一種車載通信系統(tǒng)無線資源調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種車載通信系統(tǒng)無線資源調(diào)度方法，目的在于提供一種增加車載通信系統(tǒng)整體性能，保證用戶的公平性及不同業(yè)務(wù)的用戶需求的調(diào)度方法，從而更好的提升車載系統(tǒng)中不同車速車載設(shè)備(OBU)與路邊設(shè)備(RSU)通信的公平性，確保各類車載通信業(yè)務(wù)的時(shí)延要求。包括步驟：路邊設(shè)備判斷車輛的狀態(tài)信息，獲得在激活狀態(tài)下車輛的位置信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到車載設(shè)備的速度優(yōu)先級(jí)因子；由業(yè)務(wù)類型及其服務(wù)質(zhì)量的要求獲得車載設(shè)備的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子；由車輛的位置信息得到每個(gè)車載設(shè)備和路邊設(shè)備之間的信道質(zhì)量，求得車載設(shè)備的實(shí)時(shí)傳輸速率，并通過車載設(shè)備的實(shí)時(shí)傳輸速率計(jì)算得出公平性優(yōu)先級(jí)因子；根據(jù)調(diào)度算法，由速度優(yōu)先級(jí)因子、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子、公平性優(yōu)先級(jí)因子得出車載設(shè)備的用戶優(yōu)先級(jí)，按優(yōu)先級(jí)順序傳輸數(shù)據(jù)，更新并記錄平均傳輸速率；更新車輛信息及信道信息，持續(xù)調(diào)度過程至循環(huán)終止。
【專利說明】一種車載通信系統(tǒng)無線資源調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于車載通信系統(tǒng)的無線資源調(diào)度方法，目的在于引入信道的時(shí)變特性和車輛的運(yùn)動(dòng)特性以及區(qū)分不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求，從而提高系統(tǒng)的整體吞吐量，并保證公平性；適用于車載通信系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的分組調(diào)度適用于對(duì)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，針對(duì)分組到達(dá)時(shí)間間隔和分組長度的隨機(jī)分布特點(diǎn)，從而對(duì)分組數(shù)據(jù)用戶的業(yè)務(wù)來進(jìn)行管理和調(diào)度，并由調(diào)度算法來具體決定分組傳輸?shù)捻樞蚺c可使用的比特速率。同時(shí)，因?yàn)榇嬖诓粩嘧兓臒o線信道衰落情況，需要考慮無線信道的時(shí)變特性，從而提高系統(tǒng)的效率，包括系統(tǒng)頻率分集增益、時(shí)間分集增益和多用戶分集增益。該項(xiàng)技術(shù)已成為當(dāng)今各類通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。無論是何種移動(dòng)通信系統(tǒng)，調(diào)度算法的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮用戶條件，并且兼顧到不同用戶的公平性，以及對(duì)業(yè)務(wù)的區(qū)分度的服務(wù)質(zhì)量要求要求QoS，比如分組時(shí)延和傳輸速率等。
[0003]在現(xiàn)有的車載通信系統(tǒng)中，其采用的是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中的基于競(jìng)爭(zhēng)的DCF分布式協(xié)調(diào)功能，即載波偵聽/碰撞避免CSMA/CA的方式，設(shè)計(jì)初期的目的是用于無線局域網(wǎng)等移動(dòng)性較小的環(huán)境中，具體包括載波檢測(cè)機(jī)制、幀間間隔和隨機(jī)退避流程，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上使用CSMA機(jī)制的分布接入算法，并讓每個(gè)站都通過對(duì)信道的競(jìng)爭(zhēng)來獲取發(fā)送權(quán)，而為了避免碰撞，當(dāng)所有的站完成發(fā)送后，必須繼續(xù)監(jiān)聽并等待一段時(shí)間間隔后才可發(fā)送下一幀，其中幀間間隔的長短由該站發(fā)送的幀的類型決定，高優(yōu)先級(jí)的等待時(shí)間很短，可以較快獲得發(fā)送權(quán)，而低優(yōu)先級(jí)的會(huì)被推遲發(fā)送，當(dāng)信道從忙轉(zhuǎn)為空閑時(shí)，各個(gè)站點(diǎn)就需要進(jìn)入爭(zhēng)用窗口并計(jì)算隨機(jī)退避時(shí)間后接入信道并占用信道資源，其中，IEEE 802.11使用二進(jìn)制指數(shù)退避算法。當(dāng)針對(duì)不同的車載通信業(yè)務(wù)時(shí)，采用設(shè)置不同的競(jìng)爭(zhēng)窗口參量競(jìng)爭(zhēng)窗口最小值Cffmin和競(jìng)爭(zhēng)窗口最大值CWmax的大小來加以區(qū)分，現(xiàn)有多數(shù)的針對(duì)車載通信系統(tǒng)中資源調(diào)度模式的改進(jìn)，主要都基于CSMA/CA方式，以調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口相關(guān)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置來完成。
