一種基于交通流動態(tài)分組的lte-d2d車聯(lián)網(wǎng)資源分配方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于交通流特征的動態(tài)分組資源分配方法，首先把V2V通信鏈路分為兩種類型，一種是交通安全類，另一種是休閑娛樂類；再根據(jù)具體的交通流特征選擇合適的分組數(shù)m值，分別對兩種類型的V2V通信鏈路分組；然后在保證蜂窩用戶自身通信質(zhì)量的前提下，選擇所對應(yīng)通信容量效用值最大的蜂窩用戶資源分配給V2V鏈路，每組內(nèi)V2V通信鏈路復用相同的蜂窩用戶資源。從仿真結(jié)果可以看出，本發(fā)明的方法雖然在通信容量效用值、成功獲取通信資源的V2V鏈路數(shù)量上不及貪婪算法，但是比起隨機分配算法還是有很大優(yōu)勢；此外，本發(fā)明的方法在運行時間與頻譜效率上，要明顯優(yōu)于貪婪分配算法與隨機分配算法，而這兩個性能指標對于復雜多變的V2V通信鏈路環(huán)境和現(xiàn)如今頻譜資源匱乏狀態(tài)顯得尤為重要。
【專利說明】
-種基于交通流動態(tài)分組的LTE-D2D車聯(lián)網(wǎng)資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及車輛通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于交通流動態(tài)分組的LTE-D2D車 聯(lián)網(wǎng)資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 車聯(lián)網(wǎng)主要是指利用先進的傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)W及計算機技術(shù)，對道路信息 W及交通信息進行全方位的感知，并且實現(xiàn)多個系統(tǒng)之間或者是多個用戶之間的數(shù)據(jù)信息 交互與共享服務(wù)，從而解決人、車與道路等之間的協(xié)同交互問題，并且同時能夠提供W交通 效率與交通安全為主的網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用服務(wù)。無線通信技術(shù)是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用W及實現(xiàn)的基礎(chǔ)。目 前應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)通信當中的主要技術(shù)有基于IE邸802. Ilp的VANET技術(shù)W及基于LTE的復用 通信技術(shù)，其中VANET是一種移動自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Ad-hoc)，它主要是通過分配專用的通信 頻段用于車輛互聯(lián)通信，每個支持該技術(shù)的車輛都可W通過車載單元在專用頻段上進行車 輛與車輛之間的通信(V2V) W及車輛與路側(cè)單元之間的通信(V2I)，而其中的路側(cè)單元與主 干網(wǎng)絡(luò)相連，從而每個車輛節(jié)點所獲得全方位的感知信息可W通過路側(cè)單元向更廣范圍內(nèi) 的車節(jié)點或者用戶進行傳遞;而LTE是由3GPP組織所制定的通用移動通信系統(tǒng)技術(shù)標準的 長期演進，LTE系統(tǒng)引入了 (FDM等關(guān)鍵技術(shù)，在頻譜效率W及數(shù)據(jù)傳輸速率上有了顯著的提 高，系統(tǒng)容量W及覆蓋面也得到了顯著提升。此外，與W前的移動通信系統(tǒng)相比，LTE系統(tǒng)的 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架更加扁平化、簡單化，減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點W及系統(tǒng)的復雜度，從而減少了系統(tǒng)時延， 同時也減低了網(wǎng)絡(luò)的部署和維護成本。
