[发明专利]基于双车道格子流体力学的提高车联网通信连通性的方法

权利要求书

1.一种基于双车道格子流体力学的提高车联网通信连通性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)构建双车道车联网通信模型：双车道车联网通信模型包括车道1、车道2及车道1、车道2上均匀分布设置的一组节点J,J＝{j-n,...,j-2,j-1,j,j+1,j+2,...j+n}，依据格子流体力学模型中的换道条件定义车辆换道行为的发生为：车道2上节点j-1的密度高于车道1上节点j的密度，车道2上的车辆就会向车道1进行换道，同理，车道1上的车辆也会向车道2进行换道；

2)推导保证车流稳定需满足的密度条件：采用基于Nagatani双车道格子流体力学模型的双车道连续方程如公式(1)所示：

其中ρ_j-1、ρ_j、ρ_j+1分别为t时刻节点j-1、j、j+1的平均密度，ν_j-1、ν_j为t时刻节点j-1和节点j的车辆平均速度，ρ₀为系统平均密度，为节点j换道完成后的密度，β为车辆换道概率，依据当前节点与同车道相邻节点密度差构建的新演化方程如公式(2)所示：

其中a为司机的驾驶敏感系数，将双车道连续方程公式(1)和新演化方程公式(2)联立得到稳定性分析方程如公式(3)所示：

系统稳定性状态的解如公式(4)所示：

且在双车道系统中，优化速度的函数形式如公式(5)所示：

其中，ρ_c为节点临界密度，假设y_i(t)是一个扰动，相应的密度和最优速度如公式(6)所示：

将y_i(t)按傅里叶级数展开，取其中的单色波分量如公式(7)所示：

y_i(t)＝exp(ikj+zt) (7)，

并由此得到由y_i(t)表示的相关参数如公式(8)所示：

将公式(5)-公式(8)代入公式(3)整理得到公式(9)：

在ik→0，z→0时，展开公式(9)中的z，得到展开式如公式(10)所示：

z＝z₁(ik)+z₂(ik)²+…(10)，

将展开式公式(10)代入公式(9)并令方程中的实部和虚部等于零，得到z的一阶项系数和二阶项系数如公式(11)和公式(12)所示：

如为保证交通流稳定，则需要保证z₂始终为正，即车流密度需满足条件如公式(13)所示：

3)构建基于交通流平稳性的直接可连接性概率函数：设车辆之间的距离x，概率密度函数如公式(14)所示：

定义车辆和车辆的通信范围分别为和用表示取二者通信半径中小的值，如公式(15)所示：

距离x的累计分布函数，即车辆之间可以相互通信需满足的条件如公式(16)所示：

有效通信范围如公式(17)所示：

联立公式(16)和公式(17)得出的求解公式如公式(18)所示：

其中，r₀是没有路径衰落时车辆的通信半径，γ_th为信噪比阈值，α表示路径损耗指数，ζ是衰落系数，p_t为车辆发射功率，p_n为总的加性噪声功率，将公式(13)取等号并联立公式(16)、公式(18)得到车流稳定情况下车辆之间的直接可连接概率函数如公式(19)所示：

4)推导车流变化过程中驾驶员调整时间τ后使车流稳定的条件：车流变化过程中驾驶员调整时间τ后双车道模型新的演化方程如公式(20)所示：

在新的演化方程下，交通流保持稳定需满足的条件如公式(21)所示：

5)构建车辆之间的持续连通性概率函数：车辆之间完成一次数据传输所需的时间如公式(22)所示：

其中，T₀为链路建立时间，S为数据包大小，D为完整传输数据包所需的速率，l为节点之间的距离，链路持续连通概率函数表达式如公式(23)所示：

P_c＝P(T+T₀＜τ) (23)，

采用如下方法计算持续连通概率值，过程如下：

5-1)输入p_n、S、D变量的随机值，初始化完整接收消息的次数J_c和方法的执行次数J的值为0；

5-2)对于每一对需要相互通信的车辆和计算出相对速度的取值，如公式(24)所示：

ν_rel＝random(20±20) (24)；

5-3)由公式(21)取等号计算τ，利用公式(22)计算车辆之间完成一次数据传输所需的时间T；

5-4)如果T+T₀＜τ成立，则J_c＝J_c+1，否则，执行下一步；

5-5)判断J是否小于10000，若是，执行J＝J+1，返回步骤5-3)，否则，执行步骤5-6)；

5-6)依据公式(25)所示计算P_c的值：

5-7)保存数据P_c，结束。