车载通信终端广播信标频率和发射功率联合优化的方法与流程

本发明涉及车辆无线通信技术领域，特别涉及一种用于lte-v2v车载通信终端的广播信标频率和发射功率联合优化的方法。

背景技术：

车到车(vehicle-to-vehicle，v2v)无线通信技术是一项通过车载通信终端实现车辆与车辆之间进行实时信息交互的无线移动通信技术，被认为是保障协作式车辆主动安全、提高道路交通效率的重要途径。基于v2v无线通信技术，高速运动中的车辆能够通过车载通信终端周期性地向周围其他车辆广播携带有自身运动信息和地理位置信息或者其他应用服务信息的数据，与此同时，还能够通过车载通信终端接收来自周围其他车辆广播的数据。该v2v实时信息交互的应用场景通常被称为基于v2v的车辆“协作感知(cooperativeawareness，ca)”。在基于v2v的车辆协作感知场景中，车辆上的驾驶人或者车辆的先进驾驶辅助系统(advanceddriverassistancesystems，adas)可以根据所获得的周围其他车辆的运动信息和地理位置信息做出合理的驾驶决策，最终有效避免车辆之间发生危险碰撞。其中，这些被车载通信终端周期性广播的数据通常被称为车载“协作感知消息(cooperativeawarenessmessages，cams)”或者“广播信标(broadcastbeacon)”。

当前，为了充分利用现有的蜂窝网络基础设施及其通信频谱资源，以支持低延迟、高可靠的车辆协作感知应用需求，基于长程演进(longtermevolution，lte)蜂窝系统的设备到设备(device-to-device，d2d)直通式通信模式，被引入车辆无线通信技术领域，催生了新型的v2v无线通信机制，亦即lte-v2v。由于基于lte-v2v，车载通信终端能够复用蜂窝通信用户的频域和时域通信资源广播信标，能够在提高v2v数据传输速率的同时，提升蜂窝通信资源利用效率，因此，在动态随机交通流环境中，合理配置lte-v2v车载通信终端的广播信标频率和发射功率，是对上述通信资源进行有效利用的至关重要的前提之一。

技术实现要素：

本发明提供一种用于lte-v2v车载通信终端的广播信标频率和发射功率联合优化的方法，用于在动态随机交通流环境中，合理配置lte-v2v车载通信终端的广播信标频率和发射功率。

本发明提供了一种车载通信终端广播信标频率和发射功率联合优化的方法，所述方法包括：

建立lte-v2v车辆中车载通信终端的广播信标频率和发射功率的约束条件；

根据建立的所述约束条件，在lte通信基站信号覆盖的地理范围内，通过定义交通环境中历史出现的不同类型的交通流状态数和不同水平的平均车辆密度状态数，计算动态随机交通流环境中的车辆平均密度和稳态概率向量；

在能够可靠维持所述车载通信终端之间的通信链路不中断的条件下，建立lte-v2v资源所能够支持的平均复用距离与所述发射功率的第一函数关系，以及同时复用所述资源的最大车载通信终端数量与所述广播信标频率之间的第二函数关系；

根据建立的所述第一函数关系和第二函数关系，建立所述平均复用距离范围内同时进行资源复用的所述车载通信终端数量不超过最大数量的概率函数；

利用所述概率函数和稳态概率向量，在不同的交通流环境中，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的实际估计函数和期望估计函数，通过求解预设非线性约束优化模型，获取最优的所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率，以便对所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率进行配置。

进一步地，所述建立lte-v2v车辆中车载通信终端的广播信标频率和发射功率的约束条件，包括：

定义允许配置lte-v2v车辆中车载通信终端的广播信标频率fb的最大值fmax和最小值fmin，建立所述车载通信终端的广播信标频率fb的约束条件：

fmin≤fb≤fmax；

定义所述车载通信终端的发射功率ptx的最大值pmax，计算所述车载通信终端的发射功率ptx所需满足的最小值pmin，建立所述车载通信终端的发射功率ptx的约束条件：

