0 引言

　　車載自組網(wǎng)(VANET)作為智能交通系統(tǒng)(ITS)的重要組成部分引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1]。且隨著無線射頻收發(fā)器硬件成本的降低,，采用多射頻多信道的車載自組織網(wǎng)絡(luò)在未來具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?a class="innerlink" href="http://wldgj.com/tags/多接口" title="多接口" target="_blank">多接口VANET中一個(gè)關(guān)鍵問題就是頻譜的動(dòng)態(tài)分配,。對(duì)于車載網(wǎng)絡(luò)，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)將5.850~5.925 GHz之間75 MHz的頻段用于車載通信,，其被分成7個(gè)子信道[2],。通過對(duì)車載自組網(wǎng)中有限的頻譜資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配,，從而降低了車輛節(jié)點(diǎn)由于競(jìng)爭(zhēng)信道資源而產(chǎn)生的沖突，提高了車載網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能,，因此,，研究多接口多信道VANET動(dòng)態(tài)頻譜分配算法具有重要意義。

1 相關(guān)工作

　　車載自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化,，導(dǎo)致固定頻譜分配技術(shù)不能用于車載網(wǎng)絡(luò),。于是人們開始考慮對(duì)頻譜進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。

　　文獻(xiàn)[3]是一種集中式頻譜分配方案,，認(rèn)為頻譜分配問題就是尋求在射頻數(shù)目受限的前提條件下最小化網(wǎng)絡(luò)干擾函數(shù)的問題,，頻譜分配集中控制設(shè)備可能成為計(jì)算瓶頸，且算法復(fù)雜度高,，在車載自組網(wǎng)中難以實(shí)現(xiàn),。文獻(xiàn)[4]是一種集中式頻譜分配方案，提出了CSGC算法,。它是一種以最大化系統(tǒng)總帶寬為目標(biāo)的顏色敏感圖論著色算法,。但是實(shí)現(xiàn)時(shí)迭代次數(shù)多，且隨著主用戶和次用戶數(shù)目的增多導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模增大,，其分配效率也會(huì)降低,。文獻(xiàn)[5]是一種分布式頻譜分配方案，提出了RAND算法,。它是一種分布式隨機(jī)化算法,。各用戶對(duì)其可用的信道產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，通過與其他用戶比較隨機(jī)數(shù)大小而決定信道的分配,，但是在系統(tǒng)總帶寬性能上,，較其他算法差距較大。

　　本文針對(duì)有限的頻譜資源中車輛用戶抓住機(jī)會(huì)使用空閑信道問題,，在圖論著色算法模型的基礎(chǔ)上,，提出了一種基于信道反饋的動(dòng)態(tài)頻譜分配算法（Channel Feedback Spectrum Allocation，CFSA),，其是一種分布式實(shí)現(xiàn)的算法,，有效解決了上述三種方案運(yùn)用在車載自組網(wǎng)中的不足之處，經(jīng)過仿真分析,，性能明顯優(yōu)于上述方案。

2 模型描述

　　動(dòng)態(tài)頻譜分配問題的基本出發(fā)點(diǎn)是：在不影響授權(quán)頻段的正常通信下,，具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“機(jī)會(huì)方式”接入授權(quán)的頻段范圍,，并動(dòng)態(tài)地利用頻譜。整個(gè)頻譜池又可劃分為若干個(gè)子信道,。圖1描述了一個(gè)瞬時(shí)的頻譜池,，它反應(yīng)了車載自組網(wǎng)中車輛用戶在某一時(shí)段可利用頻譜的特征,。

　　多接口車載自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的，為方便算法描述,，作如下假設(shè)：

　　(1)上述頻譜池中可用頻譜被劃分成K個(gè)可用頻譜帶,，即K個(gè)信道。每個(gè)信道的帶寬和傳輸范圍相同,，且相互正交,。

　　(2)系統(tǒng)中隨機(jī)分布著M個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)，對(duì)?坌m,，m∈M配備有不同的射頻數(shù)目,，令Mi表示節(jié)點(diǎn)i的射頻數(shù)目，系統(tǒng)中車輛節(jié)點(diǎn)在滿足信道分配規(guī)則的前提下,，可以同時(shí)使用多個(gè)信道K,，且滿足Mi≤K。

　　(3)對(duì)于需要通信的車輛節(jié)點(diǎn),，通信雙方必須各自選擇一個(gè)射頻接口,，并且使雙方的射頻接口切換到相同的信道上。

　　(4)本文不考慮功率控制因素,，假設(shè)所有的車輛用戶都使用相同的功率,，且每個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)在各個(gè)信道上的干擾半徑相同。

　　由于圖的著色算法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于頻譜的動(dòng)態(tài)分配上,，它是一種成熟的模型,。因此圖論著色模型的數(shù)學(xué)定義可以由距離矩陣、空閑矩陣,、干擾矩陣,、有效分配矩陣表示。

