基于供需平衡的車聯(lián)網(wǎng)認(rèn)知頻譜分配算法

楊貴草，樊秀梅，薛珮雯

（西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，西安 710048）

0 引言

智能交通的快速發(fā)展對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的安全業(yè)務(wù)及娛樂服務(wù)提出了更高的要求，使車聯(lián)網(wǎng)面臨通信需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)，導(dǎo)致現(xiàn)有頻譜資源已不能滿足需求[1]。而現(xiàn)有的頻譜分配是采用授權(quán)的固定分配模式，頻譜資源的使用兩級(jí)分化嚴(yán)重。因此，如何實(shí)現(xiàn)頻譜的最大化利用和按需分配是車聯(lián)網(wǎng)中的重點(diǎn)問題。

1 相關(guān)工作

近年來，學(xué)術(shù)界對(duì)頻譜分配問題展開了研究，其中博弈論模型適用于動(dòng)態(tài)復(fù)雜的環(huán)境，算法復(fù)雜度高；圖論著色模型實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但會(huì)導(dǎo)致頻譜分配不平衡，利用率低；頻譜交易模型利用商品交易思想，將頻譜抽象為商品，授權(quán)用戶和認(rèn)知用戶作為賣方和買方進(jìn)行交易，實(shí)現(xiàn)頻譜共享。基于此，本文考慮頻譜授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶間的“社會(huì)關(guān)系”，設(shè)計(jì)頻譜分配算法，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中的頻譜分配問題進(jìn)行研究。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)模型

假設(shè)系統(tǒng)模型中有頻譜管理中心，1個(gè)授權(quán)用戶（車聯(lián)網(wǎng)中空閑頻段，如基站、TV 頻段），若干個(gè)認(rèn)知車輛用戶。授權(quán)用戶將空閑頻譜統(tǒng)一提交給頻譜管理中心，需要傳輸消息的車輛節(jié)點(diǎn)作為認(rèn)知用戶對(duì)空閑頻譜提出共享請(qǐng)求。構(gòu)建系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型

2.2 車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型

在車聯(lián)網(wǎng)信息傳輸中主要涉及兩種類型的業(yè)務(wù)傳輸：安全類業(yè)務(wù)和非安全類業(yè)務(wù)[2]。根據(jù)所傳輸消息的QoS 需求定義3個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)劃分如表1所示。

表1 優(yōu)先級(jí)

2.3 供需平衡理論

在微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中，商品的生產(chǎn)者與消費(fèi)者為交易方，雙方在商品的數(shù)量和價(jià)格上達(dá)成一致，供需模型描述了這種價(jià)格和數(shù)量上的平衡關(guān)系即供需平衡[3]。該模型中，只有供給量和需求量相等時(shí)，表示商品供需平衡，此時(shí)的價(jià)格為均衡價(jià)格，即雙方交易的最終價(jià)格。

2.4 頻譜分配方案

本文設(shè)計(jì)頻譜分配方案如下：引入文獻(xiàn)[4]中定義的效用函數(shù)，表示如下：

式中，x，y，z 為常數(shù)；B 表示各類數(shù)據(jù)的傳輸速率，假設(shè)認(rèn)知車輛用戶在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)頻譜的使用率為1（bit·s-1/Hz），可認(rèn)為傳輸速率B 與頻譜帶寬在數(shù)值上相等。為了便于分析，令x=y=1，z=0，式（1）可表示為：

假設(shè)授權(quán)用戶擁有的頻譜帶寬為U，可進(jìn)行共享頻譜數(shù)量為ω，授權(quán)用戶自身活動(dòng)次數(shù)為φ，以單價(jià)P 向提出頻譜租用請(qǐng)求的認(rèn)知用戶收取租用費(fèi)用也會(huì)帶來收益，因此，授權(quán)用戶的頻譜收益函數(shù)可表示為：

為了使授權(quán)用戶的收益最大化，對(duì)式（3）求導(dǎo)，可得授權(quán)用戶的頻譜供給函數(shù)：

第一步：根據(jù)社會(huì)關(guān)系進(jìn)行第一次頻譜分配

考慮授權(quán)用戶和認(rèn)知車輛用戶有特定“社會(huì)關(guān)系”，這里的社會(huì)關(guān)系指相識(shí)程度。定義相識(shí)度S（a，Ri），即一段時(shí)間內(nèi)授權(quán)用戶與第i 個(gè)認(rèn)知車輛用戶之間共享頻帶的次數(shù)占總共享次數(shù)的比例，計(jì)算如下：

式中，a 代表授權(quán)用戶；Ri代表認(rèn)知車輛用戶；f（a，Ri）表示一段時(shí)間內(nèi)第i 個(gè)認(rèn)知用戶與授權(quán)用戶頻譜共享次數(shù)；F（a，Ri）表示授權(quán)用戶與所有認(rèn)知車輛用戶的頻譜共享次數(shù)。授權(quán)用戶根據(jù)控制信道獲取各個(gè)認(rèn)知用戶的相識(shí)度S（a，Ri），劃分等級(jí)αt，其中t={1，2，…s}，α1表示最高熟識(shí)度，αs表示最低熟識(shí)度。相識(shí)度等級(jí)越高，表明授權(quán)用戶更愿意和此用戶進(jìn)行頻譜共享?？紤]到分配時(shí)，存在授權(quán)用戶與某個(gè)認(rèn)知車輛用戶相識(shí)程度高，故意以低價(jià)將頻譜出售給對(duì)方，相反與某個(gè)認(rèn)知車輛用戶不熟或陌生，進(jìn)行高價(jià)出售。為了避免出現(xiàn)上述情況，引入約束因子γ 對(duì)頻譜出售價(jià)格進(jìn)行約束，因此授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶的頻譜分配可表示為：