pmin≤ptx≤pmax。

进一步地，所述计算所述车载通信终端的发射功率ptx所需满足的最小值pmin，包括：

定义lte-v2v车辆协作感知所涉及的状态参数；

根据定义的所述状态参数，计算所述车载通信终端每个广播信标所对应的无线信号子帧数量nsubframe-beacon：

根据计算得到的所述无线信号子帧数量nsubframe-beacon，计算所述车载通信终端的广播信标的带宽资源占用率η：

根据定义的所述状态参数中的rca、α、γmin、pnoise、d0、grx、θ以及η，计算得到所述发射功率ptx所需满足的最小值为pmin：

其中，所述rca为期望达到的lte-v2v车辆协作感知范围；

α为lte-v2v无线通信路径衰落指数；

γmin为能够可靠保障lte-v2v车辆协作感知应用qos所需达到的最低信噪比；

pnoise为lte-v2v无线通信信道平均噪声功率；

d0为单位lte-v2v车辆相对地理距离的lte-v2v无线通信路径衰落系数；

grx为所述车载通信终端接收无线信号的天线增益；

θ为所述车载通信终端的自干扰功率消除强度系数；

为lte-v2v无线通信信道每个子帧无线信号对应的资源块数量；

为用于共享的lte-v2v无线通信信道中每个子帧无线信号平均占用的资源块数量；

nbeacon为所述车载通信终端每个广播信标所需要占用的资源块数量。

进一步地，所述计算动态随机交通流环境中的稳态概率向量，包括：

提取在lte通信基站信号覆盖的地理范围内的交通流统计数据，获取在道路交通环境中交通流状态为si情况下平均lte-v2v车辆密度从λj’至λj”的概率psi(λj’，λj”)；其中，i＝1,2，……，m；j’＝1,2，……，n；j”＝1,2，……，n；

建立在道路交通环境中交通流状态为si情况下平均lte-v2v车辆密度概率迁移矩阵：

通过求解如下方程组，获取动态随机交通流环境中平均lte-v2v车辆密度的稳态概率向量φ：

进一步地，所述建立lte-v2v资源所能够支持的平均复用距离与所述发射功率的第一函数关系，包括：

定义所述车载通信终端之间相对地理距离的误差δlte-v2v，服从概率密度函数为fδlte-v2v(δ)的随机分布；

根据定义的所述状态参数rca、α、γmin、pnoise、d0、grx、θ以及η，建立所述第一函数关系为函数

进一步地，所述建立所述lte-v2v资源支持的同时复用所述资源的最大车载通信终端数量与所述广播信标频率之间的第二函数关系，包括：

定义lte-v2v无线通信信号中每个子帧无线信号的平均时长为tsubframe；

根据计算得到的所述无线信号子帧数量nsubframe-beacon，建立所述第二函数关系为函数nlte-v2v(fb)：

进一步地，所述根据建立的所述第一函数关系和第二函数关系，建立所述平均复用距离范围内同时进行资源复用的所述车载通信终端数量不超过最大数量的概率函数，包括：

在lte-v2v车辆密度为λi的交通环境下，根据所述函数和函数nlte-v2v(fb)，建立所述概率函数为函数pλ(fb，ptx)：

进一步地，所述利用所述概率函数和稳态概率向量，在不同的交通流环境中，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的实际估计函数和期望估计函数，通过求解预设非线性约束优化模型，获取最优的所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率，包括：

定义所述车载通信终端中每个广播信标的负载为lb；

在交通流环境的lte-v2v车辆密度为λj的条件下，根据所述概率函数pλj(fb，ptx)，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的实际估计函数e(fb，ptx|λ)：

其中，λ∈{λj|j＝1,2，……，n}；

在动态随机交通流环境中，根据所述稳态概率向量φ和所述实际估计函数e(fb，ptx|λ)，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的期望估计函数ieλ[e(fb，ptx|λ)]：

