[发明专利]一种基于效用函数的车联网占优资源公平分配优化方法

权利要求书

1.一种基于效用函数的车联网占优资源公平分配优化方法，其特征在于，包括：

构造以车辆用户服务质量QoS指标为自变量的效用函数；

利用M/D/1排队模型建立QoS指标与无线网络资源数量二者间的函数映射关系以建立映射模型；

基于所述以车辆用户服务质量QoS指标为自变量的效用函数和所述映射模型，设计一种占优资源公平机制的资源分配优化方法，求解以最大化车辆用户效用为目标函数，公平分配用户占优资源为约束条件的最优化问题，并由此得出最优的资源分配结果；再通过用户权重优先级进行剩余可用资源的分配；

所述资源分配优化方法是针对车联网中无线接入点AP上的资源，将用户服务的QoS需求转换为所需的资源数量，具体包括：

步骤1，获取用户所创建业务流的QoS需求，并根据映射模型将其转换成所需的资源量，若用户创建了多条业务流，则需进行流量需求聚合；聚合后的所有用户只包括一个业务QoS请求；

步骤2，计算出各业务的占优资源份额以及用户优先级权重；

步骤3，根据所述占优资源份额及QoS需求，求解最优化问题，计算最优分配结果及每个用户的效用；

步骤4，效用大于1的用户将根据需要获取其资源数量，对于其他用户，将使用剩余的网络资源再次执行步骤2和步骤3中的操作；

步骤5，重复步骤4，直到没有用户可以获得大于1的效用或所有用户满足其资源需求，或者其中一种资源类型被完全分配，则终止执行，输出最后的分配结果；

步骤6，若仍有资源剩余且有用户的需求未得到满足，则按照用户优先级权重由高到低的顺序依次分配给资源不够的用户，直到剩余资源被消耗完，停止执行，输出最后的分配结果；

步骤7，若在此之后有用户的业务流发生添加或删除的变化，则根据相应的变化修改需求，再重新执行上述的分配过程；

所述步骤1具体包括：

步骤1.1)假设用户创建J条业务流，每条业务流j的QoS需求表示为d_j0,r_j0；

通过QoS需求与资源量间的函数映射模型，得出每条业务流的对应资源需求为BW_j0,L_j0；

步骤1.2)将用户的聚合资源需求，记为BW₀,L₀，表示为：

所述步骤2具体包括：

步骤2.1)假设所有的业务流都有一个固定的分组大小P；每个用户请求的业务流都有代表QoS性能的分组时延和丢包率，记为d,r；分配给对应用户的车联网资源用BW,L表示，所述车联网资源包括则节点的分组在无线链路中的传输延迟d_t表示为：

步骤2.2)假设分组到达遵循泊松分布，其中到达速率λ＝BW/P，队列的服务速率为α，这里α表示单位时间内被服务的数据包数量，并将ρ＝λ/α定义为流量强度；分组延迟d、分组的平均排队长度及丢包率r分别表示为

步骤2.3)假设流量强度ρ是一个常数值；当业务负载很重时，将ρ近似等同为C/C_b，其中C是无线信道容量，C_b是AP连接到有线网络设备的有线链路的容量，则无线带宽与分组时延、缓存与丢包率间的函数关系表示为：

L＝PE[Q](1-r)

步骤2.4)假设在车联网环境中，AP无线信道容量为C，队列缓存为L_Q，M个用户，对于每个用户i，我们将其QoS需求表示为d_i0,r_i0及对应的资源需求向量为BW_i0,L_i0；定义μ_i＝max{BW_i0/C,L_i0/L_Q}作为用户i所需的占优资源份额；如果μ_i＝BW_i0/C，说明用户i是带宽占优的，否则就是缓存占优的；

步骤2.5)用户优先级权重可表示为R∈{BW,L}，其中，代表所有用户在资源R上的最大占优资源集合；

所述步骤3具体包括：

步骤3.1)设用户i在分配的资源份额和实际的QoS性能表示为BW_i,L_i和d_i,r_i，将x_i＝BW_i/BW_io＝L_i/L_i0表示为用户i的供需匹配度，q＝μ_ix_i,(i＝1,2,…,M)表示任意用户的实际占优份额；

步骤3.2)资源分配的最优化问题可表示为：

maximize(x₁,x₂,…,x_M)

subject to

μ₁x₁＝μ₁x₂＝…＝μ_Mx_M

步骤3.3)求解步骤3.2)中的最优化问题，得出以下结果：

其中a＝L_Q/C为缓存容量大小与无线信道容量之比，m_i＝L_i0/BW_i0为用户i的资源需求比；

步骤3.4)计算用户的效用，可由如下资源的效用函数表示：

步骤3.5)根据步骤3.4)中式子可知U_i＝x_i，表示最优化问题中是以最大化用户效用为目标函数；

所述映射模型利用M/D/1排队模型的相关结论推导而成，将包括分组时延和丢包率的QoS性能指标作为自变量，将包括无线带宽BW和队列缓存L的资源数量作为因变量，获得分组时延与无线带宽、丢包率与队列缓存间的函数关系。