基于用戶個(gè)性化服務(wù)質(zhì)量的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)與車載自組織網(wǎng)異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)資源分配方法

韓珍珍 周 末 劉恩慧 徐 川 趙國(guó)鋒

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶400065)

1 引言

得益于第5代移動(dòng)通信技術(shù)(5th Generation,5G)的商用，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速的發(fā)展?；诜涓C網(wǎng)絡(luò)的車載通信網(wǎng)絡(luò)(Cellular-based Vehicle to everything,C-V2X)的數(shù)據(jù)傳輸量隨之呈爆發(fā)式增長(zhǎng)[1]，現(xiàn)有的授權(quán)頻段難以滿足如此大量的數(shù)據(jù)傳輸需求，許多研究者提出融合新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將蜂窩網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至非授權(quán)頻段與車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicle Ad-hoc NETwork,VANET)組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到提高系統(tǒng)容量的目的[2]。然而，由于網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制的不同，C-V2X與VANET共存時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的信道沖突，從而導(dǎo)致用戶服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)急劇下降，嚴(yán)重影響了車聯(lián)網(wǎng)用戶體驗(yàn)。另外，由于車聯(lián)網(wǎng)的自身特性，如車輛快速移動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁和時(shí)延敏感，用戶對(duì)QoS的需求也并非一成不變，當(dāng)傳輸安全類與控制類的信息時(shí)，緊急用戶(Emergency User,EU)需要比較低且穩(wěn)定的時(shí)延；當(dāng)傳輸非安全類的信息時(shí)，非緊急用戶(non-Emergency User,nEU)對(duì)時(shí)延并不敏感，而對(duì)高傳輸速率的需求更大[3]。因此，如何合理地分配C-V2X與VANET異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，為不同QoS需求的用戶提供個(gè)性化服務(wù)對(duì)異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用有重要意義。

針對(duì)C-V2X與VANET異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配的問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]提出一種基于C-V2X技術(shù)以支持車對(duì)車(Vehicle to Vehicle,V2V)的資源分配方案，通過(guò)eNodeB(evolved Node B)控制V2V鏈路通信，消除車輛之間爭(zhēng)用等待時(shí)間，以提高車輛間通信的可靠性，降低傳輸時(shí)延，提高通信質(zhì)量。文獻(xiàn)[5]針對(duì)專用短程通信的VANET承載傳感數(shù)據(jù)的情況，提出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Define Network,SDN)多域控制的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，SDN控制器以集中方式控制其域中的路側(cè)單元(Road Side Unit,RSU)和基站(Base Station,BS)，基于該管控架構(gòu)設(shè)計(jì)車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中流量區(qū)分群集路由機(jī)制，通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)包傳遞方法優(yōu)化帶寬和端對(duì)端時(shí)延。文獻(xiàn)[6]針對(duì)融合網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中非授權(quán)頻譜上CV2X和VANET用戶共存的問(wèn)題，提出基于能量感知的頻譜共享方案，在保障車輛用戶時(shí)延與吞吐量滿意度的情況下最大化接入用戶數(shù)量。為解決頻譜分配，功率控制和頻譜共享的問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]提出一種基于LTE非授權(quán)頻譜(Long Term Evolution in Unlicensed spectrum,LTE-U)的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)的非授權(quán)頻譜管理策略保證車輛用戶之間的公平共存，在時(shí)延約束條件下通過(guò)匹配算法求解最大化吞吐量的目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源管理優(yōu)化方案。

