[發(fā)明專利]一種高速公路自由流狀態(tài)下的車聯(lián)網(wǎng)緩存部署方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011268116.5
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112203258B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙庶源;朱永東;吳迎笑;劉云濤
• 申請（專利權(quán)）人: 之江實驗室
• 主分類號: H04W4/46
• 分類號: H04W4/46;H04W28/02;H04L29/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

1.一種高速公路自由流狀態(tài)下的車聯(lián)網(wǎng)緩存部署方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：構(gòu)建某一時段內(nèi)高速公路自由流狀態(tài)下的交通流模型；具體通過如下子步驟來實現(xiàn)：

S1.1：根據(jù)交通流理論，將單位時間內(nèi)車輛的到達率建模為均值為Q的泊松分布；

S1.2：自由流狀態(tài)下，高速公路上各車輛的即時位置可看作是隨機分布的，將其近似建模為密度為λ的一維泊松點過程，λ的值等于平均車流密度；

S2：將高速公路上的行駛車輛劃分為N種類型，采用高斯混合模型計算平均車流密度；具體為：

在自由流狀態(tài)下，車輛的運動與其它車輛無關(guān)，將混合交通流中N種不同類型的車輛的速度數(shù)據(jù)用N個高斯分布模型來擬合；高斯混合模型下的車輛平均速度表示為：其中，代表不同類型車輛的平均速度，w_i代表某類型車輛所占的比例；對于第i類車輛，考慮到高速公路車輛速率的限制，將其速度區(qū)間設(shè)為根據(jù)高斯分布的定義，v_i的概率密度函數(shù)g(v_i)計算如下：

其中f(v_i)表示初始高斯分布的概率密度函數(shù)，μ_i表示均值，σ_i表示標(biāo)準(zhǔn)差；利用高斯分布性質(zhì)，設(shè)定分別作為車輛速度的最小值和最大值，能夠覆蓋99.7％的取值區(qū)間；因此，第i類車輛的平均速度為平均車流密度表示為

S3：構(gòu)建基于隨機幾何的車聯(lián)網(wǎng)緩存部署模型，包括緩存內(nèi)容請求模型和緩存內(nèi)容放置模型，其中緩存內(nèi)容放置模型采用概率緩存策略來實現(xiàn)，即車載單元以不同的概率緩存不同的內(nèi)容，車輛之間通過V2V直連通信傳輸緩存內(nèi)容；具體為：

首先，構(gòu)建緩存內(nèi)容請求模型；將所有可能請求的內(nèi)容組成集合序號代表了每個內(nèi)容流行度的降序排名；假設(shè)所有內(nèi)容具有同樣的大小并且歸一化；內(nèi)容的請求規(guī)律服從獨立參考模型，即車輛請求的內(nèi)容集合和內(nèi)容流行度分布在一段時間內(nèi)保持不變，并且不同車輛請求內(nèi)容的活動相互獨立，同一車輛在不同時刻請求內(nèi)容的活動也相互獨立；對于任意車聯(lián)網(wǎng)用戶，第f流行的內(nèi)容的請求概率服從Zipf分布，即：其中z是偏斜系數(shù)；

其次，構(gòu)建緩存內(nèi)容放置模型；定義車載單元的緩存容量一致且為C，發(fā)射功率為P，車載單元采用概率緩存策略來選擇預(yù)存儲的內(nèi)容，即以不同的概率緩存不同的內(nèi)容；定義向量P＝[p₁，p₂，…，p_F]為車載單元緩存向量，p_i表示車載單元緩存第i個內(nèi)容的概率，滿足

S4：構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)的V2V無線信道傳輸模型，定義緩存命中率作為車聯(lián)網(wǎng)緩存性能的分析指標(biāo)，即發(fā)起內(nèi)容請求的車輛能夠從自身或者其他車輛獲得所需內(nèi)容，并且鏈路性能滿足信干噪比要求的概率，推導(dǎo)車聯(lián)網(wǎng)的緩存命中率P_hit；具體為：

首先，根據(jù)緩存命中率定義，將車聯(lián)網(wǎng)的緩存命中率表示為：其中P_V2V代表車輛能夠通過V2V模式獲取緩存并滿足信干噪比要求的概率；

其次，分析V2V通信的信道特性求得P_V2V；設(shè)定車聯(lián)網(wǎng)中所有車輛時刻保持通信狀態(tài)交互信息，并且使用相同的頻帶資源，網(wǎng)絡(luò)的小尺度衰落服從均值為1的瑞利分布；根據(jù)隨機幾何數(shù)學(xué)工具，P_V2V計算公式為：

其中T表示信干噪比門限，α表示路徑損耗指數(shù)，σ²表示噪聲功率，d表示V2V的最大有效通信距離，λ表示平均車流密度，r表示車輛之間的通信距離，x表示請求者到緩存內(nèi)容i的干擾源的距離；

S5：以最大化車聯(lián)網(wǎng)的緩存命中率為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化問題，求取最優(yōu)的緩存部署方法；具體為：

根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的緩存命中率，構(gòu)造優(yōu)化問題如下：

P_hit(P)

采用基于模擬退火的啟發(fā)式算法來求取最優(yōu)解P^*，并按照P^*在車聯(lián)網(wǎng)的所有車輛上部署緩存；當(dāng)內(nèi)容流行度、車輛密度發(fā)生變化時，更新P^*及緩存部署方法。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速公路自由流狀態(tài)下的車聯(lián)網(wǎng)緩存部署方法，其特征在于，所述的P_V2V具體推導(dǎo)過程為：

當(dāng)任意車輛請求內(nèi)容i時，考慮到V2V的有效通信距離較短，將車輛之間的通信距離r近似為路徑距離，信干噪比計算如下：其中h表示小尺度衰落；緩存網(wǎng)絡(luò)的干擾源分為兩種：緩存了內(nèi)容i的車輛的干擾I_i和未緩存內(nèi)容i的車輛的干擾表示為：根據(jù)泊松點過程的稀疏定理，Φ_i\o代表緩存了內(nèi)容i的車輛構(gòu)成的密度為p_iλ的泊松點過程，該點過程不包含發(fā)送車輛本身，代表未緩存內(nèi)容i的車輛構(gòu)成的密度為(1-p_i)λ的泊松點過程，R_j和R_k代表車輛距離干擾源的距離；因此，借助隨機幾何數(shù)學(xué)工具，P_V2V推導(dǎo)如下：

其中，表示信干噪比達到門限概率的均值，表示所有發(fā)起內(nèi)容請求的車輛通信狀態(tài)的均值，為內(nèi)容i的請求者與發(fā)送內(nèi)容車輛之間距離R_i的概率密度函數(shù)，和分別是I_i和的拉普拉斯變換，而最后一步的推導(dǎo)則是利用了瑞利衰落的性質(zhì)；根據(jù)定義如下計算：

對于有：

最后一步的推導(dǎo)同樣利用了瑞利衰落的性質(zhì)，h～exp(1)；借助泊松點過程的概率生成母泛函，上式化簡為：

對于由于未緩存內(nèi)容i的車輛與請求者的距離無約束，有：

因此，得到：