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申请/专利权人：同济大学

摘要：本发明属于VANET动态频谱接入领域，提出了一种VANET系统中基于印度自助餐过程的动态频谱接入方法，包括以下步骤：S1：基于印度自助餐过程，根据单位时间内VANET路段末端无线节点收集的ACKNACK消息，获取下一时刻信道被选概率并生成信道可用性列表；S2：根据VANET系统上行链路的传输速率最大化和冲突概率最小化的需求，定义目标优化函数；S3：基于深度Q网络，构建多智能体模型，对S2中的优化问题进行建模；S4：采用分布式和在线学习的方式完成动态频谱接入策略的更新和执行。本发明提出的方法相较于其它方法，能获得更低的冲突概率和更高的传输速率。

主权项：1.一种VANET系统中基于印度自助餐过程的动态频谱接入方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于印度自助餐过程，根据单位时间内VANET路段末端无线接入节点收集的ACKNACK消息，获取下一时刻信道被选概率并生成信道可用性列表；所述VANET路段由一个路侧单元、两个无线接入节点、一个数据挖掘服务器以及多个车辆用户组成，路侧单元位于路段中心，两个无线接入节点分别位于路段首尾，数据挖掘服务器位于路段末端，多个车辆用户随机分布于路段中；进入路段的车辆用户感知路段首端无线接入节点广播的信道状态信息，通过DSRC通信技术与路侧单元通信进行动态频谱接入，路段末端无线接入节点收集过往车辆的历史频谱接入数据，经过所述数据挖掘服务器挖掘信道状态的先验信息反馈给路段首端的无线接入节点；S2：根据VANET系统上行链路的传输速率最大化和冲突概率最小化的需求，定义目标优化函数；S3：基于深度Q网络，构建多智能体模型，对S2中的优化问题进行建模；S4：采用分布式和在线学习的方式完成动态频谱接入策略的更新和执行；所述的步骤S1具体包括以下内容：所述车辆用户分为非授权车辆用户和授权车辆用户，非授权车辆用户记为SU，授权车辆用户记为PU；授权车辆用户有绝对优先权占用信道，非授权车辆用户机会性地接入未被授权车辆占用的信道；在t时刻，车联网路段中有N个SU，K个信道，每个SU只选择一个信道接入，接入成功记为ACK，接入失败记为NACK，前N个SU的ACKNACK标记消息描述为一个印度自助餐过程IndianBuffetProcess，缩写IBP：对于信道k，让πk表示为信道k被每个SU选择的概率，用Beta先验分布βαK,1来构造πk，其中，α为IBP过程的参数，αK和1是决定某个SU是否选择信道的两个参数，则： Znk表示第n个用户选择接入了第k个信道，Znk服从Beta分布的共轭先验分布Bernoulli分布，则：Znk|πk～Bernoulliπk2在t时刻车联网路段末端无线接入节点收集过往N个SU的频谱接入数据，提供给数据挖掘服务器，数据挖掘服务器使用IBP频谱数据挖掘模型，生成t+1时刻每个信道被选的概率；所述IBP频谱数据挖掘模型如下：通过选择概率公式可以预测出第n+1个SU选择第k个信道的概率，其选择概率公式表述为： 其中，第n个SU选择第k个信道的概率为pnk，mk表示k个信道被先前用户选过的次数，表示还没有被先前用户选过的信道数，对于第n个SU，πk为每个信道被选的概率，模型根据选择概率公式pnk更新πk；根据被选概率πk转换信道可用性列表，转换规则为：被选过的信道，πk较大，再次被选的概率大，设置为1，即不可用；未被选过的信道，πk较小，被选的概率小，设置为0，即可用；生成的信道可用性列表通过路段首端无线接入节点广播给将要进入路段的SU；所述的步骤S2具体包括以下步骤：S21：假设在VANET路段中有N个SU，K个正交的子信道，M个PU；xn,yn,xj,yj,xk,yk分别代表第n个SU的发射机坐标，第j个PU发射机坐标和第k个基站的接收机坐标；SU信号链路的距离为PU信号链路的距离为S22：根据WINNERII信道模型计算出路径损耗PL： 其中fc表示载波频率GHz，d表示路径长度m，AW和BW分别代表参考距离下的路径损耗，路径损耗指数和路径损耗频率相关性；S23：假设在发射机和接收机之间存在视距无线传输，采用莱斯信道模型，则信道增益表示为： κ即K因子，代表着视距路径和分散路径接收功率之间的比率，θ～U0,1表示视距路径到达信号的相位，CN0,σ2则表示复高斯随机分布；其中σ2由路径损耗来决定，表述为： S24：第n个SU接收信号的信干噪比SINR表述为： 其中pnk，pn′k和pjk分别表示第n个SU，第n′个SU和第j个PU在第k个信道上的发射功率，|hnk|2,|hn′k|2和|hjk|2分别代表对应链路的信道增益，B和N0分别表示信道带宽和噪声谱密度；S25：由第n个SU的信干噪比可得信道容量为：Cn＝B·log21+SINRn8S26：在确保进入VANET路段的车辆用户冲突概率最低的情况下，使系统容量最大化，目标函数表述为： 其中表示第n个SU的最小数据率的需求，表示第n个SU的最小信干噪比的需求，Pr{·}表示第n个SU上行传输的信干噪比小于最小值的概率，p0表示最低容忍概率；S27：第n个SU在所有信道上的发射功率之和要小于其总发射功率；在数据传输网络中，TCP协议在接收机窗口上有缓存限制，接收窗口的大小限制了包传输率的大小，所以功率限制和信道容量限制表述为： 其中Plim表示第n个SU的最大发射功率，表示第n个SU在第k个信道上的传输速率，表示第k个信道的信道容量；所述的步骤S3具体包括以下步骤：S31：假设每个PU占用一个信道，有K个独立同分布的信道，每个PU接入信道服从马尔可夫过程；第K个信道的二阶马尔可夫链的转移概率矩阵为： 则PU占用信道的概率：pij＝Pr{下一个状态为j|目前状态为i}i,j∈{0,1}12S32：在每个时隙开始，每个SU作为智能体执行频谱感知，在路段首端的无线接入节点接收信道可用性列表并广播给即将进入路段的车辆用户，SU从环境中感知此时的信道状态；每个智能体有独立的DQN-LSTM结构，独立感知环境中的信道状态并做出决策；在时隙t的感知状态记为：St＝[S1t,…,SNt]13其中，Snt表示t时刻第n个用户感知到的信道状态，形式为K维量{0,1,0……1,0}，其中0表示该信道可用，1表示不可用；S33：基于感知到的信道状态，每个SU基于深度Q网络DQN决定接入最多一个信道或者保持空闲；每个SU也可以在占用的信道上改变编码调制方案，第n个SU的动作记为：Ant∈{0,…,K}14Ant＝k表示第n个SU在时隙t选择接入了第k个信道；S34：t时刻第n个SU接入了第k个信道，会获得相应的奖励值，奖励函数表述为： 其中C为奖励值，为正值参数；SU成功接入信道的奖励值为其传输速率，SU的动作和其它SU冲突会受到惩罚，即奖励值为负，和PU冲突会受到更严厉的惩罚；将所有用户在前t个时刻接入的信道和获取的相应奖励值作为经验保存到经验池。

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