然而，現(xiàn)有的方案雖然考慮了時(shí)延、吞吐量等關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，但是缺少對(duì)不同用戶個(gè)性化QoS需求的考慮。因此，在C-V2X與VANET可以和諧共存的基礎(chǔ)上，本文提出一種以時(shí)延與吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)資源分配方案，以滿足用戶在不同場(chǎng)景下的個(gè)性化QoS需求。首先，將單位傳輸時(shí)間劃分為競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間(Content Period,CP)和無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間(Content Free Period,CFP)兩個(gè)階段，分別用于VANET和C-V2X傳輸數(shù)據(jù)以減少信道沖突，然后利用2維離散Markov鏈對(duì)C-V2X和VANET網(wǎng)絡(luò)吞吐量與時(shí)延分別進(jìn)行建模，構(gòu)建用戶吞吐量和時(shí)延與用戶數(shù)量、傳輸時(shí)間分配比例的數(shù)學(xué)關(guān)系，并以最大化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量同時(shí)最小化用戶平均時(shí)延為目標(biāo)建立吞吐量-時(shí)延聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。最后，提出一種基于粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimizat i o n,P S O)的時(shí)延-吞吐量聯(lián)合優(yōu)化(D e l a y Throughput Joint Optimization Algorithm,DTJOA)算法來(lái)求解這個(gè)問(wèn)題，得到Pareto最優(yōu)解。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于現(xiàn)有方案，本文提出的DT-JOA算法可以有效提升車聯(lián)網(wǎng)用戶的個(gè)性化QoS體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)模型

2.1 場(chǎng)景及問(wèn)題描述

本文考慮一個(gè)C-V2X與VANET區(qū)域共存的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。如圖1所示，C-V2X車輛用戶接入點(diǎn)BS與VANET網(wǎng)絡(luò)車輛用戶接入點(diǎn)RSU覆蓋范圍互相重疊，其中C-V2X既可以在授權(quán)頻段上工作，也可以在非授權(quán)頻段上工作，VANET只工作在非授權(quán)頻段上[6]。當(dāng)授權(quán)頻段使用率達(dá)到飽和時(shí)，C-V2X將擴(kuò)展自己的工作頻段到非授權(quán)頻段上以獲取更大的可用帶寬。為了更好地執(zhí)行資源分配策略，本文借鑒已有車聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)融合體系架構(gòu)[5,8]，定義了集成蜂窩網(wǎng)絡(luò)BS和RSU功能的Hyper-BS，可以感知C-V2X和VANET的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(包括每個(gè)車輛用戶的信道信息、行駛速度與方向、業(yè)務(wù)類型及QoS需求等)。在應(yīng)用SDN技術(shù)的條件下，控制器可以對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的所有車輛用戶進(jìn)行集中控制，并基于車輛當(dāng)前狀態(tài)信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)分配，實(shí)現(xiàn)車輛與不同BS之間接入的平滑切換[9]。

圖1 C-V2X與VANET異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景模型

在車聯(lián)網(wǎng)通信中，緊急用戶要求嚴(yán)格穩(wěn)定的低時(shí)延，以便自動(dòng)駕駛系統(tǒng)有足夠的時(shí)間規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；而非緊急用戶使用的影音娛樂(lè)業(yè)務(wù)通常對(duì)時(shí)延并不敏感，而要求更高的傳輸速率。因此，對(duì)用戶提供個(gè)性化QoS的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對(duì)提升用戶體驗(yàn)有著重大作用[10]。與靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)不同，由于車輛用戶的高速移動(dòng)性而導(dǎo)致的短時(shí)間內(nèi)車與車之間、車與BS之間距離的急劇變化，會(huì)嚴(yán)重影響通信鏈路的性能，進(jìn)而影響用戶體驗(yàn)。本文的最終目標(biāo)是同時(shí)優(yōu)化時(shí)延和吞吐量，而這兩個(gè)指標(biāo)在某種程度上是相互沖突的，相比于單目標(biāo)優(yōu)化，多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化更具有挑戰(zhàn)性?；谝陨厦枋?，設(shè)計(jì)C-V2X與VANET異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)資源分配算法，必須解決以下3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：(1)如何保證用戶的服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量。在解決CV2X與VANET在非授權(quán)頻段上和諧共存的基礎(chǔ)上，滿足不同用戶的個(gè)性化QoS需求；(2)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配。即根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶需求，如何將有限的傳輸時(shí)間資源和頻譜資源進(jìn)行合理分配；(3)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時(shí)延的準(zhǔn)確刻畫與網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。由于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的高動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性，需要準(zhǔn)確地刻畫吞吐量和時(shí)延來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2 研究思路

