文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)03-0090-03
0 引言
車載自組網(wǎng)(VANET)作為智能交通系統(tǒng)(ITS)的重要組成部分引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1]。且隨著無線射頻收發(fā)器硬件成本的降低,采用多射頻多信道的車載自組織網(wǎng)絡(luò)在未來具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/多接口" title="多接口" target="_blank">多接口VANET中一個關(guān)鍵問題就是頻譜的動態(tài)分配。對于車載網(wǎng)絡(luò),美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)將5.850~5.925 GHz之間75 MHz的頻段用于車載通信,其被分成7個子信道[2]。通過對車載自組網(wǎng)中有限的頻譜資源進(jìn)行動態(tài)分配,從而降低了車輛節(jié)點(diǎn)由于競爭信道資源而產(chǎn)生的沖突,提高了車載網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能,因此,研究多接口多信道VANET動態(tài)頻譜分配算法具有重要意義。
1 相關(guān)工作
車載自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化,導(dǎo)致固定頻譜分配技術(shù)不能用于車載網(wǎng)絡(luò)。于是人們開始考慮對頻譜進(jìn)行動態(tài)分配。
文獻(xiàn)[3]是一種集中式頻譜分配方案,認(rèn)為頻譜分配問題就是尋求在射頻數(shù)目受限的前提條件下最小化網(wǎng)絡(luò)干擾函數(shù)的問題,頻譜分配集中控制設(shè)備可能成為計算瓶頸,且算法復(fù)雜度高,在車載自組網(wǎng)中難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]是一種集中式頻譜分配方案,提出了CSGC算法。它是一種以最大化系統(tǒng)總帶寬為目標(biāo)的顏色敏感圖論著色算法。但是實(shí)現(xiàn)時迭代次數(shù)多,且隨著主用戶和次用戶數(shù)目的增多導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模增大,其分配效率也會降低。文獻(xiàn)[5]是一種分布式頻譜分配方案,提出了RAND算法。它是一種分布式隨機(jī)化算法。各用戶對其可用的信道產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù),通過與其他用戶比較隨機(jī)數(shù)大小而決定信道的分配,但是在系統(tǒng)總帶寬性能上,較其他算法差距較大。
本文針對有限的頻譜資源中車輛用戶抓住機(jī)會使用空閑信道問題,在圖論著色算法模型的基礎(chǔ)上,提出了一種基于信道反饋的動態(tài)頻譜分配算法(Channel Feedback Spectrum Allocation,CFSA),其是一種分布式實(shí)現(xiàn)的算法,有效解決了上述三種方案運(yùn)用在車載自組網(wǎng)中的不足之處,經(jīng)過仿真分析,性能明顯優(yōu)于上述方案。
2 模型描述
動態(tài)頻譜分配問題的基本出發(fā)點(diǎn)是:在不影響授權(quán)頻段的正常通信下,具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“機(jī)會方式”接入授權(quán)的頻段范圍,并動態(tài)地利用頻譜。整個頻譜池又可劃分為若干個子信道。圖1描述了一個瞬時的頻譜池,它反應(yīng)了車載自組網(wǎng)中車輛用戶在某一時段可利用頻譜的特征。
多接口車載自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動態(tài)變化的,為方便算法描述,作如下假設(shè):
(1)上述頻譜池中可用頻譜被劃分成K個可用頻譜帶,即K個信道。每個信道的帶寬和傳輸范圍相同,且相互正交。