[0003] 在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，任何兩個用戶要想實現(xiàn)通信，都必須要經(jīng)過基站 的中轉(zhuǎn)來完成，即使兩個用戶相距較近也須如此。而隨著小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)量的增加、通信業(yè)務(wù) 的增長，會使得基站的負載增大、頻譜資源不足W及蜂窩用戶的容量降低等。如果相距較近 的兩個用戶可W不通過基站的中轉(zhuǎn)，直接通信那可能會帶來使得基站的負載減少等優(yōu)點， 基于此，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信引入D2D通信技術(shù)的想法隨之產(chǎn)生。D2D通信并不是一種新的技術(shù)， 它僅是一種通信模式，比如較早就廣泛使用的藍牙技術(shù)等。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技 術(shù)，在系統(tǒng)的控制下，允許設(shè)備之間通過復用小區(qū)資源直接進行通信看，而不再需要通過基 站的中轉(zhuǎn)，因此在一定程度上可W減羥基站的負載，同時也能夠在提高系統(tǒng)頻譜效率、系統(tǒng) 容量等方面帶來一些有益的影響。D2D通信有=種模式:①、蜂窩模式:D2D用戶間相距超出 一定闊值范圍，還是得通過基站轉(zhuǎn)發(fā)的通信模式。②、正交模式:D2D用戶的通信資源和蜂窩 用戶的通信資源相互正交，即它們之間的通信沒有同頻干擾存在。③、復用模式:D2D用戶通 過對蜂窩用戶資源的復用來進行通信，此時，它們之間的通信會有同頻干擾存在。
[0004] 現(xiàn)在，V2V通信已經(jīng)吸引了專家學者們的廣泛關(guān)注，并且也激發(fā)了他們的研究興 趣。其中，用于車與車之間的通信技術(shù)已經(jīng)被廣泛研究，比如車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET)技術(shù) W及對蜂窩資源進行復用通信等技術(shù)的提出與研究?，F(xiàn)在應(yīng)用于車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(VAWT) 中的MAC協(xié)議主要是基于載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測技術(shù)(CSMA/CD)的IE邸802.1 Ip協(xié)議。 而基于IE邸802. Ilp的VANET技術(shù)與基于蜂窩資源復用的D2D通信技術(shù)有著很大的不同。雖 然IEEE802.1Ip協(xié)議符合智能交通系統(tǒng)中的VANET的相關(guān)應(yīng)用要求，但是由于路側(cè)單元基礎(chǔ) 設(shè)施不能進行廣泛而滲透性地部署，因而其應(yīng)用范圍是很有限的，此外，車與路側(cè)單元基礎(chǔ) 設(shè)施之間的鏈路通信是短暫的、間歇性的。在實際交通應(yīng)用中，即使是車與車之間的通信 (V2V)采用專用短程通信技術(shù)(DSRC)也不能很好地保證其可靠性與有效性。相反，如果車與 車之間能夠復用蜂窩用戶資源進行通信，將帶來一些好處。LTE具有時延較小、傳輸速度快 等優(yōu)點，而且由于現(xiàn)有移動通信基站的廣泛部署，使得他們的覆蓋面積廣W及不需要再重 新部署路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施單元，從而其成本相對較低。當蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源被復用應(yīng)用于車與車互 聯(lián)通信中的時候，運就要求蜂窩通信系統(tǒng)要有更多的頻譜資源、更高的系統(tǒng)容量W及更好 的信道質(zhì)量等。在蜂窩系統(tǒng)中引入D2D通信，其主要的目的是為了提高頻譜利用率與系統(tǒng)的 容量。D2D通信是指用戶與用戶之間直接進行信息的交互而不需要經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，運樣能 夠增加用戶之間的傳輸速率并且使得基站的負載得到減輕，同時使得系統(tǒng)容量也得到了提 升，此外由于不需要基站的中轉(zhuǎn)，還能夠減少用戶之間的傳輸時延。
[0005] 支持D2D通信的用戶通過復用蜂窩用戶的資源進行直接通信，包括對上行鏈路資 源的復用與下行鏈路資源的復用?，F(xiàn)在已提出的資源分配算法，主要都是采用集中控制的 方式。在資源分配的過程中，遵循蜂窩用戶的優(yōu)先級高于D2D通信用戶的原則，即先給蜂窩 用戶分配合適的資源，然后在保證蜂窩用戶通信質(zhì)量的前提下，去考慮D2D用戶通信資源復 用的問題。現(xiàn)在基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的D2D通信的資源分配問題已經(jīng)進行了相應(yīng)的研究，然而現(xiàn)存 的研究僅是考慮靜態(tài)的場景，即蜂窩用戶與D2D通信用戶給定的情況下，怎么優(yōu)化資源的分 配使得整個系統(tǒng)的干擾值盡可能的小、容量盡可能的大。D2D通信可W復用蜂窩用戶上行鏈 路資源也可W復用其下行鏈路資源，由于不同的復用情況下，干擾的來源和大小也會有所 不同。