[0004]但是對(duì)于不斷變化的車載通信無線信道的衰落，即時(shí)變的無線信道依然基于傳統(tǒng)的802.11的調(diào)度方式，則沒有充分考慮信道的具體情況，造成了整體系統(tǒng)性能的削弱，并且對(duì)于不同運(yùn)行速度的車輛間公平性因素也沒有得到充分考慮，需要考慮車輛的相對(duì)位置和運(yùn)行速度等因素，而且僅通過設(shè)置不同的競(jìng)爭(zhēng)窗長最小值和最大值來區(qū)分業(yè)務(wù)等級(jí)，這樣的設(shè)置并不能理想的保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種車載通信系統(tǒng)的調(diào)度方法，不僅可以增加系統(tǒng)整體性能，又能保證不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求，確保各類車載通信業(yè)務(wù)的時(shí)延要求，更好的提升系統(tǒng)中不同行駛速度的車載設(shè)備OBU與路邊設(shè)備RSU間通信的公平性。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種車載通信系統(tǒng)的無線資源調(diào)度方法，其特征在于包含以下步驟:[0007]I)路邊設(shè)備判斷車輛的狀態(tài)信息，獲得在激活狀態(tài)下車輛的位置信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到車載設(shè)備的速度優(yōu)先級(jí)因子；
[0008]2)由車輛的激活狀態(tài)生成其業(yè)務(wù)類型，按照業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求獲得車載設(shè)備的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子；
[0009]3)由車輛的位置信息和運(yùn)動(dòng)信息得到每個(gè)車載設(shè)備和路邊設(shè)備之間的信道質(zhì)量，求得車載設(shè)備的實(shí)時(shí)傳輸速率，并通過車載設(shè)備的實(shí)時(shí)傳輸速率計(jì)算得出公平性優(yōu)先級(jí)因子;
[0010]4)根據(jù)調(diào)度算法，由速度優(yōu)先級(jí)因子、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子、公平性優(yōu)先級(jí)因子得出車載設(shè)備的用戶優(yōu)先級(jí)，按優(yōu)先級(jí)順序傳輸數(shù)據(jù)，更新并記錄平均傳輸速率；
[0011]5)更新車輛信息及信道信息，持續(xù)調(diào)度過程至循環(huán)終止。
[0012]本發(fā)明的方法還包括一個(gè)步驟:當(dāng)接入車載通信網(wǎng)絡(luò)的車載設(shè)備即用戶離開路邊設(shè)備的覆蓋范圍時(shí)，則注銷該用戶狀態(tài)為0，取消反饋該無線鏈路下的信道條件，無需計(jì)算該用戶的優(yōu)先級(jí)，減少運(yùn)算量，如果判斷仍在該覆蓋范圍內(nèi)，則該用戶仍為激活狀態(tài)I。
[0013]結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的車載通信系統(tǒng)調(diào)度方法整體流程圖；
[0015]圖2是不同車速車輛運(yùn)行公平性示意圖；
[0016]圖3是車載系統(tǒng)調(diào)度算法與CSMA/CA性能比較圖；
[0017]圖4是車載調(diào)度算法下各業(yè)務(wù)的性能圖；
[0018]圖5是公平性性能比較圖；
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面將對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1是本發(fā)明的車載通信系統(tǒng)調(diào)度方法整體流程圖流程。該流程開始于步驟S101，將RSU的位置、發(fā)送功率P、高度、位置、覆蓋范圍等設(shè)定好，生成OBU數(shù)目K，同時(shí)設(shè)定仿真總時(shí)隙數(shù)即為循環(huán)迭代總次數(shù)N，噪聲功率σ，信道帶寬W。
[0020]然后，在步驟S102，根據(jù)車載設(shè)備初始數(shù)目K隨機(jī)生成運(yùn)動(dòng)模型，具體包括在路邊單元覆蓋范圍內(nèi)的位置，包括X軸和y軸兩個(gè)分量，車載設(shè)備的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向:正向與反向，以及車載設(shè)備的運(yùn)動(dòng)速度V，初始化車載設(shè)備為激活狀態(tài)；根據(jù)位置信息得出并存儲(chǔ)車載設(shè)備與路邊單元的相對(duì)距離D用于S104進(jìn)行無線信道大尺度衰落路徑損耗的估計(jì)，為了確保不同車速的用戶在同一區(qū)域內(nèi)獲得相對(duì)一致的服務(wù)量，引入了速度優(yōu)先級(jí)因子Vi，為了避免速度優(yōu)先級(jí)因子所占比重過大，設(shè)定Vi = 1g(V)，計(jì)算并保存車載設(shè)備的速度優(yōu)先級(jí)因子V = 1g(V)用于調(diào)度算法S106中優(yōu)先級(jí)的計(jì)算。
