专利名称：路边设备与车辆通信中的最佳中继选择方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，具体是一种车载网络中路边设备与车辆通信时的最佳中继选择方法。
背景技术：
近年来，车载网络(vehicle network)获得了越来越广泛的关注，特别是智能交通系统(intelligent transport systems, ITS)。在智能交通系统中，诸如交通安全、拥塞控制、路况监控等问题可以依靠无线通信技术得到有效解决。现有的研究一般是基于有路边设备(infrastructure)的情况，路边设备和车辆之间的通信(Infrastructure-to-Vehicle, I2V) 一般使用专用短程通信技术(Dedicated Short RangeCommunications, DSRC)。在 IEEE802. Ilp 协议中，路边设备装有 Roadside Units (RSUs)，而车辆上装有On-board Unit (OBU)，RSU和OBU可以通过DSRC进行通信，使用5. 9GHz工作频段。在I2V通信中，路边设备可以给车辆提供交通状况、天气查询、文件传输等信息。但是一般而言，如果车辆距离路边设备比较远时，路边设备将不能将数据信息成功发送到车辆。一方面是由于DSRC通信距离有限，通常小于Ikm ;另一方面是受其他路边设备同时通信的干扰影响。为了实现有效传输，可以采用中继技术。一个路边设备可以先将数据传送给中继(另一个路边设备)，然后由中继传送给目的车辆。中继技术是一种路边设备之间的合作通信方式，通过中继技术可以实现路边设备与距离更远的车辆之间通信，同时改善网络性能。经过对现有技术的检索发现，文献“Energy-Efficient Cooperative Techniquesfor Infrastructure-to-Vehicle Communications，，(IEEE Trans. ITS, vol. 12, no. 3,pp. 659-668，Sept. 2011)介绍了几种路边设备间合作通信的方式，说明了 MMO技术和中继技术相比传统的多跳通信方式(Multi-hop technique)均能有效减少能耗和提高网络性能。其中中继技术相比MMO技术更容易实现，而且一般只考虑单个中继的情况。源节点和中继节点均是路边设备，所有通信方式均是无线形式。源节点与中继节点是路边设备之间的通信(Infrastructure-to-Infrastructure, 121),而源节点与车辆、中继节点与车辆是路边设备与车辆间的通信(Infrastructure-to-Vehicle, I2V)。虽然文献中说明了可以利用中继技术来提高能量效率这一网络性能，但是文献中没有提供具体如何选择中继的方法，也没有提供实施中继技术的详细过程。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于轨迹预测和传输容量最大化的中继选择方案。本发明的场景是在一个区域大小固定的车载网络中，若干车辆在道路上行驶，同时有若干静止的路边设备安装在道路两边。路边设备可以和车辆进行通信，并且希望将尽可能多的数据信息发送给所在网络中的车辆，即提高整个网络的容量。每辆车上都装有一个GPS导航系统，可以知道自己的位置和速度信息。同时，每辆车每隔一定时间广播其位置和速度信息。路边设备根据车辆上报的信息预测其未来的轨迹，然后以最大化链路传输容量为目标选择最佳的中继。利用本发明的方案，可以在一定信令开销的基础上，有效提闻网络容量。根据本发明的一个方面，提供一种路边设备与车辆通信中的最佳中继选择方法，包括以下步骤步骤一每辆车辆周期性地更新位置和速度信息并广播通知所有路边设备，在每个更新间隔中，可以完成整数次I2V通信；步骤二 源路边设备根据收集的关于目的车辆的位置和速度信息，预测目的车辆未来的轨迹，路边设备在每次I2V通信开始时，判断目的车辆最有可能出现的位置；步骤三源路边设备在每次I2V通信开始时，根据预测的轨迹信息，即目的车辆的 最有可能出现位置，以及收集到的其他I-R-V通信链路信息，判断所有空闲中继路边设备是否满足最小信干噪比条件；如果满足，则是有效中继节点，再计算这条I-R-V通信链路的传输容量；步骤四选择能最大化链路传输容量的中继作为最佳中继节点，如果这一最大链路传输容量大于源路边设备与目的车辆直接通信时的链路传输容量或者源路边设备不能直接将数据成功发送到目的车辆，则确定这个中继即是此次通信的最佳中继，通过此中继进行数据传输；否则，若源路边设备和目的车辆可以直接通信，且直接通信时的链路传输容量比使用最佳中继时的链路传输容量大，则源路边设备与目的车辆直接通信，而不利用中继节点；步骤五根据所述步骤四，源路边设备或者选择最佳中继进行数据传输，即首先将数据传输到中继，然后中继将数据传输到目的车辆；或者选择直接与目的车辆通信。具体地，本发明的一个优选例是通过以下技术方案实现的步骤一时间时隙化，每个时隙为单位时间，设置更新时间Tupdate和每个轮次通信
