基于馬爾可夫理論的C-V2X通信-感知-決策技術(shù)

關(guān)鍵詞：馬爾可夫；C-V2X；邊緣智能；識(shí)別算法；宏-微蜂窩網(wǎng)絡(luò)

介紹

隨著人們出行需求的多樣化，對(duì)交通安全和效率的管理要求不斷提高。由于基站頻譜資源、覆蓋范圍、傳輸功率、干擾控制和應(yīng)用范圍等方面的技術(shù)持續(xù)變化，現(xiàn)有的交通通信系統(tǒng)已無法滿足車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需求。宏蜂窩和微蜂窩基站系統(tǒng)的共存是未來無線網(wǎng)絡(luò)通信中的一個(gè)必然且常見的現(xiàn)象。在這兩種基站中，宏蜂窩基站占據(jù)主導(dǎo)地位。由于微蜂窩基站的引入，傳統(tǒng)宏蜂窩基站的信息交互結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致兩種基站之間的相互干擾不可避免。

本文旨在對(duì)基于邊緣智能的車聯(lián)網(wǎng)通信一感知一決策集成問題進(jìn)行更深入的研究。研究旨在整合用戶終端行為偏好預(yù)測(cè)、通信網(wǎng)絡(luò)邊界推導(dǎo)和馬爾可夫決策，以解決信息傳輸延遲以及車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的智能感知和決策問題。

系統(tǒng)框架

微蜂窩基站（微蜂窩）旨在通過解決宏蜂窩基站（Macrocell BS）覆蓋的盲點(diǎn)和邊緣問題來提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。該模型包括一個(gè)宏蜂窩基站和多個(gè)微蜂窩基站。宏蜂窩基站作為用戶可以選擇的傳輸站點(diǎn)之一，充當(dāng)中央控制，處理所有請(qǐng)求和資源分配。同時(shí)，微蜂窩基站設(shè)置在宏蜂窩基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)，以提高信號(hào)強(qiáng)度并減少宏蜂窩基站的傳輸負(fù)載。

在蜂窩系統(tǒng)中，宏蜂窩基站具有較高的傳輸功率和廣泛的覆蓋范圍；微蜂窩基站是一種簡(jiǎn)單且低功耗的解決方案，可以有效解決宏蜂窩基站的盲點(diǎn)和覆蓋不足問題。通過與宏蜂窩基站共享傳輸負(fù)載，微蜂窩基站可以確保用戶的通信質(zhì)量。

當(dāng)用戶從一個(gè)基站區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)基站區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)使用兩個(gè)基站接收到的信號(hào)強(qiáng)度（RSS）作為參考。根據(jù)用戶的RSS報(bào)告進(jìn)行比較，分配匹配的基站資源給用戶。理想情況下，當(dāng)用戶進(jìn)入相應(yīng)基站（BTS）的覆蓋區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)分配相應(yīng)的頻道。

通信模型包括用戶終端與基站之間的距離（d）、宏通道增益（h）以及路徑損耗指數(shù)等參數(shù)。大規(guī)模衰落，包括陰影衰落，采用Okumura-Hatta模型表示，遵循均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為12dB的高斯分布。

對(duì)于現(xiàn)有用戶，用戶的當(dāng)前位置被確定為坐標(biāo)原點(diǎn)，即極點(diǎn)，離用戶當(dāng)前位置最近的微蜂窩基站被設(shè)定為極軸。對(duì)于用戶，用戶的下一個(gè)位置的概率遵循概率密度函數(shù)F（x）。根據(jù)慣性定理，用戶原始運(yùn)動(dòng)方向的概率最高，而用戶朝相反方向運(yùn)動(dòng)的概率最低，接近于0。由于用戶的運(yùn)動(dòng)是不可預(yù)測(cè)的，因此他們的方向預(yù)測(cè)基于位置分布函數(shù)。

因此，可以預(yù)測(cè)用戶從宏蜂窩基站和微蜂窩基站獲得的接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSM、RSSF）。

對(duì)于連接到宏基站的用戶，他們有PMM的概率保持在當(dāng)前狀態(tài)，而轉(zhuǎn)移到微蜂窩基站的概率是PMF。類似地，對(duì)于連接到微蜂窩基站的用戶，他們有PFF的概率保持在當(dāng)前狀態(tài)，而轉(zhuǎn)移到宏基站的概率是PFM。

在馬爾可夫策略中，每個(gè)基站選擇都與一個(gè)概率和相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)相關(guān)聯(lián)。選擇的期望值是通過將其概率與獎(jiǎng)勵(lì)相乘得到的，價(jià)值函數(shù)是所有可能選擇的期望值之和。本研究使用價(jià)值函數(shù)來表示用戶在系統(tǒng)中選擇的狀態(tài)的預(yù)期接收信號(hào)強(qiáng)度?；具x擇的最佳策略記為π，用戶在做出選擇后會(huì)收到獎(jiǎng)勵(lì)。

用戶下一位置的信號(hào)強(qiáng)度可以視為一種獎(jiǎng)勵(lì)，而多個(gè)基站的可用性可以用來確定基站的最佳選擇。

模擬結(jié)果

假設(shè)用戶在實(shí)際情況下向不同方向移動(dòng)。在這種情況下，用戶選擇基站的決定依賴于比較每個(gè)基站接收到的信號(hào)強(qiáng)度。在本次模擬中，僅考慮用戶在宏基站和微蜂窩基站交匯處的基站選擇。

在模擬中，1500個(gè)用戶隨機(jī)分布在微蜂窩基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)，每個(gè)微蜂窩基站最多分配1000個(gè)用戶。用戶的操作速度基于實(shí)際速度，包括2m/s.4.5m/s和30m/s。模擬使用MATLAB實(shí)現(xiàn)。

為了比較我們提出的基站（BS）策略與非馬爾可夫BS策略，每個(gè)用戶的初始運(yùn)動(dòng)角度不同。由于速度差異，用戶的預(yù)期接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）各不相同。

相比之下，我們提出的馬爾可夫決策策略利用基于價(jià)值函數(shù)的基站選擇序列來做出最佳選擇。通過比較這兩種策略，我們能夠確定我們提出的策略在優(yōu)化基站選擇方面的有效性。使用非馬爾可夫BS選擇策略的用戶所獲得的平均頻道吞吐量無論初始狀態(tài)如何，RSS變化不大。

結(jié)論

本文提出的基于馬爾可夫的基站資源分配算法在增加宏基站負(fù)載的同時(shí)，減少了原有微蜂窩基站的負(fù)載。為了確保基站邊緣車輛的信息正常交互，該算法主要改善了系統(tǒng)通信資源分配的合理性和利用率。因此，基于馬爾可夫的基站資源分配算法將在C-V2X網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化中發(fā)揮重要作用，并為進(jìn)一步研究提供重要依據(jù)。