线接入方法，其特征在于：在无线网络环境中，各个车辆初始进入无线网络环境时，车辆上的车载终端接入无线信号最强的无线网络；且各个车辆由t时刻开始，每间隔时间dt进行一次无线网络切换接入，具体方法如下：步骤1：在t时刻获取车辆上的车载终端信息；令无线网络环境中全部车辆个数为n；车辆标识为i，i=1、2、3、......、n；则通过车辆i上的无线网络接入模块，获取车辆i上的车载终端在t时刻的车载终端信息，具体为：A、通过多网接口管理子模块接收路侧各无线网络的AP或基站天线发射的无线信号，根据无线信号判断可用的无线网络，并将可用的无线网络构成可接入的无线网络候选集合CandidateNetSet_i；B、通过多网接口管理子模块接收多网接口管理子模块接入的无线网络j的信令消息，j为无线网络标识，j=1、2、3、......、m；m为无线网络环境中全部无线网络个数；多网接口管理子模块还从无线网络j的信令消息中获取无线网络j的QoS参数信息，包括无线网络j的可用带宽currentNetB_j、无线传输时延currentNetD_j和网络丢包率currentNetPLR_j，并将所述无线网络j的QoS参数信息传输给无线网络QoS信息评估子模块；同时，无线网络QoS信息评估子模块采集车辆i上的车载终端运行的网络应用程序k_i的QoS需求指标信息，包括网络带宽需求指标上下限参数和无线传输时延需求指标上下限参数和网络丢包率需求指标上下限参数和k为网络应用程序标识，k=1、2、3、......、p；p为网络应用程序数量；C、无线网络QoS信息评估子模块根据无线网络j的QoS参数信息和车辆i上的车载终端运行的全部网络应用程序的QoS需求指标信息，得到车辆i上的车载终端QoS需求上限参数与下限参数；车辆i上的车载终端QoS需求上限参数包含带宽需求上限参数MTUpB_i、时延需求上限参数MTUpD_i、丢包率需求上限参数MTUpPLR_i；车辆上的车载终端QoS需求下限参数包含带宽需求下限参数MTLowB_i、时延需求下限参数MTLowD_i、丢包率需求下限参数MTLowPLR_i为：MTUpBi=Σki∈ApplicationSetiappUpBkiMTLowBi=Σki∈ApplicationSetiappLowBkiMTUpDi=minki∈ApplicationSeti{appUpDki}MTLowDi=maxki∈ApplicationSeti{appLowDki}MTUpPLRi=minki∈ApplicationSeti{appUpPLRki}MTLowPLRi=maxki∈ApplicationSeti{appLowPLRki}---(1)]]>式(1)中，ApplicationSet_i表示车辆i上的车载终端运行的全部网络应用程序构成的集合；D、无线网络QoS信息评估子模块根据车辆i上的车载终端QoS需求上限参数与下限参数，得到车辆i上的车载终端QoS效用参数，包括网络带宽效用参数UtilityB_i、传输时延效用参数UtilityD_i、网络丢包效用参数UtilityPLR_i；UtilityBi=min{currentNetBi,MTUpBi}-MTLowBiMTUpBi-MTLowBiUtilityDi=MTUpDi-max{currentNetDi,MTLowDi}MTUpDi-MTLowDiUtilityPLRi=MTUpPLRi-max{currentNetPLRi,MTLowPLRi}MTUpPLRi-MTLowPLRi---(2)]]>E、无线网络QoS信息评估子模块根据车辆i上的车载终端QoS效用参数，采用加权平均方法得到车辆i上的车载终端QoS综合满意度MTSatisfaction_i；MTSatisfaction_i=w₁×UtilityB_i+w₂×UtilityD_i+w₃×UtilityPLR_i     (3)式(3)中，需满足：w₁、w₂、w₃均权重系数，为大于0的实常数，且w₁+w₂+w₃=1；F、车辆i上的车载终端将得到的MTUpB_i、UtilityB_i和MTSatisfaction_i作为车辆i的车载终端信息，由多网管理子模块通过信令消息广播给无线资源管理模块；步骤2：无线资源管理模块将接入无线网络j的车辆i上的车载终端构成集合MTset_j，并利用集合MTset_j内车辆i上的车载终端信息中的MTSatisfaction_i，得到无线网络j的QoS效用值GroupUtility_j；GroupUtilityj=Πi∈MTsetj(1-MTSatisfactioni)---(4)]]>同时，无线资源管理模块还利用集合MTset_j内车辆i的上的车载终端信息中MTUpB_i，得到无线网络j的带宽资源分配效用值NetUtilityB_j；ΔNetBj=min{0,(Capacityj-Σi∈MTsetjMTUpBi)}NetUtilityBj=21+exp(-g×ΔNetBj)---(5)]]>式(5)中，Capacity_j表示该无线网络j的带宽总容量，根据实际应用，无线网络j的具体技术标准设置，g为正实常数；步骤3：无线资源管理模块将得到的GroupUtility_j和NetUtilityB_j以及集合内车辆i上的车载终端信息中的UtilityB_i，通过Internet的有线方式传输