求解所述预设非线性约束优化模型：

根据对所述非线性约束优化模型的求解结果，获取最优的所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率

根据获取的所述最优的广播信标频率和发射功率对所述通信终端的广播信标频率和发射功率进行配置。

本发明一种车载通信终端广播信标频率和发射功率联合优化的方法可以达到如下有益效果：

利用建立lte-v2v车辆中车载通信终端的广播信标频率和发射功率的约束条件；根据建立的所述约束条件，在lte通信基站信号覆盖的地理范围内，通过定义交通环境中历史出现的不同类型的交通流状态数和不同水平的平均车辆密度状态数，计算动态随机交通流环境中的车辆平均密度和稳态概率向量；在能够可靠维持所述车载通信终端之间的通信链路不中断的条件下，建立lte-v2v资源所能够支持的平均复用距离与所述发射功率的第一函数关系，以及同时复用所述资源的最大车载通信终端数量与所述广播信标频率之间的第二函数关系；根据建立的所述第一函数关系和第二函数关系，建立所述平均复用距离范围内同时进行资源复用的所述车载通信终端数量不超过最大数量的概率函数；利用所述概率函数和稳态概率向量，在不同的交通流环境中，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的实际估计函数和期望估计函数，通过求解预设非线性约束优化模型，获取最优的所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率，以便对所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率进行配置；达到了在动态随机交通流环境中合理配置lte-v2v车载通信终端的广播信标频率和发射功率的目的，提高了lte-v2v无线通信的可靠性和数据传输效率，同时也更加高效地利用了lte-v2v车载通信终端的功率资源。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所指出的内容来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种车载通信终端广播信标频率和发射功率联合优化的方法的一种实施方式的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种车载通信终端广播信标频率和发射功率联合优化的方法，用于在动态随机交通流环境中，通过对lte-v2v车辆的车载通信终端的广播信标频率和发射功率进行联合优化，从而达到合理配置所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率的目的。本发明车载通信终端广播信标频率和发射功率联合优化的方法主要应用在支持lte-v2v通信协议的车辆上，本发明所涉及的实施例中，除非特别说明，描述的车辆均指：支持lte-v2v通信模式的车辆。

如图1所示，图1是本发明一种车载通信终端广播信标频率和发射功率联合优化的方法的一种实施方式的流程示意图；本发明一种车载通信终端广播信标频率和发射功率联合优化的方法可以实施为如下描述的步骤s10-s50：

步骤s10、建立lte-v2v车辆中车载通信终端的广播信标频率和发射功率的约束条件；

本发明实施例中，在对lte-v2v车辆中使用的车载通信终端的广播信标频率和发射功率进行联合优化之前，对上述广播信标频率和发射功率分别建立对应的约束条件。

在一个实施例中，针对允许配置lte-v2v车辆中车载通信终端的广播信标频率fb，定义该广播信标频率fb的最大值fmax和最小值fmin，建立所述车载通信终端的广播信标频率fb的约束条件：fmin≤fb≤fmax。

针对所述车载通信终端的发射功率ptx，定义该发射功率的最大值pmax，并计算所述车载通信终端的发射功率ptx所需满足的最小值pmin，根据所述发射功率ptx所需满足的最大值pmax和最小值pmin，建立所述车载通信终端的发射功率ptx的约束条件：pmin≤ptx≤pmax。

步骤s20、根据建立的所述约束条件，在lte通信基站信号覆盖的地理范围内，通过定义交通环境中历史出现的不同类型的交通流状态数和不同水平的平均车辆密度状态数，计算动态随机交通流环境中的车辆平均密度和稳态概率向量；

根据建立的上述车载通信终端的广播信标频率fb和发射功率ptx的约束条件，在lte蜂窝通信基站信号覆盖的地理范围内，定义道路交通环境中曾经出现过的不同类型的交通流状态数m，且第i种类型的交通流状态为si；同时，定义可能出现的不同水平的平均let-v2v车辆的密度状态数n，处在第j种水平的平均lte-v2v车辆密度λj，计算动态随机交通流环境中的平均lte-v2v车辆密度λj和稳态概率向量φ；其中，其中，j＝1，2，……，n；所述稳态概率向量φ为：φ＝[prob(λ1)…prob(λn)]^t。

步骤s30、在能够可靠维持所述车载通信终端之间的通信链路不中断的条件下，建立lte-v2v资源所能够支持的平均复用距离与所述发射功率的第一函数关系，以及同时复用所述资源的最大车载通信终端数量与所述广播信标频率之间的第二函数关系；

在能够可靠维持lte-v2v车载无线通信终端之间的通信链路不中断的条件下，建立lte-v2v资源所能够支持的平均复用距离rlte-v2v与lte-v2v车载无线通信终端发射功率ptx之间的第一函数关系为函数

