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多跳车载网络中基站休眠调度的节能问题
摘要：本文主要研究在一维多跳车载网络中使用休眠调度策略从而达到基站的节能问题。此方案中我们考虑使用基站休眠调度策略，在道路车辆较少的时候使基站可以在休眠模式和活跃模式之间进行切换，并利用车辆速度和位置的信息控制基站状态，从而实现减少平均能量消耗的目的。在系统模型中，假设车辆分布服从泊松分布，我们可以得到两个相邻车辆分簇之间欧几里得距离的概率分布函数，其中，簇是相邻车辆在它们的欧几里得距离小于等于阈值距离时，即车辆与车辆可以直接通信的情况下的车辆最大集合。同时，我们还可以获得基站处于休眠模式的时间的期望值并且研究此模型下基站是否实现了预期的节能的效果。数据结果表明，休眠调度策略显著降低了基站的能耗，达到了节能的效果。
关键词：节能；休眠策略；车载网络
1.介绍
车辆自组织网络（VANET）是由在道路上行驶的车辆和沿道路分布的基站形成的移动多跳网络，并且网络中利用多跳网络通信技术来提高每个车辆的连接概率。在传统的基于基础设施的车载网络中，信息通过沿道路分布的基站发送到每个车辆。然而，在车辆自组织网络中，只要两个车辆之间的欧几里得距离小于阈值距离，即在车辆的有效通信范围，两个车辆就可以直接互相通信。由于车辆在道路上的移动性，车辆自组织网络的拓扑结构会随时间变化，因此车辆的分簇也会随时间发生分裂与合并，簇是最大车辆集合并且车辆分簇中任意两个车辆间至少存在一个跳跃车辆。由此可见，车辆自组织网络中信息传播的过程与传统无线网络的信息传播过程不同。
假设在基于基础设施的车载网络中传输功率是线性函数，那么随着车辆数量的增加，基站所需的操作功率也将逐渐增大，所消耗的能量也逐步增加。在几乎没有车辆的夜晚，基站正常运行将会变得毫无意义并且会导致大量的能量被浪费。针对这种现象，我们采取了一个较为有效措施，即在基站周围没有车辆时就调节基站处于休眠状态，关闭其发射器和功率放大器等部分，达到节能效果。对于动态网络拓扑结构，特别是考虑道路上移动车辆间多跳通信时，基站的休眠时间表将变得难以设计。在本文设计的方案中，多跳通信使得基站只需与分簇中的某一个车辆进行通信，然后通过每个车辆分簇中车辆间的相互通信，实现分簇中所有的车辆都可以收发信息的目的。在本文中，我们的主要贡献如下：1）我们设计了一个用于一维多跳车载网的车辆统计节能模型，在模型中，我们假设基站沿道路均匀分布以简化模型；2）计算出两个相邻车辆分簇间的距离的概率分布函数（PDF）；3）计算出基站在休眠模式中的持续时间的期望值并且分析是否实现了预期的节能目的；4）研究了网络参数对节能效果的影响。
本文余下部分安排如下：第二节主要介绍相关工作与当前车辆自组织网络的背景；第三节主要构建一个系统模型用于模拟现实环境，并计算模型中的相关参数；第四节主要分析系统的能量效率；第五节讨论网络参数对节能效果的影响；最后第六节对本文进行总结，并提出未来的发展与工作。
2.相关工作
近年来，车辆自组织网络因为其拥有大量的潜在应用而获得各个行业的广泛关注，尤其是交通行业与工业领域尤为重视。其中的大多数人主要关注车辆自组织网络中车辆的连通性问题或研究相关的分簇算法，而本文作者将重点讨论车辆与车辆、车辆与基础设施间的通信情况，同时讨论车辆服从泊松分布时车辆自组织网络中一组车辆的连通概率，并研究连通概率与网络参数之间的关系。参考文献七中的作者提出了一个模型，模型里时间被分割成了若干等长的时隙，并且每个车辆仅能在每个时隙的初始时刻改变速度，时隙中其他时刻速度保持不变。文献七中作者使用队列理论计算出分簇长度的概率分布函数表达式。文献八的作者描述了一个能以最大限度地实现车载网络连通概率的最佳基站分布方案。在这个方案领域中也有很多关于基站休眠算法的研究。文献九的作者研究了一种与基站在开启状态与关闭状态之间切换有关的算法，该算法应用了在LTE-Advanced蜂窝网络中用户设备与用户设备和用户设备与基站通信的有效距离距离长度的相关知识，同时也总结了能量消耗与时间的关系。文献十的作者提出了一种在移动通信系统中基站的能量效率功率的控制策略，以提高基站发射功率的利用率。在该策略中基站监控扇形区域中节点的数量并控制其传输功率。文献十一的作者主要研究在车辆服从泊松分布且车速服从均匀分布时，基于基础设施的一维车载网络中使用基站睡眠调度策略时的能量效率。休眠调度策略中基站可以利用车辆的位置和速度信息来调节它们的休眠状态以达到节能效果。文章将使用车辆密度和速度的分布函数来研究基站预期节能的分析结果。而文献十一中的研究并未考虑车辆间的通信技术，通过采用车辆间多跳通信技术可以大大节省基站能量。本文后面将针对这一点进行详细阐述。