[0021]在步驟S103，由業(yè)務(wù)類型及其服務(wù)質(zhì)量的要求獲得車載設(shè)備的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子。首先根據(jù)車載設(shè)備的激活狀態(tài)與否隨機(jī)生成不同的業(yè)務(wù)類型，結(jié)合實(shí)際的車載通信業(yè)務(wù)需求分別設(shè)置三類車載的業(yè)務(wù)應(yīng)用Voice、Video、Best effort所能容忍的最大時(shí)延τ為80ms、280ms和5000ms，設(shè)置三類業(yè)務(wù)應(yīng)用可容忍的最大超時(shí)分組比例δ為0.01，0.01，0.01，根據(jù)服務(wù)質(zhì)量要求分別計(jì)算全部車載設(shè)備的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子，其中第k個(gè)車載設(shè)備的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子為ak = _log( δ k)/ τ k ;同時(shí)為每個(gè)車載設(shè)備用戶設(shè)置業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，記錄每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存區(qū)隊(duì)頭時(shí)延，當(dāng)某一用戶被調(diào)度后則去掉其緩存區(qū)數(shù)組隊(duì)首，后面緩存區(qū)隊(duì)列的數(shù)據(jù)前向賦值。
[0022]完成上述步驟后，開始步驟S104，結(jié)合S102獲得的路邊設(shè)備和車載設(shè)備RSU-OBU
的相對(duì)距離D，算出大尺度衰落的路徑損耗模型為2次方衰減信道H1，即Hl 6，隨機(jī)
生成信道的小尺度瑞利衰落為Η2，即可得到每個(gè)車載設(shè)備收到的路邊設(shè)備的信號(hào)功率為P.Hlk.|H2k|2，得出信噪比SNR后代入信道容量公式即可得S105步驟中的用戶k的瞬時(shí)傳輸速率，即rk = W.log2(l+SNRk)，其中 SNRk = P.Hlk.H2k|2/o，σ 為噪聲功率，W 為信道帶寬，初始化時(shí)全部車載設(shè)備的平均傳輸速率Rk為1，算出用戶k的公平性優(yōu)先級(jí)因子
為
【權(quán)利要求】
1.一種車載通信系統(tǒng)的無線資源調(diào)度方法，其特征在于包含以下步驟: 1)路邊設(shè)備判斷車輛的狀態(tài)信息，獲得在激活狀態(tài)下車輛的位置信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到車載設(shè)備的速度優(yōu)先級(jí)因子； 2)由業(yè)務(wù)類型及其服務(wù)質(zhì)量的要求獲得車載設(shè)備的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子； 3)由車輛的位置信息得到每個(gè)車載設(shè)備和路邊設(shè)備之間的信道質(zhì)量，求得車載設(shè)備的實(shí)時(shí)傳輸速率，并通過車載設(shè)備的實(shí)時(shí)傳輸速率計(jì)算得出公平性優(yōu)先級(jí)因子； 4)根據(jù)調(diào)度算法，由速度優(yōu)先級(jí)因子、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子、公平性優(yōu)先級(jí)因子得出車載設(shè)備的用戶優(yōu)先級(jí)，按優(yōu)先級(jí)順序傳輸數(shù)據(jù)，更新并記錄平均傳輸速率； 5)更新車輛信息及信道信息，持續(xù)調(diào)度過程至循環(huán)終止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于路邊設(shè)備判斷車輛的狀態(tài)信息，獲得在激活狀態(tài)下車輛的位置信息和運(yùn)動(dòng)信息，得到車載設(shè)備的速度優(yōu)先級(jí)因子的步驟包括以下步驟: 1)根據(jù)車載設(shè)備初始數(shù)目K隨機(jī)生成運(yùn)動(dòng)模型，具體包括在路邊設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)的位置:包括X軸和y軸兩個(gè)分量，車載設(shè)備的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向:正向與反向，以及車載設(shè)備的運(yùn)動(dòng)速度V，初始化車載設(shè) 備為激活狀態(tài)； 2)根據(jù)2)得出的位置信息計(jì)算并存儲(chǔ)車載設(shè)備與路邊設(shè)備的相對(duì)距離D，用于進(jìn)行無線信道大尺度衰落估計(jì)，同時(shí)計(jì)算并保存車載設(shè)備的速度優(yōu)先級(jí)因子V = log(v)應(yīng)用于調(diào)度算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于由業(yè)務(wù)類型及其服務(wù)質(zhì)量的要求獲得車載設(shè)備的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子的步驟如下: 