針對(duì)以上問(wèn)題，在C-V2X和VANET異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)中，本文提出基于用戶個(gè)性化QoS的網(wǎng)絡(luò)時(shí)頻資源分配方法，主要研究思路如圖2所示。

圖2 C-V2X與VANET異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)用戶個(gè)性化QoS聯(lián)合優(yōu)化策略

首先Hyper-BS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)C-V2X和VANET的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，車輛用戶也會(huì)上報(bào)自身的行駛狀態(tài)和業(yè)務(wù)類型，控制器根據(jù)收集到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息預(yù)測(cè)C-V2X和VANET的吞吐量與時(shí)延理論值。然后，根據(jù)當(dāng)前緊急用戶與非緊急用戶所上報(bào)的信息，將傳輸時(shí)間分為CP與CFP分別給VANET與C-V2X傳輸以減少信道沖突，并以所有用戶的QoS需求為約束，最大吞吐量與最小時(shí)延為目標(biāo)建立異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化模型。最后，通過(guò)提出的DT-JOA算法得到最優(yōu)傳輸時(shí)間分配與用戶調(diào)度，進(jìn)而得到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源分配最優(yōu)方案。

由于車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化很快，緊急用戶與非緊急用戶的數(shù)量也是頻繁變化的。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)無(wú)線資源進(jìn)行合理分配。Hyper-BS在收集了異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前的整體網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)后，根據(jù)車輛用戶的QoS需求和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，由內(nèi)置的SDN控制器計(jì)算出使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時(shí)延同時(shí)最優(yōu)的α取值和用戶調(diào)度，作為下一個(gè)傳輸周期的無(wú)線資源分配方案。

3 系統(tǒng)模型分析

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，Hyper-BS對(duì)VANET與CV2X兩種網(wǎng)絡(luò)用戶的傳輸時(shí)間分配和信道分配進(jìn)行集中管理。場(chǎng)景中一共有Nsum個(gè)車聯(lián)網(wǎng)用戶，其中有NV個(gè)VANET用戶，用i∈Nva={1,2,···,NV}表示；有NL個(gè)C-V2X用戶，用j=Ncel={1,2,···,NL}表示，Nsum=NV+NL。本文將傳輸信道分為C個(gè)子信道，用c∈Φ={1,2,···,C}表示，將一個(gè)單位傳輸時(shí)間分為T個(gè)子幀，用t∈Г={1,2,···,T}表示。

3.1 VANET系統(tǒng)模型

3.1.1 VANET吞吐量分析

其中，Pc是節(jié)點(diǎn)在單位傳輸時(shí)間內(nèi)的碰撞概率，可以等效為在同一時(shí)間有多于兩個(gè)的用戶都試圖傳輸數(shù)據(jù)的概率，可以表示為

在CSMA/CA機(jī)制中，用戶在回退時(shí)間等于0時(shí)才能傳輸數(shù)據(jù)，因此每一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)成功傳輸概率τ可以表示為

3.1.2 VANET時(shí)延分析

通過(guò)3.1.1節(jié)對(duì)吞吐量的分析，也可以得到VANET用戶的平均時(shí)延與用戶數(shù)量NV的數(shù)學(xué)關(guān)系。如3.1.1節(jié)所述，Ts,Tc和σ分別表示成功傳輸、碰撞和空閑的階段，一個(gè)數(shù)據(jù)包被成功發(fā)送的時(shí)延和由于達(dá)到重傳極限次數(shù)而被丟棄的時(shí)延是兩個(gè)不同的隨機(jī)過(guò)程，下面對(duì)兩種情況進(jìn)行分析。