3.系统模型
本文考虑采用车对车和车对基础设施通信的车载网络。假设车辆的空间分布服从密度为rho;的均匀泊松过程，每辆车的车速服从相同的均匀分布且互相独立。特别的，车速V的概率分布函数为：
（1）
其中，b和a分别表示速度的最大最小值，并且假定车辆都在同一方向上。为了简化分析，我们假设车速为恒定值。
如图1所示，规定相邻的两个基站的间距为D，D的取值由实际情况决定。基站的有效通信范围是以该基站为中心，半径为D的区域内所有的点。
在本文中，我们将每个车辆分簇的行驶方向上的第一辆车称为簇头，并且每个分簇里只有簇头可以与其最近的基站直接通信，其他车辆必须通过车与车之间的多跳通信才能与基站通信，即同时有车与车和车与基础设施的通信方案。
图1 系统模型
此外，假设当有车辆分簇的簇头到达或离开基站的有效通信范围时，基站可以通过监听从簇头发送来的指示信号来检测它的位置。基站可以处于活跃模式或休眠模式。在活跃模式中，基站正常运作；而在休眠模式中，基站将关闭其发射器和放大器以节省能量。因此，当基站处于休眠模式时不能发送信号，但是可以接受其有效通信范围内的车辆发送来的检测信号。本文采用基站可以在活跃模式和休眠模式之间切换而不影响基站诸如连接性等服务质量的休眠调度策略，即当基站的有效通信范围内没有簇头或没有接收到簇头发来的指示信号时，基站就将处于休眠模式，只要在基站的有效通信范围内存在簇头，基站就会保持活跃状态。
接下来我们将介绍系统的能量消耗模型。规定Pa表示包括基站处于活跃模式时空调、信号处理、电源和功率放大器等所消耗的功率，Ps表示基站处于睡眠模式时用于发射导频信号的信号处理单元所消耗的功率。因此，当基站处于休眠状态时，所节省的功率P0=Pa-Ps。此外，假定关闭和开启基站所需能量分别为EC1和EC2，即关闭再重启基站消耗的总能量是EC=EC1 EC2。这种基站重启所带来的能量消耗将会影响基站的节能效果，因此我们需要讨论并研究在合适的时候才将基站切换到休眠模式，即P0gt;EC时才进行基站模式切换。
4.节能效果分析
在本文中，为了便于研究，我们假设车辆分布服从泊松分布。规定Y表示任意两个相邻车辆之间的欧几里得距离，X表示任意两个相邻簇头之间的欧几里得距离。由于车辆服从泊松分布，我们可以得出变量Y是车辆密度参数rho;的指数函数。定义T=，fnof;t(t)是变量T的概率分布函数。当X大于D时，T表示从当前簇头离开基站的通信范围到下一簇头进入基站的通信范围的时间段。基站通过检测到这些信息，可以使发射器和放大器关闭以节省能量并随后再接通进入活跃状态，即T也可以表示基站处于休眠模式的时长。所以，变量X的概率分布函数是计算模型节能效果的关键。
A.相邻簇头间的距离分布
根据文献七，长度为X0的车辆簇头的概率分布函数为
（2）
两个相邻簇头之间的距离X的累积分布函数是分簇长度X0和随机截断指数变量X1的和，因此当前分簇中最后一辆车与下一分簇的簇头之间的距离的概率分布函数是：
（3）
由此计算出变量X的累积分布函数为：
（4）
进而可得出变量X的概率分布函数为：
（5）
将公式（2）的结果代入公式（5）中，因为fnof;X0（X0）是分段函数，为了方便积分计算，我们将X0分成若干长度为r0的小段，定义y=x0-mr0，当x0＞2r0时，就可以得到
（6）
当r0＜x0＜2r0时，有
（7）
根据数学期望的定义，我们可以得出
（8）
B.睡眠模式的时间间隔
如上所述，如果有簇头进入或者离开基站的有效通信范围时，簇头就会向基站发送信号，因此当簇头离开基站的有效通信范围并且下一个簇头不在其通信范围中时，基站就可以关闭然后进入休眠模式，直到下一个簇头进入其通信范围。
因此，一般的基站休眠模式的时间可以定义为
（9）
显然，Toff的概率分布函数很难获得，所以我们可以计算它的期望
（10）
在下一节中，我们将研究Toff与系统参数之间的关系。
C.平均功率的节省情况
同样的，设Ton表示基站处于活跃状态的时间，则Ton可以表示为：
（11）
所以在睡眠模式下，基站节省的能量EOFF为：
（12）
若Psave表示睡眠模式下基站节省的功率，则：
（13）
将方程（9）和（11）代入（13）我们可以得到
（14）
所以，Psave的期望E[Psave]为：
（15）
由于X和D互相独立，所以我们可得出
（16）
其中，
（17）
（18）
并且有
（19）
通过上述结果我们可以得到
（20）
根据方程（20）可以看
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