时间T12v的关系，其中Tupdate是Y12v的正整数P倍，即满足= P，式中P为正整数。
M2V
在每一次更新间隔[nTupdate，(n+1)Tupdate)中，可以完成p个轮次通信，其时间关系图如图2所示。所述的车辆更新时间Tupdate是指车辆每隔Tupdate广播一次位置和速度信息，取经验值，实际情况根据系统需求而改变。所述的完成一次I2V通信的时间T12v是指源路边设备每隔T12v时间重新做一次决定，确定最佳中继。一般而言，T12v= α+β。若果源路边设备与目的车辆通过中继通信，则α表示源路边设备与中继的通信时间，β表示中继与目的车辆的通信时间。如果源路边设备与目的车辆直接通信，则α+β全部用于源路边设备与目的车辆通信。所述的源路边设备是指最开始发送数据的路边设备。所述的中继是指将来自源路边设备的数据转发给目的车辆的路边设备。所述的目的车辆是指数据最终到达的车辆。步骤二 源路边设备根据收集的关于目的车辆的位置和速度信息，预测目的车辆未来的轨迹。
步骤三路边设备根据预测的轨迹信息以及收集到的其他I-R-V通信链路信息，判断是否满足最小信干噪比条件，如果满足则计算选择不同中继时的链路传输容量，然后选择能最大化链路传输容量的中继，这个中继即是此次通信的最佳中继。
所述的I-R-V通信链路是指包括源路边设备(Infrastructure)和选择的中继(Relay)，以及目的车辆(Vehicle)的通信链路。所述的最小信干噪比条件是指成功传输数据时，接收端的最小信干噪比。当接收端的信干噪比小于最小信干噪比时，所发数据将不能被接收端成功接收。所述的其他I-R-V通信链路是指同一时刻可以有多个源路边设备与目的车辆进行通信，因而有多条I-R-V通信链路，这些同时存在的I-R-V通信链路会相互产生干扰,需要通过合适的方法来控制干扰在一定范围内。如果干扰超过一定范围，即超过最小信干噪比条件，则不能成功传输数据。所述的链路传输容量(Link Transport Capacity)是指Ibit数据从源路边设备发送到中继的比特距离(bit-meter)以及Ibit数据从中继发送到目的车辆的比特距离之和或者Ibit数据直接从源路边设备发送到目的车辆的比特距离，可以表示为Cikv = R1ClJR2Cl2,或者C12v = R3d3,其中Cikv是I-R-V链路的链路传输容量，R1是源路边设备到中继的数据传输速率，Cl1是源路边设备到中继的距离，R2是中继到目的车辆的数据传输速率，(12是中继到目的车辆的距离。C12v是源路边设备与目的车辆直接通信时的链路传输容量，R3是源路边设备到目的车辆的数据传输速率，d3是源路边设备到目的车辆的距离。步骤四选择好最佳中继后，若使用此最佳中继时的链路传输容量比源路边设备和目的车辆直接通信时的链路传输容量大或者源路边设备不能直接将数据成功发送到目的车辆，则源路边设备首先将数据传输到中继，传输时间为α，然后中继将数据传输到目的车辆，传输时间为β。否则，若源路边设备和目的车辆可以直接通信，且直接通信时的链路传输容量比使用最佳中继时的链路传输容量大，则源路边设备直接与目的车辆进行通信，通信时间为α + β。与现有技术相比，本发明的方法具有如下优势利用了车辆的速度和位置信息来预测车辆未来的轨迹，现在越来越多的车辆装有GPS系统，可以充分利用GPS系统提供的速度和位置信息来协助完成通信任务。同时，提供一种选择最佳中继的方法，选择的准则是最大化链路传输容量。利用这种选择方法，可以有效提高整个网络的传输容量，从而改善网络性能。
图I是本发明实施例的场景图。图2是一条I-R-V链路示意图。图3是车辆更新时间与完成一次I2V通信的时间的关系示意图。图4是本发明的最佳中继选择流程图。图5是实施例效果示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 如图I所示，本实施例中考虑一个固定区域大小的车载网络，其中包含若干的行驶车辆以及静止的路边设备。源路边设备将数据传送给车辆，如果距离太远可以通过选择一个其他的路边设备作为中继，先将数据传输给中继节点，再由中继节点将数据传输到目的车辆。如图I中的源路边设备Ii与目的车辆Vk相距较远，数据传输时车辆Vk不能成功接收，故可选择另一个路边设备Ij作为中继。Ii可以成功传输数据给Ij，同样Ij可以成功传输数据给vk。这样Ii就可以将数据成功传输到目的车辆vk。在某一通信时刻，可用的中继节点可能有多个，需要一个准则来衡量中继节点的好坏，从而可以确定最佳的中继节点。在本发明的优选例中，选择链路传输容量作为衡量标准，链路传输容量体现了单位时间内，网络中数据量的传输距离。链路传输容量越大，说明网络性能越好。而本发明的方案就是选择最佳中继以使链路传输容量最大。具体步骤如下步骤一设置更新时间Tupdate和每个轮次通信时间T12v的关系，其中Tupdate是T12v
T
的正整数P倍，即满足= P，式中P为正整数。在每一次更新间隔[nTupdate，(n+1)
M2V
