[发明专利]一种基于动态分簇的V2X高速车载信息传输方法

权利要求书

1.一种基于动态分簇的V2X高速车载信息传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)构建动态调整车辆集群的分簇算法：假设高速公路单向车道旁的某基站BS附近有m辆车，其中m＝1,2,...,i，i为自然数，车辆分簇的标准为相邻车辆之间的跟车距离之差不大于安全车距，且簇的覆盖范围在车辆通信传输半径R内即所有车辆跟车距离之和小于通信传输半径，如公式(1)所示：

其中，w为一个簇内车辆数，w＝1,2,...,j，j为自然数，d_min为安全车距，D_i为第i辆车与前车的跟车距离、D_i＝d_min+Δv·τ，τ表示通信延迟间隔，速度差Δv＝|v_i-v_i-1|，v_i表示第i辆车的速度，D_i+1为第i辆车的前车与前车的跟车距离；

2)簇头的选举：选择簇头车辆时综合考虑车辆间移动相似度和基站与车辆间的信息传输速率，移动相似性函数M(i,j)如公式(2)所示：

M(i,j)＝V(i,j)×A(i,j)(2)，

其中，任意两节点间的速度相关性函数v_max是车辆限行的最高速度，任意两节点间的加速度相关性函数a_max是车辆限行的最高加速度，假设所有的通信链路服从瑞利衰落，采用一阶自回归函数获取时变信道参数，信道增益计算如公式(3)所示：

其中，m＝1,2,...,i，i为自然数，k∈{m,BS}，是采用最小均方差估计方法能够获得的h_m,k估计值，服从CN(0，1)，e_m,k表示不同信道的增益随机变化量，且表示多普勒频偏时变信道相关系数，服从Jakes模型，J₀(·)为第一类零阶贝塞尔函数，T_s为时隙持续时间，f_c为载波频率，v为2个车辆间的相对运动速度，c为光速，在一阶自回归信道下计算出基站与车辆i之间的传输速率C_i如公式(4)所示：

其中，B为信道带宽，为基站BS发送给车辆i的功率，h_i,BS为车辆与基站之间的信道增益，d_i,BS为车辆到基站的距离，α为路径损耗指数，σ_i,BS为基站到车辆的信道噪声，根据公式(2)和公式(4)，将车辆移动相似度和基站与车辆间信息传输速率分别进行归一化并对两者求和，选择和最大的车辆作为簇头车辆如公式(5)所示：

3)计算信道利用率：信道利用率γ用信息传输总时延T_d与整个发送周期TTI之比来表示，周期TTI为100ms，基站与车辆以及簇内车辆之间的信噪比需要分别大于其对应的信噪比阈值β₁和β₂，如公式(6)所示：

其中，h_i,BS为基站到簇头车辆i的信道增益，h_i,j为簇头车辆i到簇内车辆j的信道增益，为簇头i到簇内车辆j的发送功率；

4)计算等待时延：在时间τ内，车载信息的到达率为λ，满足泊松分布，车辆发出k条信息，分布律如公式(7)所示：

其中，N(t)为t时刻发出的信息量，簇头车辆传输信息，簇内车辆数w_i与信道忙时概率ρ的关系如公式(8)所示：

其中，一周期内信息个数均值为E(k)，信息总量满足的约束条件，C₁为每条信息的信息量，C为信道容量，一个周期内的平均等待时延T_w如公式(9)所示：

其中，μ_f为平均服务率；

5)计算簇内传输时延：接收信息车辆位于发送信息簇头车辆的通信半径R内时，直接利用V2V通信，无需中继转发，在一阶自回归信道下计算出车辆与车辆之间的平均传输速率如公式(10)所示：

其中，为车辆间传输链路的带宽，为车辆j₁到车辆j₂的发射功率，为车辆j₁到车辆j₂对应的信道增益，为车辆j₁到车辆j₂的距离，簇内传输时延计算如公式(11)所示：

其中，D₀表示簇头车辆发出的信息从发出到接收所经过的路程，v表示载有信息的电磁波在信道上的传播速率，ω为传输信息量；

6)计算簇间一次中继传输时延：依据信息传输距离，中间只经过位于簇头通信半径内的一次车辆的协助传输就定义为一次中继传输，即簇头之间的距离D∈(R,2R)，簇头车S₁与簇头车S₂之间存在一个中继可行域K，定义为与车辆行驶方向之间夹角为α，且在通信半径R内的车辆作为中继车辆，在道路上建立平面直角坐标系，中继可行域里的中继经过次循环迭代，计算与簇头车辆之间最小的欧式距离：

其中，和分别是一次中继可行域的中继坐标和簇头车辆S₁与S₂的坐标，此时一次中继车辆为T_1a，选取过程如下所示：

T_1a距离两簇头的距离之和为D₁，计算如下所示：

D₁＝min(d_1n+d′_1n)(14)，

s.t.{d_1n≤R,d′_1n≤R}(15)，

n∈N^*且

信息传输的时间等于信息经过的路程与传输速率之比，一次中继传输策略的传输总路径为D₁，传输时延如公式(17)所示：

7)计算簇间二次中继传输时延：依据信息传输距离，中间经过位于簇头通信半径内的二次车辆的协助传输就定义为二次中继传输，即簇头之间的距离D∈(2R,3R)，与一次中继类似，二次中继簇头车S₁与簇头车S₂之间也存在一个中继可行域，在道路上建立平面直角坐标系，中继可行域里的中继经过次循环迭代，计算与簇头车辆之间最小的欧式距离：

其中，是第一次中继传输的中继坐标，是第二次中继传输的中继坐标，此时二次中继车辆为T_2a，选取过程如下所示：

T_2a与S₁和S₂的距离之和即二次中继传输策略的传输总路径为D₂，计算如下所示：

D₂＝min(d_2n+d′_2n+d″_2n)(20)，

s.t.{d_2n≤R,d′_2n≤R}(21)，

n∈N^*且

簇间二次中继传输时延如公式(23)所示：

8)计算基站广播传输时延：当消息传输距离超过二次中继传输策略能传输的最大距离时，即簇头之间的距离D，D＞3R，发送信息的簇头车辆采用V2V将信息簇内传输，同时采用V2I将信息发送至基站广播给其它簇头车辆，再进行传输，假设基站BS高为h，依据空间直角坐标系计算两个簇头车辆与基站之间的欧式距离，如公式(24)所示：

其中，和(x_BS,y_BS,z_BS)分别是簇头S₁、簇头S₂和基站的空间坐标，信息从簇头S₁到簇头S₂经过的距离D₃＝d₃₁+d′₃₁，基站广播传输时延如公式(25)所示：

其中，C_S1为基站到簇头车辆S₁的传输速率。