3.2 C-V2X系統(tǒng)分析

3.2.1 C-V2X吞吐量分析

相對(duì)于C-V 2X,VANET是一個(gè)V 2V通信網(wǎng)絡(luò)，通信通常發(fā)生在相鄰的車輛之間，而無(wú)論是高速公路還是郊區(qū)、城市，行駛車輛之間的速度差異比較小，而且VANET本身的通信范圍也不大，車輛速度對(duì)VANET用戶的通信質(zhì)量沒(méi)有太大影響。但是C-V2X系統(tǒng)中快速移動(dòng)的車輛與靜止的BS之間的相對(duì)速度可以很大，高速公路上車輛行駛速度最快可以達(dá)到120～150 km/h，車與BS之間的距離會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速變化，而距離對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量有著顯著影響。因此，分析系統(tǒng)吞吐量時(shí)需要考慮C-V2X車輛用戶的速度。

其中，G0表示天線和射頻模塊的功率增益， ?t是上次數(shù)據(jù)傳輸完成到下一次傳輸開(kāi)始的時(shí)間間隔，dj表示t0時(shí)刻BS到用戶j的初始距離，?是衰減指數(shù)，h0服從高斯分布h0～CN(0,1)，代表瑞利衰落。根據(jù)式(14)得到的信道增益|hj|2，可求得CV2X用戶j在子幀t子信道c上的SINR為

3.2.2 C-V2X時(shí)延分析

3GPP規(guī)定了幾種Cellular通信的應(yīng)用場(chǎng)景，其中對(duì)時(shí)延敏感的場(chǎng)景例如實(shí)時(shí)游戲、車聯(lián)網(wǎng)安全信息等業(yè)務(wù)，需要將時(shí)延控制在50 ms以下，本文將緊急用戶Ne的最大忍受時(shí)延Demax設(shè)置為這個(gè)值。在現(xiàn)在已經(jīng)商用的5G標(biāo)準(zhǔn)里，空口時(shí)延可以低到1 ms，所以數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延也會(huì)進(jìn)一步降低，這也大大增強(qiáng)了車聯(lián)網(wǎng)的安全性。文獻(xiàn)[14]研究了基于Cellular網(wǎng)絡(luò)的V2X的3種傳輸模式：Sidelink(SL)-based V 2X,Uplink(UL)/Downlink(DL)-based V2X,Relay-based V2X。C-V2X的時(shí)延通常包括鏈路建立時(shí)延、傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)處理時(shí)延，下面分別對(duì)這幾個(gè)時(shí)延進(jìn)行分析，時(shí)延單位采用單位傳輸時(shí)間間隔(Transmission Time Interval,TTI)。

(2)傳輸時(shí)延：eNodeB編碼與排隊(duì)時(shí)延1.5 TTI,eNodeB發(fā)送到EU接收1 TTI，EU解碼需要1.5 TTI，EU的上層應(yīng)用解碼數(shù)據(jù)需要3 ms；

(3)數(shù)據(jù)處理時(shí)延：包括在eNodeB轉(zhuǎn)發(fā)消息的時(shí)延和回程網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間約20 ms，RSU數(shù)據(jù)處理時(shí)延包括上層應(yīng)用進(jìn)程處理時(shí)間約3 ms。

本文所考慮的C-V2X車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中的V2V通信由VANET負(fù)責(zé)，因此不考慮SL-based V2X模式，本方案優(yōu)先將緊急用戶分配至C-V2X，出于安全考慮，這一類傳輸安全業(yè)務(wù)的車輛用戶將只采用UL/DL-based V2X模式。因此C-V2X用戶j的平均傳輸時(shí)延可以表示為

其中，L-RRC表示鏈接建立過(guò)程中RRC狀態(tài)變換時(shí)間，L-UL和L-DL分別表示上行鏈路與下行鏈路的傳輸時(shí)間，L-NW表示網(wǎng)絡(luò)配置與處理時(shí)間。

3.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源分配

本文的目標(biāo)是在保證C-V2X與VANET網(wǎng)絡(luò)和諧共存的基礎(chǔ)上，滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)緊急用戶和非緊急用戶對(duì)吞吐量與時(shí)延的需求，提升異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)的綜合性能。