式中，ωt表示相識(shí)度為t 等級(jí)的認(rèn)知用戶獲取的頻譜數(shù)；Pt表示相識(shí)度t等級(jí)下的認(rèn)知用戶購(gòu)買頻譜的價(jià)格。

第二步：根據(jù)QoS 優(yōu)先級(jí)進(jìn)行二次頻譜分配

當(dāng)多個(gè)認(rèn)知用戶和授權(quán)用戶擁有相同的相識(shí)度，則根據(jù)認(rèn)知用戶所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類別進(jìn)行頻譜分配。若處于同一相識(shí)度t 下的認(rèn)知用戶數(shù)目為ρ，σj為獲得的頻譜總數(shù)，則單個(gè)認(rèn)知車輛用戶可得到的頻譜數(shù)量為σj/ρ，其中j 滿足以下條件：

然后根據(jù)表1中的優(yōu)先級(jí)規(guī)則進(jìn)行頻譜分配。若處于第1 優(yōu)先級(jí)的用戶個(gè)數(shù)為，依次類推第2 優(yōu)先級(jí)，第j 優(yōu)先級(jí)的認(rèn)知用戶個(gè)數(shù)，表示如下：

一般情況下，優(yōu)先級(jí)高的認(rèn)知車輛用戶在數(shù)量上要比優(yōu)先級(jí)低的認(rèn)知車輛用戶少。為便于討論，令=a，σ1=b，聯(lián)立公式（7）和公式（8），得：

對(duì)式（9）求解：

式中，C 為歐拉常數(shù)，C=0.577215。

認(rèn)知車輛用戶用于傳輸消息所需頻譜的數(shù)量與其收益有關(guān)，認(rèn)知車輛用戶的收益函數(shù)表示如下：

對(duì)式（11）求導(dǎo)得認(rèn)知用戶的頻譜需求函數(shù)：

由供需平衡理論可知，供需平衡時(shí)的價(jià)格可以使交易雙方獲得最大收益，即ωs=ωD時(shí)，頻譜交易價(jià)格為：

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

運(yùn)用MATLAB 進(jìn)行仿真，考慮到認(rèn)知車輛用戶在使用頻譜時(shí)，會(huì)對(duì)授權(quán)用戶會(huì)產(chǎn)生干擾，假設(shè)授權(quán)用戶所能承受的干擾τ 的取值范圍[0～50]，仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

圖2是頻譜共享頻次對(duì)比圖。由圖可知，當(dāng)認(rèn)知車輛用戶對(duì)授權(quán)用戶的干擾處于0–50時(shí)，SR 方案比non-SR 方案成功共享頻譜的頻率更高，因?yàn)閚on-SR 方案只考慮認(rèn)知車輛用戶是否對(duì)授權(quán)用戶的干擾最小，滿足最小條件則同意共享；SR 方案考慮社會(huì)關(guān)系這一因素，增加了認(rèn)知車輛用戶獲得頻譜共享的幾率。當(dāng)τ＞30時(shí)，SR方案的優(yōu)勢(shì)不夠明顯，而且與non-SR 方案沒有較大差距，原因是此時(shí)的干擾已影響授權(quán)用戶的正常通信，授權(quán)用戶為了保證自身通信，將不在進(jìn)行頻譜共享。

圖2 頻譜共享頻次曲線

圖3是不同方案下認(rèn)知用戶所獲得的頻譜數(shù)。由圖可知，根據(jù)授權(quán)用戶與認(rèn)知用戶間的相識(shí)程度作為頻譜分配準(zhǔn)則，相識(shí)度越高，認(rèn)知用戶所獲頻譜數(shù)量越多；而采用平均分配的方案，每個(gè)認(rèn)知用戶所獲頻譜數(shù)量都是固定的。

圖3 不同方案下認(rèn)知用戶所獲頻譜數(shù)

圖4 顯示了同等相識(shí)度下各認(rèn)知用戶間的頻譜分配。其中灰色代表認(rèn)知用戶的實(shí)際需求頻譜數(shù)；黑色代表本文方案；白色代表文獻(xiàn)[5]中HBS 算法在同級(jí)市場(chǎng)下各認(rèn)知用戶間（等同于本文同等相識(shí)度下）不考慮QoS 需求的情況。由圖可知，考慮QoS 需求的頻譜分配更有利于滿足用戶的實(shí)際需求頻譜數(shù)，不會(huì)造成頻譜資源浪費(fèi)。而且，業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)越高，所獲頻譜數(shù)量越多，保證了車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)消息的及時(shí)傳輸和服務(wù)質(zhì)量。

圖4 同等相識(shí)度下各認(rèn)知用戶間的頻譜分配

4 結(jié)束語

本文利用供需市場(chǎng)理論對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中的頻譜分配問題進(jìn)行研究，提出基于供需平衡的頻譜分配算法，仿真證明適用于分布式的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，保證車聯(lián)網(wǎng)中業(yè)務(wù)的及時(shí)傳輸，提高頻譜利用率。