一种基于Stackelberg博弈的异构车联网多模通信方法技术

本发明专利技术提出一种基于Stackelberg博弈的异构车联网多模通信方法，为实现高吞吐量和低成本的车辆通信提供了一个高效的解决方案，该方法包括步骤：基于基站(BS)和车辆用户设备(UE)，建立动态的Stackelberg博弈模型；将车辆用户的自适应模式选择构造为一个跟随者进化博弈，并构建一个进化稳定策略(ESS)作为解决方案；BS对三种通信模式的价格进行动态调控，构造为一个领导者的最优控制问题，从而作为一种有效的激励机制，可以使用户分布接近ESS，即近似达到最优分布。相比于传统的车间通信模式，本发明专利技术能够最大程度地提高车辆间通信的吞吐量、降低成本，提高频谱利用效率。

A Stackelberg Game-based Multimode Communication Method for Heterogeneous Vehicle Networks

The invention proposes a multi-mode communication method for heterogeneous vehicle network based on Stackelberg game, which provides an efficient solution for achieving high throughput and low cost vehicle communication. The method includes steps: establishing a dynamic Stackelberg game model based on BS and UE; constructing an adaptive mode selection of vehicle users as a follower evolution. Game, and construct an evolutionary stability strategy (ESS) as a solution; BS dynamically regulates the prices of three communication modes, and constructs a leader's optimal control problem. As an effective incentive mechanism, it can make the user distribution approach ESS, i.e. approximate to the optimal distribution. Compared with the traditional workshop communication mode, the invention can maximize the throughput of inter-vehicle communication, reduce the cost and improve the spectrum utilization efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种基于Stackelberg博弈的异构车联网多模通信方法
本专利技术涉及异构车联网通信领域，尤其是一种基于Stackelberg博弈的异构车联网多模通信方法。
技术介绍
由于车辆的高速移动性和车联网的拓扑结构动态可变性，单一的无线通信网络，不能完全满足智能交通系统服务的通信质量要求，采用异构车联网有利于提高信息交互的实时性、提高通信服务质量。设备对设备通信技术(D2D)是未来无线网络中一种很有前途的附加组件，可以提高频谱效率，改善用户体验，提供局域网服务。三种模式(蜂窝模式、复用模式、专用模式)可用于D2D通信。利用专用短程通信(DSRC)技术也能够实现车辆与车辆、车辆与基础设施等之间的通信连接与信息交互。基于最大程度地提高车辆间通信的吞吐量、降低成本，提高频谱利用效率的考虑，本专利技术独创性地提出了构建传统蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式相结合的异构车联网。在本异构车联网中，车辆可以选择蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式之一进行通信，并根据性能和成本动态地调整模式选择。这就是用户控制模式选择问题。另外，基站(BS)需要调控三种模式接入的价格，为通信模式进行频谱划分。一方面，使BS收益最大化的最优频谱划分依赖于用户模式选择(即选择不同通信方式的用户数量分布)。另一方面，频谱划分直接影响用户分布。对于上述车辆的动态模式选择问题，本专利技术建立动态的Stackelberg博弈框架，并采用了模仿者动态模型作为解决方案。博弈论作为经济学领域的一个重要分支在解决资源调度问题方面具有独特的优势，近年来在无线通信领域得到了日益广泛应用，在处理两个相互矛盾的目标上有着其独特的优势。Stackelbergleadershipmodel是经济学中双寡头模型之一。它在1934年出版的″MarktformundGleichgewicht″中被阐述。在博弈中的两个参与者分别是leader和follower，它们进行的是数量竞争。leader先行选择产量，follower观察到leader的选择后再作选择。在进化博弈理论中应用最多的是由TaylorandJonker(1978)提出的模仿者动态(ReplicatorDynamics)模型。参与人常常会模仿好的策略而不好的策略则会在进化过程中淘汰，参与人的决策不是通过迅速的最优化计算得到，而是需要经历一个适应性的调整过程，在此过程中参与人会受到其所处环境中各种确定性或随机性因素影响，动态均衡概念及动态模型在进化博弈理论中占有相当重要的地位。
