一種基于信息物理系統模型的車聯網擁塞控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及信息技術領域，具體涉及一種基于信息物理系統模型的車聯網擁塞控 制方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，因為信息物理系統在車聯網、智能電網、機器網絡和嵌入式系統的廣泛應 用而受到相當大的關注。一個典型的信息物理系統由物理子系統和信息子系統構成，并通 過一種方式連接他們。物理子系統的動態變化通常遵循物理法則，而信息子系統通過測量 和通信可以控制物理子系統的動態變化。車聯網主要研究車輛間的聯系以使駕駛達到安全 舒適的效果，本身就具有信息物理系統的特性，即使用不同的傳感器以接觸物理世界的實 體，測量和收集車輛是否在十字路口、當前的交通情況、天氣情況、路面情況、安全相關的警 告等信息。觀察到車輛的物理信息后，信息基礎設施將測量的數據路由到控制單元，然后再 講控制命令返回到物理部分。控制操作依賴于物理對象的測量反饋。在車聯網中，大規模 的車輛通信需要有效的擁塞控制方法以降低信道的負載，滿足車輛應用的需求，和保證通 信的穩定性和可靠性。
【發明內容】
[0003]針對現有技術的不足，本發明旨在提供一種信息物理系統模型的車聯網擁塞控制 方法，通過建模將混合動態系統離散化，并通過使用卡爾曼濾波預測信道狀態，計算時隙分 配矩陣，以建立一個有效的擁塞控制機制。
[0004] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0005]-種基于信息物理系統模型的車聯網擁塞控制方法，其中，信息物理系統包括物 理子系統和信息子系統，所述方法包括如下步驟：
[0006]S1設定在信息物理系統中有N。個控制器和N3個傳感器，其中，控制器包括路邊基 礎設施（RSUs)和以Adhoc方式交換安全信息的車輛，而傳感器則是安裝在車輛或RSUs上 的裝置，通過收發機監聽信道狀況；
[0007]S2在物理子系統中，假定在每一個控制器的操作和傳感器的觀察都是標量的， 以及物理子系統的變化是線性的且不受擾動的影響；在信息子系統中，假定所有車輛都在 RSUs的廣播范圍內，并假定所有車輛都使用同一信道并使用通配符；另外，設定一次擁塞 控制執行的時間與IEEE802.lip協議中的廣播中相鄰兩個beacon之間的時間間隔（beacon interval) 一樣；
[0008]S3RSUs通過傳感器收集負載，作為系統的觀察向量，然后計算擁塞控制向量，并 將擁塞控制向量通過廣播的方式，發送給其廣播范圍內的每一個車輛節點；車輛節點根據 收到的擁塞控制向量計算控制操作向量，實施擁塞控制；
[0009]S4由于在RSU集中控制車輛通信的情況下，存在為了安全業務以Adhoc的方式進 行彼此間的通信的車輛，因此用于信息子系統和物理子系統的連接中的線性反饋控制模型 表示為：
[0010] u(t) =Ky(t)；
[0011] 其中，K是一個反饋增益矩陣，即擁塞控制向量，u(t)表示控制操作向量，控制器n 的控制操作向量表示為un，y(t)表示傳感器的觀察向量，傳感器n的觀察向量表示為yn;矩 陣K的取值根據以下情況確定：
[0012] 1) -個beacon幀的間隔內，沒有任何以Adhoc方式進行通信的車輛對；
[0013] 2)在一個beacon幀的間隔內，至少存在一對以Adhoc方式進行通信的車輛；
[0014] 3)在beacon幀的廣播時間內，至少存在一對偶爾以Adhoc方式進行通信的車 輛；
[0015] 4)Adhoc方式通信的車輛節點同時會在beacon幀的廣播期間和beacon幀的間隔 內發送信息；
[0016] S5基于步驟S4中所述的情況1)-4)，將信息物理系統分為離散子系統和連續子系 統，其中，離散子系統是指情況1)-情況4)，連續子系統為情況1)-4)中任一情況下的連續 系統變化；整個信息物理系統的動態變化表示為：
[0017]