為了最大化系統(tǒng)容量，并考慮到基站對來自D2D發(fā)射端的干擾的控制能力較強，大多 數(shù)研究都采用D2D用戶復用蜂窩上行資源，并在此前提下研究最佳的資源復用方案?，F(xiàn)有無 線資源分配技術(shù)主要是基于一種靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下所得出的，即在所考慮的場景中，D2D用 戶的數(shù)量、蜂窩用戶的數(shù)量等大都是假設(shè)沒有變化的或者變化很小的，同時也沒有對D2D用 戶的資源復用時間長短問題進行考慮，而復用時間的長短問題將對整個蜂窩資源的復用效 率產(chǎn)生較大的影響。常見的資源分配算法有遍歷算法、貪婪算法等。遍歷算法是W遍歷系統(tǒng) 所有解方式求得系統(tǒng)容量最大值，分配資源，該算法需要獲得系統(tǒng)內(nèi)所有用戶信道質(zhì)量W 及干擾大小，同時迭代次數(shù)非常多，算法性能較差;貪婪算法是依次為D2D分配無線資源，選 擇干擾最小的蜂窩用戶復用資源，該算法求出的結(jié)果滿足局部最大化，但是算法復雜度比 遍歷算法復雜度低。
[0006] 現(xiàn)有D2D無線資源分配技術(shù)主要是基于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境進行的研究，而對動態(tài) 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境考慮較少，不如網(wǎng)絡(luò)中的通信用戶數(shù)量的動態(tài)變化W及D2D用戶的復用時間長短 等問題考慮甚少。而車與車(V2V)之間的通信的問題是一個高動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，因而現(xiàn) 有技術(shù)不能很好的應(yīng)用于該問題當中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于對基于LTE的V2V(VeMcle-t0-VeMcle)通信資源分配問題進 行研究，設(shè)計一種基于交通流動態(tài)分組的LTE-D2D車聯(lián)網(wǎng)資源分配方法，在實現(xiàn)V2V通信的 情況下，盡可能的提高頻譜資源利用率，同時使得更多的V2V鏈路能夠得到無線頻譜通信資 源。
[0008] 為達上述目的，本發(fā)明通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0009] -種基于交通流動態(tài)分組的LTE-D2D車聯(lián)網(wǎng)資源分配方法，所述方法包括:在每一 個資源調(diào)度時隙內(nèi)，首先按照通信的類型，把所有V2V通信鏈路分為兩個類型：交通安全類 和休閑娛樂類，分別用集合Cl和集合C2來表示;然后獲取車輛速度，根據(jù)所述速度判斷當前 交通流形態(tài)，根據(jù)不同的交通流形態(tài)自適應(yīng)地選擇合適的分組數(shù)m值;利用所述m值對V2V通 信鏈路進行分組處理;分組之后，給每組V2V通信鏈路分配通信資源，在保證蜂窩用戶自身 通信質(zhì)量的前提下，選擇所對應(yīng)通信容量效用值最大的蜂窩用戶資源分配給V2V鏈路，同一 組內(nèi)的V2V通信鏈路復用相同的蜂窩用戶資源。
[0010] 進一步地，所述給每組V2V通信鏈路分配通信資源，具體為:某組中共有k個V2V通 信鏈路，基站通過預(yù)測得到它們對資源使用的時間長度依次為tl，t2，t3. . .tk，每個V2V通信 用戶的復用效用值為Ux，xG {1,2,3. . .k}:
[0011]
[0012]
[OOU]其中，&為V2V鏈路滿足通信要求的干擾口限值，SINRix為第X個V2V通信鏈路復用 第i個蜂窩用戶資源后的信干噪比值;Px為第X個V2V通信鏈路的發(fā)射端功率值大小，gxx為第 X個V2V鏈路本身的信道增益大小，Pj為同一組內(nèi)其他V2V鏈路的發(fā)射功率值大小，扣X為第j 個V2V用戶與第X個V2V用戶之間的信道增益大小，No為加性高斯白噪聲功率值大小;通過基 站所得到的每個V2V通信鏈路對蜂窩資源復用的時間，求出某組對不同蜂窩資源復用后的 通信容量效用值化：
[0014]
[001 引其中，iG{l，2,3 ...I Cavailable I }，tmax - ITiaX . .tk} ,Cavailable是可用來被 V2V通信復用的蜂窩用戶集合，最終把通信容量效用最大值所對應(yīng)的蜂窩資源分配給該組。
[0016] 進一步地，所述可用來被V2V通信鏈路復用的蜂窩用戶必須要滿足W下條件：
[0017]
[0018] 其中，|3〇為蜂窩用戶的干擾口限值，口〇為蜂窩用戶的發(fā)射功率值，旨8[為所對應(yīng)蜂窩 用戶到基站的信道增益大小，W為所對應(yīng)組內(nèi)的所有V2V用戶對被復用蜂窩用戶通信總的干 擾值，No為加性高斯白噪聲的功率值大小。