由C-V2X和VANET網(wǎng)絡(luò)中吞吐量與時(shí)延分別建模分析可知，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)直接影響用戶體驗(yàn)。因此，選擇以最大化吞吐量和最小化時(shí)延作為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整傳輸時(shí)間分配比例α和用戶接入網(wǎng)絡(luò)調(diào)度建立多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。在一個(gè)單位傳輸時(shí)間T里，C-V2X用戶所使用的CFP長(zhǎng)度為αT，而VANET用戶使用的CP長(zhǎng)度為(1–α)T，可以得到多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

4 基于PSO的聯(lián)合優(yōu)化算法

式(18)是含有連續(xù)變量和離散變量的混合整數(shù)多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化，屬于NP-hard問(wèn)題。為適應(yīng)快速變化的車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，考慮到車聯(lián)網(wǎng)時(shí)延敏感性，本文提出一種基于PSO的吞吐量-時(shí)延聯(lián)合優(yōu)化算法DT-JOA，以期在較短時(shí)間內(nèi)求得最優(yōu)解。

為了簡(jiǎn)便計(jì)算，目標(biāo)函數(shù)可等效轉(zhuǎn)化為

將式(18)目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為式(27)中的最小化目標(biāo)，分別用objective1和objective2表示。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源有限，吞吐量與時(shí)延無(wú)法同時(shí)取得最優(yōu)值，因此本文多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題無(wú)法求得同時(shí)滿足多個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)解，只能得到Pareto最優(yōu)解。

稱取長(zhǎng)柄扁桃粕（苦杏仁苷質(zhì)量含量5.67%，野黑櫻苷未檢出）10份，每3份作為一組，三組分別加入2.5、5.5、10.0 mg的苦杏仁苷標(biāo)準(zhǔn)品，再分別加入0.1、0.2、0.5 mg的野黑櫻苷標(biāo)準(zhǔn)品，1份留做空白，按照1.2.3.2方法處理，液相測(cè)定。計(jì)算長(zhǎng)柄扁桃粕中平均加標(biāo)回收率，結(jié)果見(jiàn)表1。

在用PSO算法求解的過(guò)程中，為了解決原始PSO算法由于收斂過(guò)快而導(dǎo)致求解結(jié)果精確性不高的問(wèn)題[15]，本文通過(guò)引入一個(gè)多樣性保持項(xiàng)來(lái)減緩粒子的搜索速度，從而提高求解結(jié)果的準(zhǔn)確性，即粒子的位置更新公式保持不變，而速度更新公式變?yōu)槿缡?28)的形式

通常情況下，多樣性保護(hù)的度量的定義是包含連續(xù)變量空間中所有候選解的最小超立方體

其中，xmax,j和xmin,j分別是第j維所有可行解集的上界和下界，Xmax,j和Xmin,j分別是第j維所有變量的上界和下界。因此，Dc本質(zhì)上表示的是包圍超立方體的最小歸一化邊長(zhǎng)。對(duì)于每個(gè)粒子來(lái)說(shuō)，其多樣性保持系數(shù)由如式(32)和式(33)

通過(guò)調(diào)整參數(shù)λc,t，可以控制多樣性保護(hù)項(xiàng)的適應(yīng)值，從而控制粒子更新速度為一個(gè)最佳值。綜上，基于PSO的聯(lián)合優(yōu)化算法的流程如表1，當(dāng)最終全局最優(yōu)位置不再更新或者最大迭代次數(shù)達(dá)到最大時(shí)，代表最優(yōu)解已經(jīng)找到。

表1 基于PSO的聯(lián)合優(yōu)化算法

5 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本節(jié)在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證所提算法的可行性和有效性。本實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)參考文獻(xiàn)[6,7,14]進(jìn)行設(shè)置，包含1000 m×1000 m的一個(gè)區(qū)域，100個(gè)車輛用戶以30～120 km/h的速度行駛，主要參數(shù)設(shè)置如表2。