在能够可靠维持lte-v2v车载无线通信终端之间通信链路不中断的条件下，建立lte-v2v资源所能够支持的同时复用所述资源的最大lte-v2v车载终端数量nlte-v2v与lte-v2v车载无线通信终端广播信标频率fb的第二函数关系为函数nlte-v2v(fb)。

步骤s40、根据建立的所述第一函数关系和第二函数关系，建立所述平均复用距离范围内同时进行资源复用的所述车载通信终端数量不超过最大数量的概率函数；

在交通流环境的lte-v2v车辆密度为λ的条件下，根据lte-v2v车载无线通信终端发射功率ptx对应的所述第一函数关系即函数以及lte-v2v车载无线通信终端广播信标频率fb对应的所述第二函数关系即函数nlte-v2v(fb)，建立所述范围内同时进行资源复用的lte-v2v车载终端数量φ不超过所述nlte-v2v(fb)的概率函数pλ(fb，ptx)。

步骤s50、利用所述概率函数和稳态概率向量，在不同的交通流环境中，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的实际估计函数和期望估计函数，通过求解预设非线性约束优化模型，获取最优的所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率，以便对所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率进行配置。

定义lte-v2v车载通信终端每个广播信标的负载为lb，在交通流环境的lte-v2v车辆密度为λj的条件下，根据所述概率函数pλ(fb，ptx)，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标对应的实际估计函数e(fb，ptx|λ)。

在动态随机交通流环境中，根据所述稳态概率向量φ，即φ＝[prob(λ1)…prob(λn)]^t，以及lte-v2v车辆协作感知能效指标的估计函数e(fb，ptx|λ)，建立所述lte-v2v车辆协作感知能效指标对应的期望估计函数ieλ[e(fb，ptx|λ)]。

通过求解预设的非线性约束优化模型，获得最优的lte-v2v车载通信终端广播频率值和最优的发射功率值lte-v2v车载通信终端根据和对其广播信标频率和发射功率进行配置。

进一步地，在一个实施例中，计算所述车载通信终端的发射功率ptx所需满足的最小值pmin，可以按照如下方式实施：

定义lte-v2v车辆协作感知所涉及的状态参数，并根据定义的所述状态参数，计算所述车载通信终端每个广播信标所对应的无线信号子帧数量nsubframe-beacon：

根据计算得到的所述无线信号子帧数量nsubframe-beacon，计算所述车载通信终端的广播信标的带宽资源占用率η：

根据定义的所述状态参数中的rca、α、γmin、pnoise、d0、grx、θ以及η，计算得到所述发射功率ptx所需满足的最小值为pmin：

本实施例中，定义的lte-v2v车辆协作感知所涉及的所述状态参数包括但不限于：rca、α、γmin、pnoise、d0、grx、θ以及η；其中：

所述rca为期望达到的lte-v2v车辆协作感知范围；

α为lte-v2v无线通信路径衰落指数；

γmin为能够可靠保障lte-v2v车辆协作感知应用qos所需达到的最低信噪比；

pnoise为lte-v2v无线通信信道平均噪声功率；

d0为单位lte-v2v车辆相对地理距离的lte-v2v无线通信路径衰落系数；

grx为所述车载通信终端接收无线信号的天线增益；

θ为所述车载通信终端的自干扰功率消除强度系数；

为lte-v2v无线通信信道每个子帧无线信号对应的资源块数量；

为用于共享的lte-v2v无线通信信道中每个子帧无线信号平均占用的资源块数量；

nbeacon为所述车载通信终端每个广播信标所需要占用的资源块数量。

进一步地，在一个实施例中，所述计算动态随机交通流环境中的稳态概率向量φ，即φ＝[prob(λ1)…prob(λn)]^t，可以按照如下方式实施：

提取在lte通信基站信号覆盖的地理范围内的交通流统计数据，获取在道路交通环境中交通流状态为si情况下平均lte-v2v车辆密度从λj’至λj”的概率psi(λj’，λj”)；其中，i＝1,2，……，m；j’＝1,2，……，n；j”＝1,2，……，n；

建立在道路交通环境中交通流状态为si情况下平均lte-v2v车辆密度概率迁移矩阵：

通过求解如下方程组，获取动态随机交通流环境中平均lte-v2v车辆密度的稳态概率向量φ：

进一步地，在一个实施例中，所述建立lte-v2v资源所能够支持的平均复用距离rlte-v2v与lte-v2v车载无线通信终端发射功率ptx之间的第一函数关系即函数可以按照如下方式实施：

