一种异构车联网网络选择方法、系统及装置与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种异构车联网网络选择方法、系统及装置。

背景技术：

近年来，车联网(internetofvehicle，iov)用户对能随时随地以高质量接入宽带无线网络的需求日益强烈，兼顾多种不同场景的无线通信技术得到了快速的发展。新兴的互联车辆和自动驾驶车辆技术可以通过基于实时专用短程通信(dedicatedshortrangecommunications，dsrc)的车对车(vehicletovehicle)和车对基础设施(vehicletoinfrastructure)通信提高整个网络的运行效率、移动性和交通安全。移动蜂窝网络从gsm(globalsystemformobilecommunication)发展到umts(universalmobiletelecommunicationssystem)，然后又到lte(longtermevolution)及802.11标准的无线局域网(wirelesslocalareanetwork，wlan)，直到如今的5g；随着用户需求的多元化和多网融合的持续发展，多源异构无线网络(multi-sourceheterogeneouswirelessnetworks，mhwns)应运而生。

在多源异构车联网中，用户终端(车辆)有多个可用网络，如wlan、蜂窝网络和其他无线网络。用户如何选择这些网络作为接入网就显得至关重要。由于无线网络链路传输质量的差异性、无线网络信号的重叠性、移动终端设备业务的丰富性等因素，因此需要一种可靠高效地网络接入选择算法来解决车辆网用户接入网选择的需求。

截至目前，该领域的学者专家在接入选择算法方面做了大量的研究，提出了诸多算法。总体而言，根据判别标准将其区分为基于负载均衡、接收信号强度和业务服务质量(qualityofservice，qos)的接入选择算法；根据算法所选用的数学方法又将其划分为基于效用函数、神经网络、博弈论、多属性决策判决等的接入选择算法。

为了提供网络选择，福特全球技术公司申请的“车辆应用程序触发的远程信息处理装置系统的网络选择”(申请日：2019年02月20日，申请号：201910127575.2，公开号：110191492a)和中国电信有限公司申请的“接入网络选择方法和系统”(申请日：2013年12月11日，申请号：cn201310671484.8，公开号：cn104717723b)以及瑞典爱立信有限公司申请的“促进针对无线通信设备选择网络接入的方法”(申请日：2017年10月13日，申请号：201780095735.9，公开号：111194563a)。但是他们方法中存在的不足是：只考虑网络切换响应，没有考虑用户满意度和传输效率，从而使得用户在进行网络选择时有可能面临qos保障低和通信资源浪费的状况。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种异构车联网网络选择方法，引入有效容量的概念，既考虑用户的满意度，又考虑传输效率，在有限功率范围内得到满意度效用函数的最大值，从而用来选择网络。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种异构车联网网络选择方法，包括以下步骤：

通过用户满意度体验函数得到效用函数权值系数、对数形式效用函数的权值和网络发射功率初始值，并设定允许误差；

针对不同的网络，获取基于有效容量的原则下所有网络的最大传输速率；

利用牛顿迭代法计算所述最大传输速率对应的功率值，再将相邻两次迭代所得功率值之差的绝对值与允许误差作比较，直到相邻两次迭代所得功率值之差的绝对值小于所设定的允许误差时，结束牛顿迭代运算，得到最大传输速率对应的功率理论值；

根据用户满意度体验函数和所述功率理论值得到同一用户在面对不同网络时的满意度效用函数值，选择具有最大满意度效用函数值的网络作为接入网；

其中，用户满意度体验函数为式中，β表示对数形式效用函数的权值，用户根据业务的不同需求，选择对应的权值来改变效用函数的形状；p表示用户的发射功率值。

具体包括如下步骤：

步骤1，初始化：根据用户满意度体验函数确定效用函数权值系数α和对数形式效用函数的权值β，并确定用户接入网络的初始功率值p0，设定允许误差c；

步骤2，根据有效容量的概念，计算出所有网络最大传输速率的值；

步骤3，通过牛顿迭代法计算所述最大传输速率对应的功率值pⁱ⁺¹，i表示第i次迭代；

步骤4，将步骤3所得第i+1次迭代得到的功率值pⁱ⁺¹和第i次迭代得到的功率值pⁱ之差的绝对值与步骤1所设的允许误差c进行比较，如果|pⁱ⁺¹-pⁱ|＜c，则返回理论值p^*＝pⁱ⁺¹，如果|pⁱ⁺¹-pⁱ|＞c，则i＝i+1，直至找到满足|pⁱ⁺¹-pⁱ|＜c时，返回理论值p^*＝pⁱ⁺¹；得到理论最优功率值p^*之后，根据用户满意度体验函数以及返回的理论值p^*得到满意度效用函数值，选择具有最大满意度效用函数值的网络作为接入网。

步骤2中，有效容量的具体表达为：其中，γ表示用户的信噪比(snr)，θ表示qos指数，e[x]表示对x求期望运算，t表示一次传输过程持续的时隙长度，b表示系统带宽。

