一种汽车状态监测网络中汽车状态采样率的设定方法

1.本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种汽车状态监测网络中汽车状态采样率的设定方法。


背景技术：

2.在随着社会进步与生活水平提高，人们更倾向选择汽车作为日常出行的主要交通工具。然而，如果汽车在行驶过程中出现故障且未能得到及时预警与检修，则会对人们出行安全造成严重危害。为尽可能避免上述问题的发生以提高汽车安全，汽车状态监测将发挥重要作用。通过对汽车实时状态的监测，可以提前发现潜在危险并采取相关应对措施。而这一业务的实现离不开强时效高可靠汽车状态监测网络的支撑。
3.在汽车实时状态监测网络中，汽车通过采集自身实时状态信息(例如位置、速度和油/电量等)，将这些信息打包成数据包，通过通信链路发送至远程监测器。在这种情况下，如何设定汽车状态采样率是一个十分关键的问题。这是因为，当考虑非抢占的状态信息数据包调度方式时，若状态信息采集频率较高，则存在大量数据包积压在汽车端等待发送，即数据包等待发送的时间较长，监测器收到的汽车状态信息易过时；反之，若状态信息采集频率较低，由于长时间没有数据包发送，监测器只能获知汽车很久之前的状态，该状态相对于汽车当前状态而言也远远过时。当考虑抢占的状态信息数据包调度方式时，数据包传输可靠性会随汽车状态采样率的增大而减小。然而，目前的汽车状态采样率的设定方法都是将汽车状态采样率设为定值，没有考虑汽车速度、道路车辆密度和车联网应用关于汽车状态信息时效性和传输可靠性的要求，使得汽车状态监测的实时性和可靠性较差。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种汽车状态监测网络中汽车状态采样率的设定方法，用以解决现有汽车状态采样率设定方法存在的汽车状态监测的实时性和可靠性较差的技术问题。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种汽车状态监测网络中汽车状态采样率的设定方法，包括如下步骤：
6.(1)基于汽车速度v、道路车辆密度ρ和车联网应用关于汽车状态信息传输可靠性要求的下界阈值rq等信息，计算得到汽车状态采样率的待选值λ1、λ2和λ3；
7.(2)比较汽车状态采样率待选值λ1、λ2和λ3的大小，得到汽车状态采样率。
8.进一步地，上述步骤(1)中的汽车采样率待选值λ1、λ2和λ3的计算公式分别为：
[0009][0010]
[0011][0012]
其中，b为状态信息数据包传输链路带宽，w0(
·
)和w-1
(
·
)分别表示朗伯w函数(lambert w function)值域为[-1,+∞)和(-∞,-1)的分支，m为状态信息数据包编码后的码长，ρ为汽车所在道路的车辆密度，v为汽车速度，rq为车联网应用关于汽车状态信息传输可靠性要求的下界阈值。
[0013]
进一步地，上述步骤(2)中汽车状态采样率λ按照下式得到：
[0014][0015]
本发明的有益效果是：
[0016]
通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于充分考虑了汽车速度、道路车辆密度和车联网应用关于汽车状态信息时效性和传输可靠性的要求，因而有利于汽车状态的实时可靠监测。
附图说明
[0017]
图1是本发明实施例提供的一种汽车状态监测网络的示意图；
[0018]
图2是本发明实施例提供的一种汽车状态监测网络中汽车状态采样率的设定方法流程框图；
[0019]
图3是本发明实施例提供的汽车状态采样率设定方法和汽车状态采样率恒定的设定方法下的可靠性效用和峰值信息年龄效用随道路车辆密度的变化图；
[0020]
图4是本发明实施例提供的汽车状态采样率设定方法和汽车状态采样率恒定的设定方法下汽车状态监测网络qos效用随平均可靠性要求的下界阈值的变化图。
具体实施方式
[0021]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0022]
如图1所示，是本发明实施例提供的一种汽车状态监测网络的示意图，其中一维单向车道上存在多辆汽车自道路左端向右行驶，n个路侧单元(road side unit，rsu)沿着车道进行部署以实现对整条车道的网络覆盖。每个rsu的覆盖范围为以其为中心、长度为2l的路段。考虑汽车需向远端监测器汇报其行车实时状态信息。具体地，汽车周期性地采集自身实时状态信息，将此信息打包成数据包并通过汽车至rsu(vehicle-to-rsu，v2r)无线链路发送至rsu，rsu再将数据包转发至远端监测器。这里考虑所有rsu通过有线光纤与远端监测器相连，其中假设数据包在有线光纤上的传输可靠无误且时延很短以至可以忽略。此外，假设汽车状态采样率为λ，即汽车端状态信息的采集产生/更新服从强度为λ的泊松过程，每个状态信息数据包大小为ψ。这里重点考虑一辆典型汽车v0的实时状态监测，其行驶速度为：
[0023]
v＝vf(1-ρ/ρ
jam
),
[0024]
其中，vf为自由流车速，通常指道路最高车速限制；ρ为道路车辆密度；ρ
jam
为道路阻塞车辆密度，即当ρ＝ρ
jam
时，整个交通流是静止的。
[0025]