技术实现思路
专利技术目的：为弥补现有技术的空白，本专利技术提出一种基于Stackelberg博弈的异构车联网多模通信方法。技术方案：本专利技术提出的技术方案为：一种基于Stackelberg博弈的异构车联网多模通信方法，所述异构车联网包括基站和基站覆盖范围内的M个车辆用户，各车辆用户分别从蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式中选择一种通信模式与基站通信；该方法包括步骤：(1)确定所述异构车联网中的车辆用户，预先给出所述异构车联网中选择蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式的最优用户分布表示选择蜂窝模式的车辆用户占所有车辆用户的最优比例，表示选择D2D模式的车辆用户占所有车辆用户的最优比例，表示选择DSRC模式的车辆用户占所有车辆用户的最优比例；(2)以基站为领导者，以基站覆盖范围内的车辆用户为跟随者，构建动态Stackelberg博弈模型，基站根据车辆用户UE当前选择的通信模式计算对于各个通信模式的定价，并向全网广播；车辆用户UE根据基站BS广播的定价信息和网络中其他车辆用户UE选择的通信模式计算自身收益，并选取通信模式，基站与车辆用户之间通过博弈实现最优用户分布博弈的过程为：(2-1)设置博弈时长为T，在时间段[0，T]内参与博弈的车辆用户不变；基站采用分布式用户控制模式方法，将时间段[0，T]离散为n个决策时间点，记第j个决策时间点为tj；(2-2)初始化t＝0时基站向覆盖范围内所有车辆用户广播的初始定价为P(t＝0)＝{PC0，PD0，PDS0}；PC0、PD0、PDS0分别表示运营商给出的蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式的初始定价：每个用户m随机选择一种通信方式i，并计算自身收益：其中，x(t)＝{xi(t)}，xi(t)表示在时刻t采用通信模式i的车辆用户占所有车辆用户的比例，i∈S，S＝{C，D，DS}，C表示蜂窝模式，D表示D2D模式，DS表示DSRC模式；表示速率效用，α为常数，τi(x(t)，P(t))为根据反馈信道得出的吞吐量；之后，车辆用户将自身收益和选择的模式发送给基站；(2-3)在每一个决策时间点tj，基站根据决策时间点tj-1时所有车辆用户选择的通信模式和收益，计算决策时间点tj-1的车辆用户的平均收益以及，通过求解问题模型得到决策时间点tj的定价P(tj)；基站将和P(tj)广播；其中，表示基站运营商的瞬时利润，每个车辆用户m，根据决策时间点tj-1时的自身收益与接收到的平均收益重新选择通信模式，选择的方法为：若满足则随机选择另一个通信模式i′；若则车辆用户m仍保持通信模式i；然后，车辆节点m根据新的定价P(tj)重新计算自身收益Wm(tj)，并将当前所选择的通信模式和自身收益发送到基站；(2-4)重复步骤(2-3)，直至各车辆用户选择的通信模式的分布情况不再改变或已经遍历n个决策点。进一步的，所述计算车辆用户的平均收益的计算公式为：进一步的，所述计算最优用户分布的方法为：a.记基站共有F个子信道，每个子信道的带宽为B；计算蜂窝模式下车辆用户分配到的频谱资源的期望值为：mC表示选择蜂窝模式的车辆用户的数目；计算D2D模式下车辆用户分配到的频谱资源的期望值为：mD表示选择D2D模式的车辆用户的数目；设置DSRC模式下车辆用户逋信的工作频率为处于5.9GHz频带中预先选取的一段75Hz的带宽；b.计算异构车联网中的总速率：VTot＝mCVC+mDVD+mDSVDS，其中，VC、VD、VDS分别表示蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式下车辆用户通信的平均速率，VC、VD、VDS的表达式分别为：VC＝BC×log(1+SINRC)VD＝BD×log(1+SINRD)其中，表示DSRC模式下车辆用户MAC传输的平均吞吐量，的计算公式为：其中，为车辆在DSRC模式下传输的MAC传输吞吐量，mDS为选择DSRC模式的车辆用户的集合；c.以最大化VTot为目标问题，采用数值分析法找出使VTot最大的mC、mD、mDS，根据mC、mD、mDS得到最优的用户分布进一步的，所述求解问题模型得到决策时间点tj的定价P(tj)的方法为：(4-1)将所有已知的各决策点的定价和车辆节点通信模式分布向量代入问题模型；(4-2)求解目标函数P(t))关于P(t)的梯度(4-3)向梯度方向移动P(t)，即更新γ为预设的步长；(4-4)根据P(t)计算目标函数P(t))的值；(4-5)重复执行步骤(4-3)至(4-4)，直至目标函数P(t))的值收敛，此时得到的解即为决策点tj的定价P(tj)。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：本专利技术采用基于动态Stackelberg博弈的异构车联网多模通信方法，车辆可以动态调整模式选择决策以降低成本，提高通信效率。BS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Stackelberg博弈的异构车联网多模通信方法，其特征在于，所述异构车联网包括基站和基站覆盖范围内的M个车辆用户，各车辆用户分别从蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式中选择一种通信模式与基站通信；该方法包括步骤：(1)确定所述异构车联网中的车辆用户，预先给出所述异构车联网中选择蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式的最优用户分布

