发明内容

为了克服背景技术的缺陷和不足，本发明提供了一种车联网中基于Lyapunov优化的V2V通信资源分配方法。

本发明的技术方案如下：

一种车联网中基于Lyapunov优化的V2V资源分配方法，在以下系统中运行通信业务，该系统包括一个基站，多个V2V链路和V2I链路，其中V2I链路预先分配了频谱资源块，V2V链路通过复用V2I下行链路的频谱资源块，以D2D通信方式实现两个临近车辆之间的通信；V2V链路和V2I链路的集合分别表示为和其中K和M分别表示V2V链路和V2I链路的总数量；为了分析V2V链路的时延和可靠性，每个V2V链路的传输端均配置一个缓存数据的缓存队列，通信系统按时隙运行通信业务，定义使用时隙t∈{1,2,...}表示一段时间的间隔[t,t+1)；针对以上V2V通信系统模型，规划优化问题，并且根据Lyapunov优化理论设计资源分配方法对优化问题进行求解，该方法具体步骤如下：1)问题规划

在时隙t，第k个V2V链路的数据传输速率定义为

其中表示取任意符号，B表示带宽，δ表示时隙持续时间，α_k,m(t)为资源块复用因子，在时隙t如果第k个V2V链路复用第m个V2I链路的资源块，那么α_k,m(t)＝1，否则α_k,m(t)＝0，σ²表示高斯白噪声干扰功率，P_k,m(t)表示在时隙t第k个V2V链路复用第m个V2I链路的频谱资源块时的传输功率，P_m(t)表示在时隙t第m个V2I链路的传输功率，h_k,m(t)表示在时隙t第k个V2V链路与第m个V2I链路共享资源块时的信道增益，s_m,k(t)表示在时隙t第m个V2I链路传输端对k个V2V链路接收端的干扰信道增益；V2V链路长时间平均总吞吐量定义为

其中τ表示0至t-1时隙中的第τ个时隙，R_k(τ)表示在时隙τ第k个V2V链路的吞吐量，表示在时隙τ所有V2V链路的吞吐量，τ≤t-1；V2V链路长时间平均总传输功率为

其中P_k,m(τ)表示在时隙τ第k个V2V链路复用第m个V2I链路的频谱资源块时的传输功率，表示在时隙τ所有V2V链路总传输功率，α_k,m(τ)为资源块复用因子，在时隙τ如果第k个V2V链路复用第m个V2I链路的资源块，那么α_k,m(τ)＝1，否则α_k,m(t)＝0；在时隙t，任意V2I链路m的基站传输速率定义为

其中h_m(t)表示在时隙t第m个V2I链路的信道增益，g_k,m(t)表示在时隙t第k个V2V链路传输端对第m个V2I链路接收端的干扰信道增益；每个V2V链路的传输端配置一个任务队列，任意V2V链路的队列长度定义为Q_k(t)，其更新公式定义为

其中A_k(t)表示在时隙t任务到达速率,在每个时隙服从均值为λ_k的泊松分布，表示对A_k(τ)求期望，max表示求最大值符号；

对每个V2V链路的队列长度施加概率约束，第k个V2V链路的队列长度的概率约束为

其中Pr表示概率，L_k表示队列长度的边界，表示任意队列长度Q_k(t)超出L_k的违背概率；Q_k(τ)表示在时隙τV2V链路k的队列长度,以最大化V2V链路能量效率为目标函数，同时以V2V链路的时延和可靠性要求以及V2I链路的最小速率要求为约束，规划出如下优化问题

其中s.t.表示约束符号，C1、C2、C3、C4和C5表示约束式符号，η_EE表示V2V链路的能量效率，R_C表示V2I链路传输速率最小值，表示V2V链路传输功率最大值；