假设典型汽车v0的发射功率为p
tx
，其每次产生的状态信息数据包都被编码为m个符号后再经带宽大小为b的v2r链路传输至附近rsu。那么每个数据包在v2r链路上的传输时延为t
t
＝m/b。考虑rsu不会向汽车反馈是否成功收到数据包。在这种情况下，利用时间分集，即允许数据包重复传输来提高数据包成功传输概率，其中每个数据包最大允许传输次数为z。为了使监测器尽可能及时了解汽车当前状态，本实施例采用基于抢占的数据包调度方式，即若在当前数据包传输过程中，汽车采集产生了新数据包，则新数据包会抢占当前数据包占据的通信资源以进行自身的传输，而被抢占的数据包将被丢弃。根据上述数据包调度方式，数据包将一直重复传输直至汽车采集产生了新数据包或数据包已传输次数达到最大值z。
[0026]
用d
j,k
表示第j个数据包第k次传输时典型汽车v0至离其最近rsu之间的距离。那么，第j个数据包第k次传输时v0至最近rsu的v2r链路上的误符号率为：
[0027][0028]
其中，为q函数，h
j,k
表示第j个数据包第k次从v0传输至最近rsu所经历的小尺度瑞利衰落，并且h
j,k
～exp(1)，λ是取决于天线特性和参考距离处平均信道衰减的传播常数，α为路径损耗指数，n0为rsu端的加性高斯白噪声功率谱密度。
[0029]
由于每个数据包会一直重复传输直至汽车采集产生了新数据包或者该数据包已传输次数达到最大值z，因此典型汽车v0采集产生第j个数据包的传输可靠性为：
[0030][0031]
由于典型汽车v0保持恒定速度行驶于车道上，因此可以认为第j个状态信息数据包首次传输时v0的位置l
j,1
为均匀分布于区间[0,2nl]上的随机变量。那么，v0产生的状态信息数据包传输的平均可靠性为：
[0032][0033]
其中，为误符号率ε
j,k
关于瑞利衰落的期望，其计算公式如下：
[0034][0035]
另一方面，本实施例采用信息年龄这一指标来度量监测器收到的汽车状态信息的时效性。具体地，监测器收到的关于典型汽车v0状态的信息年龄定义为
[0036]
δ(t)＝t-y(t),
[0037]
其中，t表示当前时刻，y(t)表示至时刻t为止监测器成功收到的关于v0的最新状态信息数据包的产生时刻。从上式中可以看出，信息年龄越小，信息时效性越强，并且监测器收到的关于典型汽车v0状态的信息年龄δ(t)随时间的演化过程中存在一系列极大值，这些值被称为峰值信息年龄。用表示监测器收到的关于典型汽车v0状态的平均峰值信息年龄，其可以按照下式计算：
[0038][0039]
其中，
[0040][0041]
进一步地，本实施例中汽车状态监测网络服务质量(quality of service，qos)效用的表达式为：
[0042][0043]
其中，ω
p
和ωr分别为监测器收到的关于典型汽车v0状态的峰值信息年龄效用和v0采集产生的状态信息数据包传输的可靠性效用，其表达式分别为
[0044][0045][0046]
从上面式子可以看出，峰值信息年龄效用ω
p
随着的增大而减小，并且只有当时，即监测器收到的关于v0状态的平均峰值信息年龄满足汽车速度v和道路车辆密度ρ对于平均峰值信息年龄的要求时，ω
p
才为正值；可靠性效用ωr随着的增大而增大，并且只有当时，即v0采集产生的状态信息数据包传输的平均可靠性满足车联网应用
对于状态信息数据包传输平均可靠性的要求时，ωr才为正值。
[0047]
那么，汽车状态监测网络qos效用的计算公式为：
[0048][0049]
如图2所示，是本发明实施例提供的一种汽车状态监测网络中汽车状态采样率的设定方法流程框图，具体包括如下步骤：
[0050]
s1.基于汽车速度v、道路车辆密度ρ和车联网应用关于汽车状态信息传输可靠性要求的下界阈值rq等信息，计算得到汽车状态采样率的待选值λ1、λ2和λ3；
[0051]
s2.比较汽车状态采样率待选值λ1、λ2和λ3的大小，得到汽车状态采样率。
[0052]
具体地，上述步骤s1中的汽车采样率待选值λ1、λ2和λ3的计算公式分别为：
[0053][0054][0055][0056]
具体地，上述步骤s2中汽车状态采样率λ按照下式得到：
[0057][0058]
图3比较了本发明实施例提供的汽车状态采样率设定方法和汽车状态采样率恒定的设定方法下的可靠性效用和峰值信息年龄效用随道路车辆密度的变化，图4比较了本发明实施例提供的汽车状态采样率设定方法和汽车状态采样率恒定的设定方法下汽车状态
监测网络qos效用随平均可靠性要求的下界阈值的变化。从这两张图中可以看出，本发明实施例提供的汽车状态采样率设定方法下的可靠性效用、峰值信息年龄效用和汽车状态监测网络qos效用均始终大于0，这表明本发明实施例提供的汽车状态采样率设定方法能够始终满足汽车速度、道路车辆密度和车联网应用对于汽车状态信息时效性和传输可靠性的要求。此外，相比于汽车状态采样率恒定的设定方法，本发明实施例提供的汽车状态采样率设定方法能有效提升可靠性效用、峰值信息年龄效用和汽车状态监测网络qos效用，这表明本发明实施例提供的汽车状态采样率设定方法有利于汽车状态的实时可靠监测。
[0059]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。