定义所述车载通信终端之间相对地理距离的误差δlte-v2v，服从概率密度函数为fδlte-v2v(δ)的随机分布；

根据定义的所述状态参数rca、α、γmin、pnoise、d0、grx、θ以及η，建立所述第一函数关系为函数

进一步地，在一个实施例中，所述建立lte-v2v资源所能够支持的同时复用所述资源的最大lte-v2v车载终端数量nlte-v2v与lte-v2v车载无线通信终端广播信标频率fb的第二函数关系即函数nlte-v2v(fb)，可以按照如下方式实施：

定义lte-v2v无线通信信号中每个子帧无线信号的平均时长为tsubframe；

根据计算得到的所述无线信号子帧数量nsubframe-beacon，建立所述第二函数关系为函数nlte-v2v(fb)：

进一步地，在一个实施例中，根据建立的lte-v2v资源所能够支持的平均复用距离rlte-v2v与lte-v2v车载无线通信终端发射功率ptx之间的第一函数关系即函数以及建立的lte-v2v资源所能够支持的同时复用所述资源的最大lte-v2v车载终端数量nlte-v2v与lte-v2v车载无线通信终端广播信标频率fb的第二函数关系即函数nlte-v2v(fb)，建立所述平均复用距离范围内同时进行资源复用的所述车载通信终端数量不超过最大数量的概率函数pλ(fb，ptx)，可以按照如下方式实施：

在lte-v2v车辆密度为λi的交通环境下，根据所述函数以及所述函数nlte-v2v(fb)，建立所述概率函数pλ(fb，ptx)的函数关系如下：

进一步地，在一个实施例中，利用所述概率函数pλ(fb，ptx)和所述稳态概率向量φ，在不同的交通流环境中，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的实际估计函数e(fb，ptx|λ)和期望估计函数ieλ[e(fb，ptx|λ)]，通过求解预设非线性约束优化模型，获取最优的所述车载通信终端的广播信标频率fb和发射功率ptx，可以按照如下方式实施：

定义所述车载通信终端中每个广播信标的负载为lb；在交通流环境的lte-v2v车辆密度为λj的条件下，根据所述概率函数pλj(fb，ptx)，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的实际估计函数e(fb，ptx|λ)：

其中，λ∈{λj|j＝1,2，……，n}；

在动态随机交通流环境中，根据所述稳态概率向量φ和所述实际估计函数e(fb，ptx|λ)，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的期望估计函数ieλ[e(fb，ptx|λ)]：

求解如下所述的预设非线性约束优化模型：

根据对所述非线性约束优化模型的求解结果，获取最优的所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率进而根据获取的所述最优的广播信标频率和发射功率对所述通信终端的广播信标频率和发射功率进行配置。

本发明用于lte-v2v车辆中的车载通信终端的广播信标频率和发射功率联合优化的方法，利用建立lte-v2v车辆中车载通信终端的广播信标频率和发射功率的约束条件；根据建立的所述约束条件，在lte通信基站信号覆盖的地理范围内，通过定义交通环境中历史出现的不同类型的交通流状态数和不同水平的平均车辆密度状态数，计算动态随机交通流环境中的车辆平均密度和稳态概率向量；在能够可靠维持所述车载通信终端之间的通信链路不中断的条件下，建立lte-v2v资源所能够支持的平均复用距离与所述发射功率的第一函数关系，以及同时复用所述资源的最大车载通信终端数量与所述广播信标频率之间的第二函数关系；根据建立的所述第一函数关系和第二函数关系，建立所述平均复用距离范围内同时进行资源复用的所述车载通信终端数量不超过最大数量的概率函数；利用所述概率函数和稳态概率向量，在不同的交通流环境中，建立lte-v2v车辆协作感知能效指标的实际估计函数和期望估计函数，通过求解预设非线性约束优化模型，获取最优的所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率，以便对所述车载通信终端的广播信标频率和发射功率进行配置；达到了在动态随机交通流环境中合理配置lte-v2v车载通信终端的广播信标频率和发射功率的目的，提高了lte-v2v无线通信的可靠性和数据传输效率，同时也更加高效地利用了lte-v2v车载通信终端的功率资源。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。