1)根據(jù)車載設(shè)備的激活狀態(tài)隨機(jī)生成不同的業(yè)務(wù)類型，結(jié)合實(shí)際的車載通信業(yè)務(wù)需求分別設(shè)置三類車載的業(yè)務(wù)應(yīng)用Voice、Video、Best effort所能容忍的最大時(shí)延τ為80ms、280ms和5000ms，設(shè)置三類業(yè)務(wù)應(yīng)用可容忍的最大超時(shí)分組比例δ為0.01，0.01，0.01，根據(jù)服務(wù)質(zhì)量要求分別計(jì)算全部車載設(shè)備的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子用于調(diào)度算法計(jì)算優(yōu)先級(jí)順序，即有第k個(gè)車載設(shè)備的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子為ak = -log(5 k) / τ k ; 2)為每個(gè)車載設(shè)備用戶設(shè)置業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，記錄每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存區(qū)隊(duì)頭時(shí)延，當(dāng)某一用戶被調(diào)度后則去掉其緩沖區(qū)數(shù)組隊(duì)首，后面緩存區(qū)隊(duì)列的數(shù)據(jù)前向賦值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于由車輛的位置信息得到每個(gè)車載設(shè)備和路邊設(shè)備之間的信道質(zhì)量，求得車載設(shè)備的實(shí)時(shí)傳輸速率，并通過車載設(shè)備的實(shí)時(shí)傳輸速率計(jì)算得出公平性優(yōu)先級(jí)因子的步驟如下: 1)結(jié)合獲得的路邊設(shè)備和車載設(shè)備的相對(duì)距離D，算出大尺度衰落的路損模型為2次方衰減信道HlJPffi K 2)隨機(jī)生成信道的小尺度瑞利衰落為H2，即可得到每個(gè)車載設(shè)備收到的路邊設(shè)備的信號(hào)功率為P.Hlk.|H2k|2，得出信噪比SNR后代入信道容量公式即可得用戶k的瞬時(shí)傳輸速率，即 rk = W.1g2 (l+SNRk);其中 SNRk = P.Hlk.| H2k |2/ σ，σ 為噪聲功率，ff 為信道帶寬，初始化時(shí)全部車載設(shè)備的平均傳輸速率Rk為1，算出用戶k的公平性優(yōu)先級(jí)因子為Λ =?用于調(diào)度算法的計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于根據(jù)調(diào)度算法，由速度優(yōu)先級(jí)因子、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子、公平性優(yōu)先級(jí)因子得出車載設(shè)備的用戶優(yōu)先級(jí)，按優(yōu)先級(jí)順序傳輸數(shù)據(jù)，更新并記錄平均傳輸速率的步驟如下: 1)根據(jù)調(diào)度算法，對(duì)于第η個(gè)調(diào)度單元將速度優(yōu)先級(jí)因子、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)因子、公平性優(yōu)先級(jí)因子帶入下式，即得用戶i在第η個(gè)調(diào)度單元中的優(yōu)先級(jí)為Qi,n = a,,n ^fi,n-Vi,η,則信道的調(diào)度目標(biāo)即為J = argmax (Qi, J，得到用戶的優(yōu)先級(jí)順序后，再依次按照時(shí)分多址TDMA的方式分配時(shí)隙，完成數(shù)據(jù)傳遞； 2)然后根據(jù)更新公式對(duì)平均傳輸速率進(jìn)行更新
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于更新車輛信息和信道信息，持續(xù)調(diào)度過程至循環(huán)終止的步驟如下: 1)在迭代過程中，每次經(jīng)過調(diào)度單元的循環(huán)后，重新計(jì)算每個(gè)車載設(shè)備與路邊設(shè)備的相對(duì)位置，判斷車載設(shè)備是否仍在路邊設(shè)備的覆蓋范圍內(nèi)，若不在覆蓋范圍內(nèi)則置該車載設(shè)備為注銷狀態(tài)，則無需對(duì)該車輛的業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度，若在覆蓋范圍內(nèi)則仍為激活狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)度，并更新車輛信息和信道信息； 2)調(diào)度算法迭代時(shí)，判斷是否到達(dá)迭代次數(shù)N，到達(dá)迭代次數(shù)或者全部車輛均為注銷狀態(tài)時(shí)結(jié)束調(diào)度過程則結(jié)束循環(huán)；通過所記錄的平均傳輸速率和存儲(chǔ)的時(shí)延數(shù)組，計(jì)算得出系統(tǒng)總的吞吐量和各業(yè)務(wù)的時(shí)延分布曲線及公平指數(shù)，其計(jì)算式為通常采用的Raj Jain公平指數(shù):
【文檔編號(hào)】H04W72/12GK103458523SQ201210177189
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月1日
【發(fā)明者】程翔, 宋林, 張榮慶, 焦秉立 申請(qǐng)人:北京大學(xué)