[0018] 上式描述了信息物理系統的變化過程，其中，x(t)是一個M階向量，用于表示物理 子系統的狀態，是一個連續系統狀態；q(t)代表情況1) _情況4)，是一個離散的系統狀態， q(t)連續的動態變化來自于信息物理系統的連續子系統，離散的動態變化來自于這些連續 子系統之間的轉換；A. =A+BK:_C，f=BKGv+Fw，其中，A、B、F、C、G均為增益矩陣， A代表x⑴對你)的增益，B代表u(t)對i⑴的增益，w代表物理子系統的系統過程噪聲， 服從均值為〇,協方差為Q的高斯分布，即w~N(0,Q)，F代表w對幻))的增益，C代表x(t) 對觀察變量y(t)的增益，v是服從均值為0和協方差為R的高斯測量噪聲，即v~N(0,R)， G代表v對y⑴的增益；Kq(t)代表步驟S4中情況1) -4)下K的值，而在f=BKGv+Fw中， 因為加和性，N'依然是一個高斯白噪聲，在上述情況1)-4)中都存在，所以N' =BKGv+Fw 中K代表上述情況1)-4)中都不隨系統情況而變化的增益矩陣；
[0019] S6通過卡爾曼濾波預測信道狀態，計算得出矩陣K。
[0020] 需要說明的是，步驟S2中，物理子系統的變化是線性的且不受擾動的影響，則該 線性變化梁用下忒弄示，
[0021]
[0022] 需要說明的是，矩陣K的取值在所述情況1)-4)中的取值情況如下：
[0023] 針對情況1)，K能完全由RSUs測量；
[0024] 針對情況2)，K= ，K表示基于RSUs感知到的負載狀態的第一次時隙分 配，琴表示基于收到的玄，對Adhoc節點的第二次時隙分配；
[0025]針對情況3)，Adhoc車輛在beacon的廣播期間進行數據傳輸，增益矩陣由:f 表示，:翁是兩部分的和：一個是在beacon廣播時間內對Adhoc節點的增益，另一個是在 beacon幀間隔內，由RSUs控制的以集中方式進行通信的節點的增益；
[0026] 針對情況4)，系統的增益矩陣是按照情況2)得到的矩陣K和按照情況3)得到的 矩陣fe的和。
[0027] 需要說明的是，所述步驟S6的具體方法如下：
[0028] 6. 1)定義一個離散價值函數，以懲罰信道負載偏差和最小化控制開銷，當J達到 最小時，可以得到相應的時隙d的控制向量Kd，J的計算式如下：
[0029]
[0030] J為二次型性能指標泛函，ud是系統的時隙d的控制操作向量，H和L為系統參數， 其中H為非負定矩陣，L為正定矩陣，E表示對后面括號里的元素求和，M為M階向量x(t) 的階數；A^是一個基于上一時隙系統動態變化的負載狀態估計，表示為：
[0031] Axd=AAxd !+Bud1；
[0032] 其中ud i表示系統的d-1時隙的控制操作向量，A xd屬d-1時刻系統的狀態估 計；
[0033] 6. 2)由于系統狀態為離散化，此時的反饋控制等式為：
[0034] ud= K dyd；
[0035]Kd表示在時隙d的所有車輛的時隙分配，ud i分別是應用于時隙d和時隙d-1 的控制操作向量；下一時隙系統負載的最優測量采用卡爾曼濾波預測獲得，為：
[0036]
[0037]yld為系統的觀察值，Hld是A xd的增益矩陣；K d作為卡爾曼增益矩陣，可通過以下 公式獲得：
[0038]
[0039] 其中，民是觀測噪聲的協方差矩陣；色二是預測的協方差，并通過 巧=(/ 進行更新，I是個M階的單位陣，PdSd時刻的協方差估計值；Pdi為d-1 時刻的協方差估計值，A為增益矩陣，Q為系統噪聲的協方差；
[0040] 6.3)經過步驟6. 1)-6. 2)，對每一個時隙d，都可以得到控制向量Kd，再將得到的 控制向量合并，從而得到矩陣K，即系統的擁塞控制向量。
[0041] 本發明的有益效果在于：本發明在構建信息網絡系統的同時，綜合的考慮了物理 系統的狀態采樣率、測量誤差、研究系統的混合性能等特性，使得研究結果更加準確和有 效，考慮了周期性的beacon幀的擁塞問題，使得擁塞控制方法更加完備，同時解決了為緊 急事件預留的帶寬不能充分利用的問題，使得傳輸資源得以合理利用。
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