表2 仿真參數(shù)

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及分析

5.2.1算法有效性對(duì)比分析

本文采用快速收斂的啟發(fā)式算法求解優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，相較于常用的遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)[16]，粒子群算法的收斂速度更快。

如圖3所示，PSO與GA都屬于仿生算法，通過(guò)隨機(jī)搜索的方式優(yōu)化種群然后一次次迭代得到最優(yōu)解，收斂速度與種群數(shù)量有著直接關(guān)系，隨著用戶數(shù)量的增加，兩種算法的收斂時(shí)間都會(huì)增大。然而，PSO算法的每個(gè)粒子都保留了當(dāng)次迭代最優(yōu)解的位置與速度信息，相對(duì)于GA算法，PSO有一定的記憶性，導(dǎo)致PSO在搜索更新的過(guò)程中跟隨當(dāng)前最優(yōu)解的軌跡，因此會(huì)有著更快的收斂速度。當(dāng)然，收斂速度過(guò)快有時(shí)候會(huì)存在遇到早熟收斂和求解精確度較低的缺點(diǎn)，因此本文對(duì)PSO進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)第4節(jié)對(duì)粒子速度-位置更新公式的改進(jìn)，改善了PSO收斂精確度較差的問(wèn)題?？梢钥闯?，相對(duì)于GA，PSO以少量收斂精確度為代價(jià)，獲得了更快的收斂速度，更符合車聯(lián)網(wǎng)對(duì)低時(shí)延敏感的需求。

圖3 MO-PSO與其他算法的對(duì)比

5.2.2異構(gòu)共存方案的網(wǎng)絡(luò)性能分析

如圖4所示，在不采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存方案情況下，C-V2X對(duì)信道的占用將嚴(yán)重影響VANET網(wǎng)絡(luò)性能。這是因?yàn)榇藭r(shí)用戶數(shù)量已接近網(wǎng)絡(luò)容量的極限，網(wǎng)絡(luò)吞吐量已趨于飽和；另外，由于頻繁檢測(cè)到信道被占用，VANET用戶的回退次數(shù)也越來(lái)越多，導(dǎo)致接入時(shí)延逐漸上升，在達(dá)到一定用戶數(shù)量以后，接入時(shí)延趨于平緩不再增加，這是由于VANET網(wǎng)絡(luò)的IEEE 802.11 p底層協(xié)議機(jī)制，當(dāng)用戶達(dá)到最大回退重傳次數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)包將會(huì)被丟棄，從而影響VANET用戶的QoS接入時(shí)延和吞吐量。

圖4 C-V2X對(duì)VANET用戶的影響

圖5 采用方案后C-V2X對(duì)VANET用戶的影響

如圖5所示，在采用本文所提出的共存方案后，隨著C-V2X用戶數(shù)量增加，VANET用戶數(shù)據(jù)速率的下降趨勢(shì)得到了很大緩解，VANET用戶數(shù)據(jù)速率從圖4中網(wǎng)絡(luò)容量接近飽和時(shí)的25 Mbps上升到了100 Mbps；而VANET用戶的接入時(shí)延并沒(méi)有多大改變，因?yàn)樵诒疚牡膬?yōu)化方案中將所有非緊急用戶都接入VANET網(wǎng)絡(luò)，這部分用戶對(duì)低時(shí)延并沒(méi)有很強(qiáng)烈的需求，對(duì)于傳輸非安全類業(yè)務(wù)的VANET用戶來(lái)說(shuō)，較高的時(shí)延是可以忍受的。因此，本文所提出的優(yōu)化方案提升VANET用戶的數(shù)據(jù)速率，保證非緊急用戶對(duì)吞吐量的個(gè)性化QoS需求。此外，當(dāng)車輛速度為100 km/h時(shí)，VANET的吞吐量比車輛速度為60 km/h時(shí)要小，同時(shí)VANET的用戶時(shí)延要更高，因?yàn)檐囕v速度越快，VANET網(wǎng)絡(luò)越不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化會(huì)讓鏈路斷開(kāi)的概率增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能降低。