【技术特征摘要】
1.一种基于Stackelberg博弈的异构车联网多模通信方法，其特征在于，所述异构车联网包括基站和基站覆盖范围内的M个车辆用户，各车辆用户分别从蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式中选择一种通信模式与基站通信；该方法包括步骤：(1)确定所述异构车联网中的车辆用户，预先给出所述异构车联网中选择蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式的最优用户分布表示选择蜂窝模式的车辆用户占所有车辆用户的最优比例，表示选择D2D模式的车辆用户占所有车辆用户的最优比例，表示选择DSRC模式的车辆用户占所有车辆用户的最优比例；(2)以基站为领导者，以基站覆盖范围内的车辆用户为跟随者，构建动态Stackelberg博弈模型，基站根据车辆用户UE当前选择的通信模式计算对于各个通信模式的定价，并向全网广播；车辆用户UE根据基站BS广播的定价信息和网络中其他车辆用户UE选择的通信模式计算自身收益，并选取通信模式，基站与车辆用户之间通过博弈实现最优用户分布博弈的过程为：(2-1)设置博弈时长为T，在时间段[0，T]内参与博弈的车辆用户不变；基站采用分布式用户控制模式方法，将时间段[0，T]离散为n个决策时间点，记第j个决策时间点为tj；(2-2)初始化t＝0时基站向覆盖范围内所有车辆用户广播的初始定价为P(t＝0)＝{PC0，PD0，PDS0}；PC0、PD0、PDS0分别表示运营商给出的蜂窝模式、D2D模式、DSRC模式的初始定价：每个用户m随机选择一种通信方式i，并计算自身收益：其中，x(t)＝{xi(t)}，xi(t)表示在时刻t采用通信模式i的车辆用户占所有车辆用户的比例，i∈S，S＝{C，D，DS}，C表示蜂窝模式，D表示D2D模式，DS表示DSRC模式；表示速率效用，α为常数，τi(x(t)，P(t))为根据反馈信道得出的吞吐量；之后，车辆用户将自身收益和选择的模式发送给基站；(2-3)在每一个决策时间点tj，基站根据决策时间点tj-1时所有车辆用户选择的通信模式和收益，计算决策时间点tj-1的车辆用户的平均收益以及，通过求解问题模型得到决策时间点tj的定价P(tj)；基站将和P(tj)广播；其中，表示基站运营商的瞬时利润，每个车辆用户m，根据决策时间点tj-1时的自身收益与接收到的平均收益重新选择通信模式，选...

【专利技术属性】
技术研发人员：周海波，陈洋洋，钱博，许云霆，张志俭，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32