[发明专利]一种基于分簇结构的单向直路车联网认知频谱分配方法

权利要求书

1.一种基于分簇结构的单向直路车联网认知频谱分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据当前网络可以提供的总信道容量及各类业务的最小速率需求判断网络负载状态，将网络负载状态定义为三种：轻载、重载、超重载；

所述网络负载状态的计算公式为：

式中NLS为网络负载状态；为当前网络安全业务的最小速率需求；为当前网络非安全业务的最小速率需求；R_total为当前网络可以提供的总信道容量；

各网络负载状态对应的取值范围如表1所示：

表1 网络负载状态

步骤2、当网络负载状态达到步骤1中的重载或超重载时，启动认知频谱机制，首先采用基于距离与拥堵指数的联合等级比例分配算法进行簇间频谱分配，利用各认知小区的等级与所有认知小区总的等级之和的比例关系，分配主用户提供的空闲频谱；

所述步骤采用基于距离与拥堵指数的联合等级比例分配算法进行簇间频谱分配的具体步骤如下：

步骤2.1、认知小区的划分与簇首的选择

当网络负载状态达到步骤1中的重载或超重载时，启动认知频谱机制，首先选择距每个认知小区中心位置最近的车辆作为簇首，各小区内的认知节点在簇首节点确定后将自己所需的信道数上报给簇首节点；

步骤2.2、优先级的确定

多认知小区采用基于距离与拥堵指数的联合等级比例分配算法，因此需要获取各个簇首节点与主用户间的距离Dpc_i和各个认知小区即路段的拥堵系数TPI_i，认知小区的优先级的计算公式为：

Tc_i＝[a*TPI_i+b*Dpc_i] (2)

式中Tc_i为第i个认知小区的优先级；TPI_i为第i个认知小区的拥堵系数；Dpc_i为第i个簇首节点与主用户间的距离；a、b为常数，a表示小区拥堵状态对优先级的影响，b表示簇首节点与主用户间的距离对优先级的影响，各认知小区的优先级取值如表2所示：

表2 认知小区优先级

常数a	常数b	i]]>	i(km)]]>	i]]>
0.8	0.2	8.2	6	8
0.8	0.2	4.5	5	5
0.8	0.2	2.4	4	3
0.5	0.5	8.2	6	7
0.5	0.5	4.5	5	5
0.5	0.5	2.4	4	3
0.3	0.7	8.2	6	7
0.3	0.7	4.5	5	5
0.3	0.7	2.4	4	4

步骤2.3、频谱分配

采用等级比例分配算法，各个簇首从主用户分得的频谱数W_i为：

式中W为主用户提供共享的空闲信道总数；Tc_i为第i个认知小区的优先级；为认知小区的优先级总和；

步骤3、然后采用基于消息优先级的竞价拍卖频谱分配算法进行步骤2中分配后各个簇首的簇内频谱分配，根据用户传输消息的优先级在出价函数中引入消息的优先级系数，实现频谱分配的最优化；

所述采用基于消息优先级的竞价拍卖频谱分配算法进行簇内频谱分配的具体步骤如下：

步骤3.1、簇首节点公布空闲信道向量P＝(P₁,P₂,…,P_j)及信道的底价向量d＝(d₁,d₂,…,d_j)；

其中簇首节点给出的各空闲信道的底价d_j为：

d_j＝A+α_j (4)

式中A为信道出租成本；α_j为拍卖中信道j竞拍的激烈程度；

步骤3.2、认知用户感知空闲信道并给出信道估价向量v_i＝{v_i1,v_i2,…,v_ij}；

认知用户对信道的估价函数为：

v_ij＝β_iγ(B_ij) (5)

式中v_ij表示认知用户i对信道j的估价；β_i为认知用户i传输消息优先级系数；γ(B_ij)为认知用户使用信道所获取的频谱效用函数经过取整后得到的出价函数；所述出价函数γ(B_ij)是由认知用户所获取的频谱效用函数B_ij经过取整转换得到的，B_ij为：

式中W为信道带宽，单位Hz；S为信号功率；N为噪声功率；

消息优先级系数β_i反映信息的重要性，消息越重要β_i值越大，其取值范围为0β_i≤1，认知用户传输不同类型信息的β_i的取值对应关系如表3所示：

表3 消息类型与β_i的取值关系

步骤3.3、计算信道估价与底价的差值v_ij-d_j，得到差值矩阵D；

步骤3.4、分别对差值矩阵D的每行，即同一信道估价与底价差值，按照大小进行排序；

步骤3.5、将信道分配给该信道估价与底价差值最大的认知用户：

信道分配矩阵M反映各认知用户分配到信道的情况，M＝{b_ij|b_ij∈{0,1}}，b_ij表示是否将信道j分配给用户i，若b_ij＝1表示信道j分配给用户i，否则b_ij＝0；为防止干扰，每个信道只能分配给一个认知用户，两个认知用户不能共用一个信道，即∑_ib_ij≤1，∑_jb_ij≤1；

步骤3.6、分配到信道的认知用户退出竞价，未分配到信道的用户继续估价，回到步骤3.3；

认知用户新估价为:

v_ij′＝v_ij+G (7)

式中v_ij′为认知用户i对信道j的新估价；v_ij为认知用户i对信道j的最初的估价；G为补贴函数，补贴函数G具体的补贴条件为：

式中△α_i为认知用户i在频谱分配中连续未分到频谱的次数；g为补贴因子；a为补贴门限值，是常数；其中只有当认知用户i在频谱分配中连续未分到频谱的次数超过补贴门限值即△α_i≥a时，认知用户i才可获得补贴；

步骤3.7、判断信道分配是否结束，直至各信道估价与底价的差值最大值≤0，分配结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于分簇结构的单向直路车联网认知频谱分配方法，其特征在于，所述步骤3.6中补贴门限值a＝3。