Tupdate)中，可以完成P个轮次通信，其时间关系图如图2所示。所述的轮次是指一次I2V通信的过程，每一个轮次的通信时间为T12v = α + β。如果源路边设备与目的车辆通过中继通信，则α表示源路边设备与中继的通信时间，β表示中继与目的车辆的通信时间。如果源路边设备与目的车辆直接通信，则α+β全部用于源路边设备与目的车辆通信。步骤二 每隔时间Tupdate,目的车辆Vk上报其位置和速度信息。其中在I1Tupdate时刻上报的位置信息是水平方向位置和垂直方向位置XyvMTupdate)。在HTupdate时刻上报的速度信息是水平方向速度M(nTupdaJ和垂直方向速度N (nTUpdate) ο步骤三在t时刻，按照所述步骤二车辆Vk上报的速度信息，确定随机变量U(t-nTupdate)的概率密度函数400。所述的随机变量U(t-nTupdate)是指从nTupdate时刻开始到t时刻为止车辆Vk的水平方向运动距离，因每个时隙是单位时间，故U(t-nTupdaJ是从nTupdate时刻开始到t时刻为止每个时隙的水平方向速度之和，即U(t-nTupdate) = M(nTupdate)+M(nTupdate+l)+...+M(t-1)，其中t _ T1Q^qHT2(Xq)所述的fu(x)是随机变量U(t_nTupdaJ的概率密度函数，可以表述为fu(x)=盖L+Γ G(f)e-ifxdf,其中G(f)= p(f)T(f)t_nTuPdatel,p(f) = (Peleif,Pe2ei2f,…，Pemeimf)，T(f)=
权利要求
1.一种路边设备与车辆通信中的最佳中继选择方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一每辆车辆周期性地更新位置和速度信息并广播通知所有路边设备，在每个更新间隔中，可以完成整数次I2V通信； 步骤二 源路边设备根据收集的关于目的车辆的位置和速度信息，预测目的车辆未来的轨迹，路边设备在每次I2V通信开始时，判断目的车辆的最有可能出现位置； 步骤三源路边设备在每次I2V通信开始时，根据预测的轨迹信息，以及收集到的其他I-R-V通信链路信息，判断所有空闲中继路边设备是否满足最小信干噪比条件；如果满足，则是有效中继节点，再计算这条I-R-V通信链路的传输容量； 步骤四选择能最大化链路传输容量的中继作为最佳中继节点，如果这一最大链路传输容量大于源路边设备与目的车辆直接通信时的链路传输容量或者源路边设备不能直接将数据成功发送到目的车辆，则通过此最佳中继进行数据传输；否则，若源路边设备和目的车辆可以直接通信，且直接通信时的链路传输容量比使用最佳中继时的链路传输容量大，则源路边设备与目的车辆直接通信，而不利用中继节点； 步骤五根据所述步骤四，源路边设备或者选择最佳中继进行数据传输，即首先将数据传输到中继，然后中继将数据传输到目的车辆；或者选择直接与目的车辆通信。
2.根据权利要求I所述的路边设备与车辆通信中的最佳中继选择方法，其特征在于，所述的I2V通信是指路边设备作为源节点将数据发送到目的车辆，其中可以通过利用其它路边设备作为中继转发数据。
3.根据权利要求I或2所述的路边设备与车辆通信中的最佳中继选择方法，其特征在于，所述的链路传输容量是指Ibit数据从源路边设备发送到中继的比特距离以及Ibit数据从中继发送到目的车辆的比特距离之和或者Ibit数据从源路边设备直接发送到目的车辆的比特距离。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的路边设备与车辆通信中的最佳中继选择方法，其特征在于，所述的其他I-R-V通信链路信息主要用于确定还有哪些路边设备是空闲节点，还用于计算出中继接收端和目的车辆接收端的信干噪比。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的路边设备与车辆通信中的最佳中继选择方法，其特征在于，所述的源路边设备不能直接将数据成功发送到目的车辆是指源路边设备与目的车辆直接通信时，目的车辆的接收机端的信干噪比不满足最小信干噪比条件，即比最小信干噪比小。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的路边设备与车辆通信中的最佳中继选择方法，其特征在于，所述的最小信干噪比条件是使得数据能够成功传输时的最小信干噪比。
全文摘要
本发明提供一种路边设备与车辆通信中的最佳中继选择方法，基于车载网中的车辆更新的位置和速度信息来预测未来轨迹，根据预测的未来轨迹选择一个其他的路边设备来作为最佳中继节点，源路边设备首先将数据发送给中继节点，然后由中继节点将数据发送到目的车辆。在中继节点的帮助下，源路边设备可以和距离更远的目的车辆进行通信，因此本发明有效提高了网络的传输容量，从而改善网络性能。
文档编号H04W4/02GK102625237SQ20121006216
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者俞晖, 应凯, 李御益, 程鹏, 邓磊 申请人:上海交通大学