　　矩陣D為距離矩陣,，用于描述車載自組網(wǎng)中車輛節(jié)點(diǎn)之間的距離,，其是一個(gè)M×M矩陣，其定義如式(1)所示：

　　D={dij|dij=||i(xi,，yj)-j(xi,，yj)||，i,，j=1,，…M}(1)

　　其中，dij為車輛節(jié)點(diǎn)i與j之間的距離,。

　　矩陣L為空閑矩陣,，其是一個(gè)M×K矩陣，表征信道有效性,。代表車輛節(jié)點(diǎn)是否可用該信道,，如果車輛節(jié)點(diǎn)m可以用k信道,，則lm，k=1,，否則lm,，k=0。如式(2)所示：

　　L={lm,，k|lm,，k∈{0，1}}M×K(2)

　　矩陣B為干擾矩陣,，其是一個(gè)M×M×K矩陣,，代表車輛節(jié)點(diǎn)i和車輛節(jié)點(diǎn)j在信道k上存在干擾。如式(3)所示：

　　B={?姿l,，j,，k|i，j=1,，…,，M，k=1,，…,，K}M×M×K(3)

　　這些干擾是特定的，兩個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)在一個(gè)信道上是否相互干擾取決于它們之間的距離,，不代表在另一個(gè)信道上仍受干擾,。

　　矩陣S為有效分配矩陣，它是一個(gè)M×K矩陣,，如果信道k分配給了車輛節(jié)點(diǎn)m,，則Sm，k=1,，否則Sm,，k=0。如式(4)所示：

　　S={sm,，k|m=1,，…，M,，k=1,，…，K}M×K(4)

　　其中S滿足所有干擾矩陣Λ定義的限制條件,，Si,，k＋Sj，k≤1,，如果?姿i,，j，k=1,，當(dāng)且僅當(dāng)?坌i,，j<M，k<K,?？梢灾溃瑵M足上述條件的S矩陣很多,，故令QM×K代表有效頻譜分配矩陣集,。

3 動(dòng)態(tài)頻譜分配算法設(shè)計(jì)

　　車載自組網(wǎng)中車輛與車輛之間的拓?fù)渥兓芸欤沟猛ㄐ沛溌凡荒芗皶r(shí)建立,。而車輛節(jié)點(diǎn)在選擇可用頻段時(shí),，必須有一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)作為選擇的依據(jù)。本文提出的CFSA算法,，根據(jù)信道反饋的實(shí)時(shí)性從而實(shí)現(xiàn)頻譜合理有效的分配,。

　　3.1 車輛射頻接口狀態(tài)

　　所有車輛節(jié)點(diǎn)的射頻數(shù)目是不確定的，為了充分利用頻譜資源,，本文首先為射頻接口定義了三種狀態(tài),。

　　(1)忙狀態(tài)。如果該射頻正在發(fā)送業(yè)務(wù),，稱該射頻在忙狀態(tài),。

　　(2)空閑狀態(tài)。如果該射頻沒有發(fā)送業(yè)務(wù),，稱該射頻處在空閑狀態(tài),。

　　(3)假空閑狀態(tài)。如果一個(gè)射頻接口正在發(fā)送業(yè)務(wù),，但車輛節(jié)點(diǎn)通過空閑時(shí)的監(jiān)測(cè)得知該射頻當(dāng)前工作的信道反饋值小于設(shè)置的信道反饋閾值CFT(Channel Feedback Threshold),，而此時(shí)節(jié)點(diǎn)又沒有其他空閑的射頻，為了保證通信業(yè)務(wù)的質(zhì)量,，假設(shè)該射頻目前處于空閑狀態(tài),。

　　3.2 信道反饋

　　確定了車輛節(jié)點(diǎn)的射頻接口狀態(tài)，為方便算法描述,，建立如下結(jié)構(gòu),。

　　(1)將上述圖論模型的數(shù)學(xué)描述抽象成一個(gè)無向圖G=(V，E,，L1),，如圖2所示。其中,，V={vm|m=1,，…,，M}表示頂點(diǎn)的集合，每個(gè)頂點(diǎn)代表參與信道分配的車輛用戶,，包括車輛節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可用信道的集合,；E={eij|i，j=1,，…,，M}表示邊的集合，代表相鄰兩個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)在某一個(gè)信道k上存在干擾,。因已假設(shè)了各車輛用戶在各個(gè)信道上的干擾半徑相同,，若車輛i，j的干擾范圍不出現(xiàn)重疊,，則eij=0,，否則eij=1；而L1表示車輛頂點(diǎn)可選信道顏色的集合,，每個(gè)可用信道被看作不同的顏色,，可選顏色由信道有效矩陣L決定，當(dāng)且僅當(dāng)lm,，k=1時(shí),，車輛節(jié)點(diǎn)可以使用當(dāng)前被著色的信道。