2)优化问题等价变换

根据马尔可夫不等式，约束C1可以被松弛为

当第k个V2V链路与第m个V2I链路共享资源块，此时满足α_k,m＝1，根据问题(7)中的约束式C2，可以推导出V2I链路的功率最优值为

其中将V2I链路的功率最优值代入优化问题(7)可得到如下问题

是关于功率向量α和P₁的函数，e_k,m(t)＝σ²(h_m(t)+βs_m,k(t))，f_k,m(t)＝βs_m,k(t)g_k,m(t)，d_k,m(t)＝h_k,m(t)h_m(t)；将优化问题(10)的分式形式的目标函数转换为减式形式，可得到如下优化问题

其中

3)Lyapunov优化理论

针对问题(11)中的时间平均约束C1，引入虚拟队列：

G_k(t+1)和G_k(t)分别表示任意V2V链路在时隙t+1和时隙t的虚拟队列,定义二次Lyapunov函数为其中G(t)＝{G₁(t),...,G_K(t)}；在任意时隙t期间，基于虚拟队列G(t)的Lyapunov漂移及惩罚定义为

其中表示基于条件y求x的期望值，表示Lyapunov函数值在两个时隙之间的变化量，V＞0表示权衡队列长度和V2V链路能量效率的控制参数；在时隙t期间的任意队列状态和控制策略下，基于虚拟队列条件的Lyapunov漂移及惩罚可以满足如下上界

其中[a]⁺＝max{0,a}；根据[Q_k(t)-R_k(t)+A_k(t)]⁺≤max{Q_k(t)+A_k(t),R_k,max(t)}-R_k(t)，其中R_k,max(t)表示在时隙t第k个V2V链路的最大传输速率，可以得出公式(15)满足下式

其中C是一个常数，Γ_k(t)＝Q_k(t)+A_k(t)+G_k(t)；基于上述Lyapunov优化理论，可以将优化问题(11)转换为每个时隙最小化Lyapunov漂移及惩罚上界的优化问题，即

其中min表示求最小值符号,表示以α和P₁为变量的目标函数，表示通过优化α和P₁变量获得目标函数的最小值，

4)基于Lyapunov优化的资源分配方方法

针对优化问题(17)，先将二进制变量松弛区间为[0,1]的连续变量，然后引入辅助变量μ_k,m(t)＝α_k,m(t)P_k,m(t)，可得到一个关于向量α和的联合凸函数，表示为

使用凸优化方法进行求解，当优化问题(18)的目标函数对功率变量P_k,m(t)求偏导，并使偏导数值等于0时，可获得在时隙t此凸问题的功率最优解即

其中

在已知功率最优解的条件下，根据“赢者通吃”原则，可以获得在时隙t的最优资源块分配结果即

其中表示在时隙t当k′＝k时，可以取得H_k′,m(t)的最大值，

将连续的T₀＞＞1个时隙组成一个时间帧，基站仅需在每个时间帧的开始阶段执行一次信道状态捕获任务，每个时隙均需要执行资源分配任务；根据上述凸优化问题求解过程，基于Lyapunov优化的资源分配方法如下：

i.在一个时间帧的开始阶段，初始化t＝1，

ii.在时隙t，基站捕获V2V链路和V2I链路的信道状态信息Q(t)＝{Q₁(t),Q₂(t),...,Q_K(t)}；

iii.根据当前的信道状态信息Q(t)、队列长度G(t)和任务到达速率A(t)＝{A₁(t),A₂(t),...,A_K(t)}，通过公式(19)和公式(21)执行V2V通信资源分配任务；

iv.根据公式(12)更新当前时隙的V2V通信系统能量效率

v.根据公式(5)和公式(13)更新队列长度G(t)，并且更新时隙t＝t+1；

vi.重复执行步骤iii至v，直至t＞T₀时，跳转至步骤ii重新捕获V2V链路和V2I链路的信道状态信息。

本发明的有益效果是能够使用Lyapunov优化理论设计低计算复杂度的资源分配方法，保证V2V通信链路时延和可靠性要求；另外为了避免资源分配在追求时延和可靠性要求过程中出现资源过度分配的问题，采用Lyapunov优化理论同时优化V2V通信系统能量效率和时延与可靠性要求。