给联合无线资源管理模块；步骤4：确定车辆i上的车载终端切换接入的目标无线网络；联合无线资源管理模块将无线网络环境中的全部无线网络构成集合NetSet，并将接入各个无线网络的车辆上的车载终端构成车载终端集合MT，随后利用联合无线资源管理模块接收到的GroupUtility_j、NetUtilityB_j和集合MT内车辆i上的车载终端信息中的UtilityB_i进行决策，具体如下：a、联合无线资源管理模块利用得到QoS全局满意度参数GlobalSatisfactio；GlobalSatisfaction=1-Πj∈NetSetGroupUtilityj---(6)]]>b、联合无线资源管理模块利用参数NetUtilityB_j，得到无线网络带宽资源分配全局效用参数GlobalUtilityB；GlobalUtilityB=Πj∈NetSetNetUtilityBj---(7)]]>c、联合无线资源管理模块利用集合MTset_j内车辆i上的车载终端信息中的UtilityB_i，得到无线网络带宽资源分配全局公平性参数GlobalAllocationFI；FI=(Σj∈MTUtilityBi)2|MT|×[Σj∈MT(UtilityBi)2GlobalAllocationFI=h(FI)---(8)]]>式(8)中，|MT|表示集合MT中元素的个数，h(Fi)为：h(FI)=0;FI≤0(2×FI)r1+(2×FI)r;0<FI≤0.51-(2-2×FI)r1+(2-2×FI);0.5<FI≤11;FI>1---(9)]]>式(9)中，r为正整数，r>2；d、联合无线资源管理模块最终根据GlobalSatisfa、GlobalUtilityB、GlobalAllocationFI，得到综合量化参数值α(t₁)：α(t1)=α(t1-dt)+dt×[GAF-α(t1-dt)]GAF=(β1×GlobalSatisfaction+β2×GlobalAllocationFI)×GlobalUtilityB---(10)]]>式(10)中，α(t₁-dt)表示t₁-dt时刻的综合量化参数值，t₁为进行步骤d的时刻；参数β₁和β₂需满足：β₁+β₂=1，且β₁与β₂均为大于0的实常数；e、联合无线资源管理模块根据综合量化参数α(t₁)，利用多项式数学模型得到参数syn和deg：syn=Σl=0nal×[α(t1)]ldeg=α(t1)---(11)]]>式(11)中，参数n为正整数；参数a_l需满足：a_n>0且a_l≥0，l=0，1，…，n-1，a_l均为实常数；f、联合无线资源管理模块根据参数syn和deg，调用车载终端无线接入决策动力系统模型，得到车辆i上的车载终端对应各个无线网络的决策向量X_i(t₂)：X_i(t₂)=[x_i1(t₂)，x_i2(t₂)，x_i3(t₂)，……，x_ij(t₂)，……，x_im(t₂)]^T，i∈MT     (12)式(3)中，xij(t2)=xij(t2-dt)+dt×[syn1+(xmaxi(t2-dt)-xij(t2-dt))2-deg×xij(t2-dt)+ηij];]]>x_ij(t₂-dt)表示在t₂-dt时刻车辆i对应无线网络j的决策向量分量，t₂为进行步骤f的时刻；参数η_ij为车辆i对应无线网络j的均值为0、标准偏差为1的高斯白噪声因子；g、联合无线资源管理模块根据决策向量X_i(t₂)，得到车辆i上的车载终端下一个时间间隔(t+dt，t+2×dt]内接入的目标无线网络j^*，作为决策信息：j*=argmaxj∈NetSet{xij(t2)|xij(t2)∈Xi(t2)}---(13)]]>h、联合无线资源管理模块通过Internet的有线方式将车辆i上的车载终端无线接入决策信息j^*发送给车辆i的车载终端在t时刻所接入的无线网络j的无线资源管理模块，i∈MTset_j，j∈NetSet；步骤5：无线网络j的无线资源管理模块接收联合无线资源管理模块发送的决策信息j^*，通过信令消息广播给当前与无线网络j连接的车载终端i，i∈MTset_j，j∈NetSet；步骤6：车辆i上的车载终端多网接口管理子模块接收信令消息发送的无线接入决策信息j^*，进行判断，具体为：I、如果j^*∈CandidateNetSet_i，则车辆i上的车载终端多网接口管理模块将连接网络的端口切换到无线网络j^*的端口，并在下一个时间间隔(t+dt，t+2×dt]内保持与该无线网j^*的无线连接，利用该无线网络j^*为终端上所有的网络应用程序提供业务服务；II、如果则车辆i上的车载终端多网接口管理子模块进一步判断t时刻多网接口管理子模块所接入的无线网络j是否属于集合CandidateNetSet_i：如果j∈CandidateNetSet_i，则车辆i上的车载终端在下一个时间间隔(t+dt，t+2×dt]保持与该无线网络j的连接；若则车辆i上的车载终端多网接口管理子模块选取集合CandidateNetSet_i中信号强度最大的无线网络作为下一个时间间隔(t+dt，t+2×dt]的接入网络；III、如果车辆i上的车载终端仍然处于无线网络环境且继续需要无线网络提供业务服务，则该车载终端i的无线网络接入模块在下一个时间间隔结束时刻t+dt返回步骤1，继续执行；否则，车辆i上的车载终端无线网络接入模块终止工作。