所述步骤3中，利用牛顿迭代法计算pⁱ⁺¹值，具体如下：

对于最优的p^*值，首先有函数，

然后对变量p求导：

得函数表达式为：

然后求解式(3)，即可得所求值；

其中：

式中αλ(i)、αν(i)为大于0的常量。

步骤4中，通过凸优化理论计算得出最优值p^*，具体如下：

综合考虑全部可接入网络的服务质量，期望能够获得尽可能大的满意度效用函数，所述网络选择表示为优化问题：

c.2:p≤pmax,p≥0(6)

其中，用户满意度体验函数表示为u(p)，用户传输效率表示为

根据凸优化理论，得到式(6)为凹优化，且局部最优解即为式(6)的全局最优解。

求解式(6)得到全局最优解具体如下：

先得到目标函数的拉格朗日表达式：

有如下公式成立：

然后给出lagrangian对偶公式：

接着对变量p进行求导得：

然后利用牛顿迭代法，求解式(13)即可得到：

其中：

式中αλ(i)、αν(i)为大于0的常量。

一种异构车联网网络选择系统，初始化模块、最大传输速率获取模块、功率计算模块以及比较选择模块；初始化模块通过用户满意度体验函数得到效用函数权值系数、对数形式效用函数的权值和网络发射功率初始值，并设定允许误差；

最大传输速率获取模块获取基于有效容量的原则下所有网络的最大传输速率；

功率计算模块利用牛顿迭代法计算所述最大传输速率对应的功率值，再将相邻两次迭代所得功率值之差的绝对值与允许误差作比较，直到相邻两次迭代所得功率值之差的绝对值小于所设定的允许误差时，结束牛顿迭代运算，得到最大传输速率对应的功率理论值；

比较选择模块根据用户满意度体验函数和所述功率理论值得到同一用户在面对不同网络时的满意度效用函数值，选择具有最大满意度效用函数值的网络作为接入网。

一种计算机设备，包括一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述异构车联网网络选择方法。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的异构车联网网络选择方法。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明采用效用函数法来构建网络选择模型，基于效用函数的网络选择算法可以综合考虑多种因素，通过设计一个效用函数，然后进行计算并将函数值进行排序，最后接入到效用函数值最高的网络；基于效用函数的网络接入选择策略有较快的决策速度和较低的算法复杂度，并且综合考虑了多种网络的性能指标及用户业务特性；引入有效容量的概念，综合考虑用户满意度以及传输效率，以功率为变量，以满意度效用函数值为选择标准，在不同接入网间根据满意度效用函数值不同，为用户选择最为适合自己的网络；在计算过程中采用凸优化理论，将网络选择模型建模为一个优化模型，利用优化理论和牛顿迭代法计算得出相应的最优值，牛顿迭代法比其它基于梯度下降或者非梯度方法的算法收敛速度更快，更接近局部最大值；仿真结果表明，本发明在有限功率范围内，在考虑不同网络环境时，得出不同的满意度效用函数值，最终选择具有最大满意度效用函数值的网络为接入网。

附图说明

图1是本发明的实现流程框图。

图2是本发明中体验函数与接入资源关系图。

图3是本发明中满意度效用函数值与不同发射功率及不同α、θ值的关系图。

图4是本发明中不同网络的满意度效用函数值关系图。

图5是本发明所提出策略与其他策略的满意度效用函数值对比图。

具体实施方式

下面结合具体说明书附图对本发明进行详细阐述。

首先根据用户满意度体验函数确定效用函数权值系数α和对数形式效用函数的权值β，并确定用户接入网络的初始功率值p0，并设定允许误差c；然后对于不同的网络，利用有效容量公式其中，γ表示用户的信噪比(snr)，θ表示qos指数，e[x]表示对x求期望运算，t表示一次传输过程持续的时隙长度，b表示系统带宽，计算得出最大信息传输速率得到最大信息传输速率之后，利用牛顿迭代法算出功率值pⁱ⁺¹，上标i表示第i次迭代；若|pⁱ⁺¹-pⁱ|＜c，则返回理论值p^*＝pⁱ⁺¹，如果|pⁱ⁺¹-pⁱ|＞c，则令i＝i+1，继续进行迭代算法，直至找到满足|pⁱ⁺¹-pⁱ|＜c的值，返回理论值p^*＝pⁱ⁺¹；得到理论最优功率值p^*之后，根据用户满意度体验函数以及回理论值p^*得到满意度效用函数值，选择具有最大满意度效用函数值的网络作为接入网。

参照附图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1，初始化：根据用户满意度体验函数确定效用函数权值系数α和对数形式效用函数的权值β，并确定用户接入网络的初始功率值p0，并设定允许误差c；