(2)系統(tǒng)中隨機(jī)分布著M個車輛節(jié)點(diǎn),對?坌m,m∈M配備有不同的射頻數(shù)目,令Mi表示節(jié)點(diǎn)i的射頻數(shù)目,系統(tǒng)中車輛節(jié)點(diǎn)在滿足信道分配規(guī)則的前提下,可以同時使用多個信道K,且滿足Mi≤K。
(3)對于需要通信的車輛節(jié)點(diǎn),通信雙方必須各自選擇一個射頻接口,并且使雙方的射頻接口切換到相同的信道上。
(4)本文不考慮功率控制因素,假設(shè)所有的車輛用戶都使用相同的功率,且每個車輛節(jié)點(diǎn)在各個信道上的干擾半徑相同。
由于圖的著色算法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于頻譜的動態(tài)分配上,它是一種成熟的模型。因此圖論著色模型的數(shù)學(xué)定義可以由距離矩陣、空閑矩陣、干擾矩陣、有效分配矩陣表示。
矩陣D為距離矩陣,用于描述車載自組網(wǎng)中車輛節(jié)點(diǎn)之間的距離,其是一個M×M矩陣,其定義如式(1)所示:
D={dij|dij=||i(xi,yj)-j(xi,yj)||,i,j=1,…M}(1)
其中,dij為車輛節(jié)點(diǎn)i與j之間的距離。
矩陣L為空閑矩陣,其是一個M×K矩陣,表征信道有效性。代表車輛節(jié)點(diǎn)是否可用該信道,如果車輛節(jié)點(diǎn)m可以用k信道,則lm,k=1,否則lm,k=0。如式(2)所示:
L={lm,k|lm,k∈{0,1}}M×K(2)
矩陣B為干擾矩陣,其是一個M×M×K矩陣,代表車輛節(jié)點(diǎn)i和車輛節(jié)點(diǎn)j在信道k上存在干擾。如式(3)所示:
B={?姿l,j,k|i,j=1,…,M,k=1,…,K}M×M×K(3)
這些干擾是特定的,兩個車輛節(jié)點(diǎn)在一個信道上是否相互干擾取決于它們之間的距離,不代表在另一個信道上仍受干擾。
矩陣S為有效分配矩陣,它是一個M×K矩陣,如果信道k分配給了車輛節(jié)點(diǎn)m,則Sm,k=1,否則Sm,k=0。如式(4)所示:
S={sm,k|m=1,…,M,k=1,…,K}M×K(4)
其中S滿足所有干擾矩陣Λ定義的限制條件,Si,k+Sj,k≤1,如果?姿i,j,k=1,當(dāng)且僅當(dāng)?坌i,j<M,k<K??梢灾溃瑵M足上述條件的S矩陣很多,故令QM×K代表有效頻譜分配矩陣集。
3 動態(tài)頻譜分配算法設(shè)計
車載自組網(wǎng)中車輛與車輛之間的拓?fù)渥兓芸欤沟猛ㄐ沛溌凡荒芗皶r建立。而車輛節(jié)點(diǎn)在選擇可用頻段時,必須有一個衡量標(biāo)準(zhǔn)作為選擇的依據(jù)。本文提出的CFSA算法,根據(jù)信道反饋的實(shí)時性從而實(shí)現(xiàn)頻譜合理有效的分配。
3.1 車輛射頻接口狀態(tài)
所有車輛節(jié)點(diǎn)的射頻數(shù)目是不確定的,為了充分利用頻譜資源,本文首先為射頻接口定義了三種狀態(tài)。
(1)忙狀態(tài)。如果該射頻正在發(fā)送業(yè)務(wù),稱該射頻在忙狀態(tài)。
(2)空閑狀態(tài)。如果該射頻沒有發(fā)送業(yè)務(wù),稱該射頻處在空閑狀態(tài)。
(3)假空閑狀態(tài)。如果一個射頻接口正在發(fā)送業(yè)務(wù),但車輛節(jié)點(diǎn)通過空閑時的監(jiān)測得知該射頻當(dāng)前工作的信道反饋值小于設(shè)置的信道反饋閾值CFT(Channel Feedback Threshold),而此時節(jié)點(diǎn)又沒有其他空閑的射頻,為了保證通信業(yè)務(wù)的質(zhì)量,假設(shè)該射頻目前處于空閑狀態(tài)。
3.2 信道反饋
確定了車輛節(jié)點(diǎn)的射頻接口狀態(tài),為方便算法描述,建立如下結(jié)構(gòu)。
(1)將上述圖論模型的數(shù)學(xué)描述抽象成一個無向圖G=(V,E,L1),如圖2所示。其中,V={vm|m=1,…,M}表示頂點(diǎn)的集合,每個頂點(diǎn)代表參與信道分配的車輛用戶,包括車輛節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可用信道的集合;E={eij|i,j=1,…,M}表示邊的集合,代表相鄰兩個車輛節(jié)點(diǎn)在某一個信道k上存在干擾。因已假設(shè)了各車輛用戶在各個信道上的干擾半徑相同,若車輛i,j的干擾范圍不出現(xiàn)重疊,則eij=0,否則eij=1;而L1表示車輛頂點(diǎn)可選信道顏色的集合,每個可用信道被看作不同的顏色,可選顏色由信道有效矩陣L決定,當(dāng)且僅當(dāng)lm,k=1時,車輛節(jié)點(diǎn)可以使用當(dāng)前被著色的信道。
