车联网中高能效资源分配研究

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车联网是5G通信系统低时延高可靠场景中的重要应用之一。利用车联网中车辆-基础设施(Vehicle to Infrastructure,V2I)给车辆传输位置相关信息对车联网驾驶及应用服务有重要意义;位置相关信息需求量与车辆行驶速度成正比,内容包含高精度地图和定位等信息。另一方面,能耗开销给运营商带来高额的电力成本,同时间接产生了不可忽视的碳排放量。因此,如何以低能耗来满足车辆位置相关信息的通信需求,是车联网中一个有现实意义的研究课题。本文首先研究如何进行路边单元的功率分配,以提高直行路段场景下V2I的能效问题;进一步提出考虑通信与交通效率两个方面的速功比指标,并在十字路口场景进行优化设计。城市直行路段场景是车联网通信的典型场景,当车辆使用辅助驾驶或自动驾驶技术时,需要及时地传输与位置相关的信息给车辆;在直行路段场景下,主要研究了如何进行高能效的位置相关信息传输问题。首先建立V2I系统传输模型,并建立交通参数影响下的时延和总发送功率两个约束下的能效优化问题;然后,针对所建立的优化问题进行转化与分析,讨论了问题是否有解的边界条件;进而在问题有解的条件下,假设总发送功率不受限,利用凸优化理论推导得到了能效达到最优时的功率分配方案,并基于此给出功率约束下的最佳能效功率分配方案及相应求解算法。在不同通信参数设置下,通过模拟仿真并与其他方案进行对比分析,验证了所提出方案在能效指标下的优越性能。在城市十字路口场景中,本文进一步考虑传输位置相关信息时的通信与交通联合优化问题,定义了反应通信与交通效率的综合指标速功比,即车辆速度与通信功率消耗之比,表征通信消耗单位能量传输信息所能支持车辆行驶的距离。首先,建立城市十字路口 V2I传输模型,并建模受交通参数影响的时延、车速和发送功率三个约束下的系统速功比优化问题;其次,对所建立的优化问题进行深入分析与转换,推导了速功比最优下的功率分配一般表达式;进而在总功率较高和较低的两种约束条件下,详尽给出了相应的功率分配方案,并提出获取最优速功比的迭代算法。最后在不同系统参数设置下,通过仿真模拟与对比分析,验证了所提出的最优速功比方案可以有效地平衡车速与通信能耗,为实际系统设计与交通控制提供参考。
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