[发明专利]面向车辆队列控制需求的无线资源分配方法

权利要求书

1.一种面向车辆队列控制需求的无线资源分配方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S10：建立高速公路模型、车辆队列模型、车辆间无线通信模型，设计考虑通信延时的车辆分布式控制律；

所述的，高速公路模型，系统场景中有两种类型的车辆，分别为：车队内进行车与车通信的V2V车辆和与基站通信的V2I车辆；

所述的，车辆队列模型包括：控制方面的车辆动力学模型、信息流拓扑结构、车间距离策略与所设计的控制律；通信方面的频谱资源共享机制和无线通信信道增益模型；

所述的，车辆动力学模型为三阶线性模型，模型如下：

其中，x_i(t)、v_i(t)、a_i(t)分别表示第i辆车的位置、速度、加速度，α_i表示第i辆车的纵向动力学惯性延迟，u_i(t)为所设计的控制律；

所述的，车队内V2V通信的信息流拓扑结构为前车跟随式，即车队中的每辆车只获取前面一辆车的信息；

所述的，车队内车间距离策略为连续时间间距策略，其中，车队速度与车队中车辆间距的关系V(d)：

其中，f(d)的表达式为：

其中，d表示车队中车辆的间距，d_min表示间距的最小值，d_max表示间距的最大值，v_max表示车队中车辆的速度最大值；

所述的，单个车辆的控制律表达式为：

其中，为设计参数，d_i-1,i表示相邻的两辆车，即i车与i-1车，之间的位置差，τ_i-1,i(t)表示相邻的两辆车之间的通信延时，故V(d_i-1,i(t-τ_i-1,i(t)))表示车辆通信经过延时后，由相邻两辆车之间的位置差，得到的车辆合理的速度；

所述的，通信方面的频谱资源共享机制为，V2V车辆与V2I车辆共享无线频谱资源，考虑选择最优的频谱复用车辆对，以及调整最佳的信号传输功率，使V2I系统的遍历容量最大化；

所述的，无线通信信道增益模型为：

g_k,B[f]＝β_k,Bχ_k,B，g_i,B[f]＝β_i,Bχ_i,B，g_k,i[f]＝β_k,iχ_k,i，g_i[f]＝β_iχ_i

其中，g_k,B[f]表示V2I车辆与基站之间的信道增益，g_i,B[f]表示车队中车辆与基站之间的干扰信道增益，g_k,i[f]表示V2I车辆与车队中车辆之间的干扰信道增益，g_i[f]表示V2V车辆之间的信道增益；β_k,B，β_i,B，β_k,i，β_i分别表示每个信道上的小尺度快衰落功率分量，并设定此四个值呈单位均值指数分布；χ_k,B，χ_i,B，χ_k,i，χ_i分别表示每个信道上的慢衰落功率分量，并且在基站处是已知的；

步骤S11：在保证车辆自身行驶稳定性的前提下，求得可容许最大的车辆之间通信延时方法如下：

分析车辆的控制稳定性，得到车辆的状态误差：

其中，δ_i(t)，z_i(t)，分别表示车辆的位置误差，速度误差，加速度误差；v₀(t)，a₀(t)分别表示期望的车队内车辆间距，目标速度和目标加速度；

误差状态向量表示为N为车队中车辆的数目；

构造李雅普诺夫函数为：

其中，为3N×3N的单位对角矩阵；

对李雅普诺夫函数求导得要保证车辆的内部稳定性，则满足由此解得：

其中，j为放缩不等式时引入的常量，j≥1；

其中，

当通信时延满足上述不等式时，车辆的控制稳定性得以保证；

步骤S12：在保证车队弦稳定性的前提下，求得可容许最大的车辆之间通信延时方法如下：

分析车队的弦稳定性，结合所设计的控制律以及车辆的误差方程，连续对速度误差z_i(t)求三次导有如下结果：

零初始条件下对其进行拉普拉斯变换得到：H_i(s,τ_i-1,i(t))＝Z_i(s)/Z_i-1(s)

为保证车队整体稳定性需满足：||H_i(jω,τ_i-1,i(t))_∞≤1

解此不等式得：

综上所述，为保证车队中每辆车的控制稳定性和车队整体稳定性，延时上界为：

步骤S13：得到车辆队列系统可容许最大的车辆之间的通信延时为上述两者之间的最小值即

步骤S20：把系统对延时的要求转化为对车辆之间通信的信干噪比SINR的约束，方法如下：

根据得到的延时上界，定义车队中车辆间通信的可靠性为：

p^out＝Pr(τ_i≥τ_max)

其中，τ_i＝S/R_i，Pr表示概率，p^out表示(τ_i≥τ_max)的概率；其中，S表示通信链路上传输的数据包大小，R_i表示吞吐量，ω_f表示共享信道的带宽；V2I车辆中第k辆车与基站通信，该信号的信号与干扰加噪声比为队列中第i辆车接收到的来自第(i-1)辆车的SINR表示为

其中，表示进行V2I通信的车辆的发射功率，表示车队中车辆i的发射功率；σ²表示每个信道上的加性高斯白噪声，和表示频谱分配指示符，为布尔型变量，为1时说明车辆设备使用了f资源块；

进一步把该问题中控制稳定性对延时的要求转化为对SINR的约束：

式中，即为保证V2V通信链路可靠的最低SINR，满足

步骤S21：将问题描述为在该SINR约束下，最大化频谱共享车辆无线通信系统的遍历容量，问题描述如下：

s.t.

其中，p₀为满足V2V通信可靠性要求的概率意义下允许中断的概率值；分别表示V2I车辆设备与V2V车辆设备发射功率的最大值

步骤S22：分析求得两种类型车辆的最佳信号传输功率，方法如下：

22，分析求得两种类型车辆的最佳信号传输功率，分析采取频谱复用时的约束条件：

设β_i和β_k,i均为独立的单位均值同分布指数随机变量，则有如下不等式：

其中，

因此，得到两种类型车辆的信号传输功率之间的关系：

进一步求得，假设共享链路中没有V2I车辆设备时，通过调整V2V信号的传输功率来保证SINR，得到传输功率需满足：

若令即可得到两种类型车辆的最佳信号传输功率为：

步骤S23：根据二分图最大权匹配算法得到最优的频谱复用车辆设备对，方法如下：

频谱共享无线通信系统的总吞吐量表示为：

该系统的吞吐量增加量为：

以此系统的吞吐量增加量为权重，进行求解，进而得到最优的频谱复用车辆设备对。