5.2.3用戶個(gè)性化QoS分析

如圖6所示，隨著用戶數(shù)量的增加，由于信道的繁忙程度逐漸增加，C-V2X用戶與BS之間的鏈路干擾逐漸增大，因此C-V2X用戶的時(shí)延呈上升趨勢(shì)。在DT-JOA優(yōu)化方案中，由于將緊急用戶都接入C-V2X，因此緊急用戶的接入時(shí)延即C-V2X的時(shí)延的增加較為緩慢。而文獻(xiàn)[6]與文獻(xiàn)[7]所提出的方案，由于沒(méi)有考慮到用戶傳輸業(yè)務(wù)類型的緊急程度，當(dāng)用戶需要傳輸對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)而又接入了VANET網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用戶時(shí)延會(huì)隨著用戶數(shù)量增加而急劇增大，無(wú)法滿足安全類業(yè)務(wù)的低時(shí)延需求，而DT-JOA能夠?qū)⒕o急用戶的接入時(shí)延控制在50 ms內(nèi)。另外，從圖6中時(shí)延分布的箱型圖可以看出，相比文獻(xiàn)[6]的單目標(biāo)優(yōu)化和文獻(xiàn)[7]的TS-DS優(yōu)化算法，DT-JOA優(yōu)化算法對(duì)時(shí)延的抖動(dòng)控制更為穩(wěn)定，因?yàn)镃-V2X用戶接入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中沒(méi)有信道檢測(cè)-回退機(jī)制，用戶數(shù)量對(duì)C-V2X用戶的接入時(shí)延影響并不大。因此，本文的DT-JOA優(yōu)化方案能夠更有效地保證緊急用戶對(duì)低時(shí)延的個(gè)性化QoS需求。

圖6 緊急用戶的時(shí)延分布

圖7 非緊急用戶的吞吐量下降情況

如圖7所示，隨著用戶數(shù)量增加，由于信道干擾逐漸增大和信道擁塞，非緊急用戶的吞吐量都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。相比于文獻(xiàn)[6]的單目標(biāo)優(yōu)化方案和文獻(xiàn)[7]的TS-DS優(yōu)化方案，由于DT-JOA將一部分用戶分配至C-V2X網(wǎng)絡(luò)，因而能夠在一定程度上緩解VANET的網(wǎng)絡(luò)擁塞，在相同用戶數(shù)量條件下，本文的方案可以為非緊急用戶提供更高的數(shù)據(jù)速率，提升了非緊急用戶對(duì)更大吞吐量的QoS需求。當(dāng)然，此時(shí)緊急用戶的吞吐量因?yàn)镃-V2X用戶的增加有一定下降，但是在車聯(lián)網(wǎng)中緊急用戶傳輸?shù)陌踩悩I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量通常都很少，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求并不大，而對(duì)低時(shí)延的需求更大，因此對(duì)于緊急用戶而言犧牲少部分?jǐn)?shù)據(jù)速率而獲得更低、更為穩(wěn)定的時(shí)延仍然是值得的。

綜上所述，本文所提出的DT-JOA聯(lián)合優(yōu)化方案可以有效地滿足緊急用戶與非緊急用戶的個(gè)性化QoS需求，提升用戶體驗(yàn)。

6 結(jié)論

針對(duì)C-V2X與VANET組成的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)在非授權(quán)頻段上共存時(shí)互相沖突的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)信道沖突和資源分配的研究，提出了一種基于傳輸時(shí)間動(dòng)態(tài)分配和用戶接入動(dòng)態(tài)調(diào)度的共存機(jī)制與資源分配方案，在和諧共存的基礎(chǔ)上，保證了用戶的個(gè)性化QoS需求，從而優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有其他算法相比，本文所提資源分配方案有效地滿足了用戶個(gè)性化QoS需求，提升了車聯(lián)網(wǎng)用戶的體驗(yàn)。