步骤2，根据有效容量的概念，计算出不同网络最大传输速率的值；

步骤3，通过牛顿迭代法计算pⁱ⁺¹，上标i表示第i次迭代；

具体按照如下步骤进行：

步骤(31)对于最优的p^*值，首先使用牛顿法，比其他基于梯度下降或非梯度方法的算法收敛速度更快，更接近局部最大值，首先有函数：

其中：α表示效用函数的权值系数；θ表示qos指数；n0表示噪声功率谱密度；b表示系统带宽；p表示用户的传输功率；ea[x]表示指数积分函数。

然后对变量p求导：

得函数表达式为：

然后求解式(3)，即可得所求值。

其中：

式中αλ(i)、αν(i)为大于0的常量。

步骤4，将步骤3所得pⁱ⁺¹-pⁱ的绝对值与允许误差c进行比较，若|pⁱ⁺¹-pⁱ|＜c，则返回理论值p^*＝pⁱ⁺¹，如果|pⁱ⁺¹-pⁱ|＞c，则令i＝i+1，返回第3步，继续进行迭代算法，直至找到满足|pⁱ⁺¹-pⁱ|＜c的值，返回理论值p^*＝pⁱ⁺¹；得到理论最优功率值p^*之后，根据用户满意度体验函数以及回理论值p^*得到满意度效用函数值，选择具有最大满意度效用函数值的网络作为接入网；

包括以下具体步骤：综合考虑全部可接入网络的服务质量，期望能够获得尽可能大的满意度效用函数，网络选择可以表示为优化问题：

其中：用户满意度体验函数表示为u(p)，用户传输效率表示为

根据凸优化理论，可得式(6)为凹优化，且局部最优解即为式(6)的全局最优解，给出函数的largrange表达式，求解式(6)中的最优化问题。

求解式(6)中的最优化问题具体如下：

先得到目标函数的拉格朗日表达式：

在本文中，有如下公式成立：

然后给出lagrangian对偶公式：

接着对变量p进行求导得：

然后利用牛顿迭代法，求解式(13)即可。

其中：

式中αλ(i)、αν(i)为大于0的常量。基于步骤4所得理论最优功率值p^*，选择选择具有最大满意度效用函数值的网络作为接入网。

本发明的效果可通过下面的仿真实例进一步说明。

一、仿真条件：

在本发明的仿真中，仿真环境为matlab2016，在满足一定时延要求的前提下，网络选择主要在三种网络之间进行，分别是5g、wlan和dsrc，考虑环境为城区。

二、仿真内容与结果：

图2为接入资源与用户体验函数之间的关系图，由图可知，观察三条曲线总体来说，随着功率值的增加，刚开始时增加速度很快，慢慢的增加速度减慢，最终趋于稳定；三条曲线之间相互比较发现，对数形式效用函数的权值β不同，函数形状也不同，用户可根据业务需求的不同，选择不同的β值。

图3为满意度效用函数值与不同发射功率及不同α、θ值的关系图。由图可知，满意度效用值随着功率的增大而增大，在有限范围内趋近于其最大值；设定不同的α和θ的值，可见θ的值越大，满意度效用函数值反而变小，说明对时延的极限追求，会以牺牲其他性能为代价；α的值可根据用户的不同需求而改变，当用户对传输效率要求比较高时，取一个较小得α值，此时相应的1-α变大，获得的满意度效用函数值也越小。

图4为不同网络的满意度效用函数值与功率关系图，此时保证单一变量，即赋有相同的α和β值，其中α＝0.5，β＝2。由图可知，在有限功率范围内，满意度效用值随着功率增大而增大，得出不同的满意度效用函数值，wlan网络比其他两种网络具有更大的效用函数值，此时则优先选择wlan网络作为接入网。

图5为本发明所提出的策略与其他网络选择策略的对比图。此时在同一网络环境下进行仿真实验，由图可得，与基于发射功率的网络选择策略和基于传输效率的网络选择策略相比，本发明所提出策略的满意度效用函数值分别是前两者的1.99倍和3.56倍。证明该策略是一种高效可靠地网络选择方法。

本发明公开的异构车联网网络选择方法，通过步骤(2)～(3)，根据有效容量公式和牛顿迭代法计算得出了最优功率值；通过步骤(4)～(5)比较|pⁱ⁺¹-pⁱ|与允许误差c之间的大小关系，判断是继续进行迭代运算还是结束运算进行网络选择；用牛顿迭代法比其他基于梯度下降或非梯度方法的算法收敛速度更快，更接近局部最大值；本发明所引入的异构车联网网络选择方法，引入有效容量的概念，既考虑了用户的满意度，又考虑了传输效率，在有限功率范围内得到满意度效用值的最大值，从而用来选择网络，本发明的异构车联网网络选择方法，可以用于网络选择过程中。

可选的，本发明还提供一种计算机设备，包括但不限于一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述异构车联网网络选择方法的部分步骤或所有步骤，存储器还能用于存储车载传感器信息、道路信息以及地图信息。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的异构车联网网络选择方法。

所述计算机设备可以采用车载计算机、笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站。

处理器可以是中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)或现成可编程门阵列(fpga)。

对于本发明所述存储器，可以是车载计算机、笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。

计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器

(rom，readonlymemory)、随机存取记忆体(ram，randomaccessmemory)、固态硬盘(ssd，solidstatedrives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(reram,resistancerandomaccessmemory)和动态随机存取存储器(dram，dynamicrandomaccessmemory)。