　　(2)由于信道k在某一時(shí)段可能被不同的車輛用戶占用,，即一個(gè)信道上的車輛鄰居數(shù)目是不定的,，如果按照文獻(xiàn)[3]中CSGC算法進(jìn)行頻譜分配，就會(huì)增加無線控制信道的流量,。因此本文考慮信道反饋因素,，定義了信道反饋矩陣，將可用信道分配給吞吐量利用率最大的車輛用戶,。

　　矩陣R為信道反饋矩陣,，它是一個(gè)M×K階矩陣，用來描述各車輛節(jié)點(diǎn)在給定的頻譜分配條件下,，車輛用戶在可用信道上所獲得的最大通信容量,，可以是最大帶寬或者最大吞吐量。其公式如式(5)所示：

　　R={rm,，k|m=1,，…，M,，k=1,，…，K}(5)

　　信道反饋矩陣R中各元素的取值采用文獻(xiàn)[6]中的方法進(jìn)行計(jì)算，其目標(biāo)就是最大化信道吞吐量,，其公式如式(6)所示：

　　其中bm,，k表示車輛用戶m在信道k上能夠產(chǎn)生的最大帶寬，Cm,，k為車輛用戶m在信道k上的鄰居數(shù)目,。根據(jù)信道反饋矩陣的值，當(dāng)信道吞吐量最大時(shí),，其信道k即為當(dāng)前車輛用戶選擇的最優(yōu)信道。

　　(3)針對(duì)車載自組網(wǎng)的時(shí)變特性,，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托诺赖目捎眯跃S著時(shí)間不停地變化著,，為了使每個(gè)可用信道的吞吐量達(dá)到最大，在頻譜分配時(shí)定義了最大化帶寬準(zhǔn)則,，如式(7)所示：

　　其中sm,，k為有效分配矩陣，bm,，k為車輛用戶m在信道k上產(chǎn)生的帶寬,。

　　上述算法的主要思想是在滿足干擾條件的前提下，利用現(xiàn)有的圖論著色模型,，提出信道反饋的概念,，讓車輛用戶根據(jù)信道反饋的值來進(jìn)行信道選擇。其目標(biāo)就是使車輛用戶最大公平地接入信道,，獲得最大的帶寬,。

　　3.3 算法實(shí)現(xiàn)流程

　　算法的初次分配流程與文獻(xiàn)[3]中CSGC算法類似，算法每次迭代將選出擁有最大信道反饋值的車輛用戶,，其算法流程圖如圖3所示,。

　　CFSA頻譜分配算法流程圖如圖3所示，核心思想就是優(yōu)先選出最有價(jià)值的信道分配給車輛節(jié)點(diǎn),，即讓吞吐量利用率最大的車輛用戶接入該信道,。

4 仿真與分析

　　為了驗(yàn)證算法的有效性，本文利用MATLAB對(duì)算法進(jìn)行仿真,，并針對(duì)VANET網(wǎng)絡(luò)中頻譜分配算法的時(shí)間開銷,、系統(tǒng)最大收益和其他常用算法進(jìn)行比較。

　　4.1 仿真場(chǎng)景

　　本文的模擬場(chǎng)景是在800 m×800 m的矩形區(qū)域中隨機(jī)分布5~40個(gè)車輛節(jié)點(diǎn),，車輛節(jié)點(diǎn)均配備8個(gè)射頻接口,，信道數(shù)為20，車輛通信半徑為100 m,，干擾半徑為300 m,，具體仿真參數(shù)如表1所示。

　　4.2 性能比較與結(jié)果分析

　　圖4可以看出，當(dāng)頻譜數(shù)量固定時(shí),，取k=20,，可以看出CSGC的時(shí)間開銷最大，并且隨著車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多,，本文提出的CFSA算法在時(shí)間開銷上明顯小于CSGC算法和RAND算法,。由于本文提出的算法是在CSGC算法初次分配的基礎(chǔ)之上繼續(xù)分配，以兼顧系統(tǒng)最大吞吐量換取了時(shí)間開銷的減少,，圖5表示CFSA算法在系統(tǒng)總收益上明顯高于CSGC算法和RAND算法,。

5 結(jié)束語

　　本文提出的一種基于信道反饋的動(dòng)態(tài)頻譜分配算法CFSA，讓車輛用戶根據(jù)反饋矩陣的值來最優(yōu)選擇信道,，解決了CSGC分配算法只是針對(duì)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的問題,，最后對(duì)CFSA算法進(jìn)行了仿真和分析。仿真結(jié)果表明,，CFSA算法在兼顧系統(tǒng)總收益的基礎(chǔ)上減少了時(shí)間開銷,，降低了算法運(yùn)行的迭代次數(shù)，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)的性能,。

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