(2)由于信道k在某一時段可能被不同的車輛用戶占用,即一個信道上的車輛鄰居數(shù)目是不定的,如果按照文獻(xiàn)[3]中CSGC算法進(jìn)行頻譜分配,就會增加無線控制信道的流量。因此本文考慮信道反饋因素,定義了信道反饋矩陣,將可用信道分配給吞吐量利用率最大的車輛用戶。
矩陣R為信道反饋矩陣,它是一個M×K階矩陣,用來描述各車輛節(jié)點(diǎn)在給定的頻譜分配條件下,車輛用戶在可用信道上所獲得的最大通信容量,可以是最大帶寬或者最大吞吐量。其公式如式(5)所示:
R={rm,k|m=1,…,M,k=1,…,K}(5)
信道反饋矩陣R中各元素的取值采用文獻(xiàn)[6]中的方法進(jìn)行計算,其目標(biāo)就是最大化信道吞吐量,其公式如式(6)所示:
其中bm,k表示車輛用戶m在信道k上能夠產(chǎn)生的最大帶寬,Cm,k為車輛用戶m在信道k上的鄰居數(shù)目。根據(jù)信道反饋矩陣的值,當(dāng)信道吞吐量最大時,其信道k即為當(dāng)前車輛用戶選擇的最優(yōu)信道。
(3)針對車載自組網(wǎng)的時變特性,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托诺赖目捎眯跃S著時間不停地變化著,為了使每個可用信道的吞吐量達(dá)到最大,在頻譜分配時定義了最大化帶寬準(zhǔn)則,如式(7)所示:
其中sm,k為有效分配矩陣,bm,k為車輛用戶m在信道k上產(chǎn)生的帶寬。
上述算法的主要思想是在滿足干擾條件的前提下,利用現(xiàn)有的圖論著色模型,提出信道反饋的概念,讓車輛用戶根據(jù)信道反饋的值來進(jìn)行信道選擇。其目標(biāo)就是使車輛用戶最大公平地接入信道,獲得最大的帶寬。
3.3 算法實(shí)現(xiàn)流程
算法的初次分配流程與文獻(xiàn)[3]中CSGC算法類似,算法每次迭代將選出擁有最大信道反饋值的車輛用戶,其算法流程圖如圖3所示。
CFSA頻譜分配算法流程圖如圖3所示,核心思想就是優(yōu)先選出最有價值的信道分配給車輛節(jié)點(diǎn),即讓吞吐量利用率最大的車輛用戶接入該信道。
4 仿真與分析
為了驗證算法的有效性,本文利用MATLAB對算法進(jìn)行仿真,并針對VANET網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配算法的時間開銷、系統(tǒng)最大收益和其他常用算法進(jìn)行比較。
4.1 仿真場景
本文的模擬場景是在800 m×800 m的矩形區(qū)域中隨機(jī)分布5~40個車輛節(jié)點(diǎn),車輛節(jié)點(diǎn)均配備8個射頻接口,信道數(shù)為20,車輛通信半徑為100 m,干擾半徑為300 m,具體仿真參數(shù)如表1所示。
4.2 性能比較與結(jié)果分析
圖4可以看出,當(dāng)頻譜數(shù)量固定時,取k=20,可以看出CSGC的時間開銷最大,并且隨著車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多,本文提出的CFSA算法在時間開銷上明顯小于CSGC算法和RAND算法。由于本文提出的算法是在CSGC算法初次分配的基礎(chǔ)之上繼續(xù)分配,以兼顧系統(tǒng)最大吞吐量換取了時間開銷的減少,圖5表示CFSA算法在系統(tǒng)總收益上明顯高于CSGC算法和RAND算法。
5 結(jié)束語
本文提出的一種基于信道反饋的動態(tài)頻譜分配算法CFSA,讓車輛用戶根據(jù)反饋矩陣的值來最優(yōu)選擇信道,解決了CSGC分配算法只是針對靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的問題,最后對CFSA算法進(jìn)行了仿真和分析。仿真結(jié)果表明,CFSA算法在兼顧系統(tǒng)總收益的基礎(chǔ)上減少了時間開銷,降低了算法運(yùn)行的迭代次數(shù),顯著提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。
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