基于供需平衡的車聯網認知頻譜分配算法

楊貴草，樊秀梅，薛珮雯

（西安理工大學自動化與信息工程學院，西安 710048）

0 引言

智能交通的快速發展對車聯網的安全業務及娛樂服務提出了更高的要求，使車聯網面臨通信需求的爆發式增長，導致現有頻譜資源已不能滿足需求[1]。而現有的頻譜分配是采用授權的固定分配模式，頻譜資源的使用兩級分化嚴重。因此，如何實現頻譜的最大化利用和按需分配是車聯網中的重點問題。

1 相關工作

近年來，學術界對頻譜分配問題展開了研究，其中博弈論模型適用于動態復雜的環境，算法復雜度高；圖論著色模型實現簡單，但會導致頻譜分配不平衡，利用率低；頻譜交易模型利用商品交易思想，將頻譜抽象為商品，授權用戶和認知用戶作為賣方和買方進行交易，實現頻譜共享。基于此，本文考慮頻譜授權用戶與認知用戶間的“社會關系”，設計頻譜分配算法，對車聯網中的頻譜分配問題進行研究。

2 系統方案

2.1 系統模型

假設系統模型中有頻譜管理中心，1個授權用戶（車聯網中空閑頻段，如基站、TV 頻段），若干個認知車輛用戶。授權用戶將空閑頻譜統一提交給頻譜管理中心，需要傳輸消息的車輛節點作為認知用戶對空閑頻譜提出共享請求。構建系統模型如圖1所示。

圖1 系統模型

2.2 車聯網業務類型

在車聯網信息傳輸中主要涉及兩種類型的業務傳輸：安全類業務和非安全類業務[2]。根據所傳輸消息的QoS 需求定義3個優先級，優先級劃分如表1所示。

表1 優先級

2.3 供需平衡理論

在微觀經濟學中，商品的生產者與消費者為交易方，雙方在商品的數量和價格上達成一致，供需模型描述了這種價格和數量上的平衡關系即供需平衡[3]。該模型中，只有供給量和需求量相等時，表示商品供需平衡，此時的價格為均衡價格，即雙方交易的最終價格。

2.4 頻譜分配方案

本文設計頻譜分配方案如下：引入文獻[4]中定義的效用函數，表示如下：

式中，x，y，z 為常數；B 表示各類數據的傳輸速率，假設認知車輛用戶在傳輸數據時，對頻譜的使用率為1（bit·s-1/Hz），可認為傳輸速率B 與頻譜帶寬在數值上相等。為了便于分析，令x=y=1，z=0，式（1）可表示為：

假設授權用戶擁有的頻譜帶寬為U，可進行共享頻譜數量為ω，授權用戶自身活動次數為φ，以單價P 向提出頻譜租用請求的認知用戶收取租用費用也會帶來收益，因此，授權用戶的頻譜收益函數可表示為：

為了使授權用戶的收益最大化，對式（3）求導，可得授權用戶的頻譜供給函數：

第一步：根據社會關系進行第一次頻譜分配

考慮授權用戶和認知車輛用戶有特定“社會關系”，這里的社會關系指相識程度。定義相識度S（a，Ri），即一段時間內授權用戶與第i 個認知車輛用戶之間共享頻帶的次數占總共享次數的比例，計算如下：

式中，a 代表授權用戶；Ri代表認知車輛用戶；f（a，Ri）表示一段時間內第i 個認知用戶與授權用戶頻譜共享次數；F（a，Ri）表示授權用戶與所有認知車輛用戶的頻譜共享次數。授權用戶根據控制信道獲取各個認知用戶的相識度S（a，Ri），劃分等級αt，其中t={1，2，…s}，α1表示最高熟識度，αs表示最低熟識度。相識度等級越高，表明授權用戶更愿意和此用戶進行頻譜共享。考慮到分配時，存在授權用戶與某個認知車輛用戶相識程度高，故意以低價將頻譜出售給對方，相反與某個認知車輛用戶不熟或陌生，進行高價出售。為了避免出現上述情況，引入約束因子γ 對頻譜出售價格進行約束，因此授權用戶與認知用戶的頻譜分配可表示為：

式中，ωt表示相識度為t 等級的認知用戶獲取的頻譜數；Pt表示相識度t等級下的認知用戶購買頻譜的價格。

第二步：根據QoS 優先級進行二次頻譜分配

當多個認知用戶和授權用戶擁有相同的相識度，則根據認知用戶所傳輸的業務類別進行頻譜分配。若處于同一相識度t 下的認知用戶數目為ρ，σj為獲得的頻譜總數，則單個認知車輛用戶可得到的頻譜數量為σj/ρ，其中j 滿足以下條件：

然后根據表1中的優先級規則進行頻譜分配。若處于第1 優先級的用戶個數為，依次類推第2 優先級，第j 優先級的認知用戶個數，表示如下：

一般情況下，優先級高的認知車輛用戶在數量上要比優先級低的認知車輛用戶少。為便于討論，令=a，σ1=b，聯立公式（7）和公式（8），得：

對式（9）求解：

式中，C 為歐拉常數，C=0.577215。

認知車輛用戶用于傳輸消息所需頻譜的數量與其收益有關，認知車輛用戶的收益函數表示如下：

對式（11）求導得認知用戶的頻譜需求函數：

由供需平衡理論可知，供需平衡時的價格可以使交易雙方獲得最大收益，即ωs=ωD時，頻譜交易價格為：

3 仿真分析

3.1 仿真環境及參數設置

運用MATLAB 進行仿真，考慮到認知車輛用戶在使用頻譜時，會對授權用戶會產生干擾，假設授權用戶所能承受的干擾τ 的取值范圍[0～50]，仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數

3.2 仿真結果分析

圖2是頻譜共享頻次對比圖。由圖可知，當認知車輛用戶對授權用戶的干擾處于0–50時，SR 方案比non-SR 方案成功共享頻譜的頻率更高，因為non-SR 方案只考慮認知車輛用戶是否對授權用戶的干擾最小，滿足最小條件則同意共享；SR 方案考慮社會關系這一因素，增加了認知車輛用戶獲得頻譜共享的幾率。當τ＞30時，SR方案的優勢不夠明顯，而且與non-SR 方案沒有較大差距，原因是此時的干擾已影響授權用戶的正常通信，授權用戶為了保證自身通信，將不在進行頻譜共享。

圖2 頻譜共享頻次曲線

圖3是不同方案下認知用戶所獲得的頻譜數。由圖可知，根據授權用戶與認知用戶間的相識程度作為頻譜分配準則，相識度越高，認知用戶所獲頻譜數量越多；而采用平均分配的方案，每個認知用戶所獲頻譜數量都是固定的。

圖3 不同方案下認知用戶所獲頻譜數

圖4 顯示了同等相識度下各認知用戶間的頻譜分配。其中灰色代表認知用戶的實際需求頻譜數；黑色代表本文方案；白色代表文獻[5]中HBS 算法在同級市場下各認知用戶間（等同于本文同等相識度下）不考慮QoS 需求的情況。由圖可知，考慮QoS 需求的頻譜分配更有利于滿足用戶的實際需求頻譜數，不會造成頻譜資源浪費。而且，業務優先級越高，所獲頻譜數量越多，保證了車聯網業務消息的及時傳輸和服務質量。

圖4 同等相識度下各認知用戶間的頻譜分配

4 結束語

本文利用供需市場理論對車聯網中的頻譜分配問題進行研究，提出基于供需平衡的頻譜分配算法，仿真證明適用于分布式的車聯網環境，保證車聯網中業務的及時傳輸，提高頻譜利用率。