[0019] 進一步地，所述分組數(shù)m值的選取與V2V鏈路通信申請數(shù)量成正相關(guān)。
[0020] 進一步地，當V2V鏈路的數(shù)量小于50時，分組數(shù)m值選擇3;當V2V鏈路的數(shù)量為50到 80之間時，m值選擇6;而當V2V鏈路數(shù)量為80到120之間時，m值選擇9。
[0021 ] 進一步地，當交通流形態(tài)為飽和交通流時，分組數(shù)m值選擇9;當交通流形態(tài)為非飽 和交通流時，分組數(shù)m值選擇6;當交通流形態(tài)為稀疏交通流時，分組數(shù)m值選擇3。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的基于交通流動態(tài)分組的LTE-D2D車聯(lián)網(wǎng)資源分配 方法應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)中車與車(V2V)之間、車與基站(V2I)之間的信息傳輸與共享，通過LTE- D2D技術(shù)來搭建車聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，然后通過本發(fā)明所提出的動態(tài)資源分配技術(shù)，結(jié)合交通流特 征，動態(tài)自適應(yīng)性地給各對車與車(V2V)、車與基站(V2I)通信鏈路分配適當?shù)腖TE資源，使 得車與車(V2V)之間通過復用蜂窩用戶的資源來進行復用通信，從而達到降低基站負載、提 高資源利用率W及系統(tǒng)通信容量的效果。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的方法所針對的車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；
[0024] 圖2是V2V鏈路分組過程示意圖；
[0025] 圖3是分組數(shù)m值對系統(tǒng)的影響；
[0026] 圖4是不同算法下V2V鏈路通信容量效用值與Ad之間的關(guān)系；
[0027] 圖5是不同算法下成功獲取資源的V2V鏈路數(shù)量與Ad之間的關(guān)系；
[0028] 圖6是不同算法的運行時間與Ad之間的關(guān)系；
[0029] 圖7是頻譜效率值與Ad之間的關(guān)系。 具體實施方案
[0030] 下面通過【具體實施方式】結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0031] 本發(fā)明所考慮的場景是單小區(qū)場景，如附圖1所示，其中基站BS位于小區(qū)中屯、，蜂 窩用戶隨機分布在該小區(qū)范圍內(nèi)，一條徑直的道路通過該基站所覆蓋的區(qū)域，車輛W-定 的速度在該道路上行駛，假設(shè)該道路為單向車道。設(shè)該小區(qū)的半徑為R.基站到道路的垂直 距離為D，道路在該小區(qū)覆蓋區(qū)域的長度用L表示，可得L=2Di，其中
[0032] 在該系統(tǒng)模型中，V2V鏈路向基站申請通信資源是一個動態(tài)的過程，假設(shè)其服從泊 松分布。假設(shè)基站與每個用戶都裝配有全向天線，且每個用戶都裝有GPS設(shè)備，他們能夠通 過該設(shè)備得到自己的位置信息，同時基站能夠通過運些信息計算出用戶之間的距離大小。 基站控制著整個小區(qū)內(nèi)通信資源的分配，基本的通信資源分配單元為一個物理資源塊 (PRB)。道路上相鄰較近的兩個車輛之間的通信鏈路稱為V2V鏈路，它們通過對蜂窩用戶的 資源進行復用通信，V2V鏈路能夠?qū)Ψ涓C用戶的上行資源進行復用，也可W對其下行資源進 行復用，本發(fā)明考慮對上行資源復用的情況，此外不相鄰車輛之間的多跳復用通信暫時不 在本發(fā)明考慮范圍之內(nèi)。一個物理資源塊(PRB)只能分配給一個蜂窩用戶使用，但是在保證 蜂窩用戶通信質(zhì)量的前提下，一個物理資源塊(PRB)可W被盡可能多的V2V鏈路復用。此外， 本發(fā)明僅考慮小區(qū)內(nèi)的干擾，小區(qū)間的干擾可W通過適當?shù)墓β士刂萍夹g(shù)與資源調(diào)度技術(shù) 得到有效地控制。小區(qū)內(nèi)的干擾主要包括:①、蜂窩用戶到V2V鏈路接收端之間的干擾。②、 V2V鏈路發(fā)送端到基站之間的干擾。③、V2V鏈路發(fā)送端到復用相同蜂窩資源的V2V鏈路接收 端之間的干擾。
[0033] 在上述信道模型中，基站與用戶之間僅考慮基于距離的大尺度路徑損耗，而用戶 之間僅考慮斜坡路徑損耗。對于蜂窩通信鏈路，基站BS與用戶C之間的信道增益可W用下式 表不：
[0034]
(1)
[0035] LB,c = 128.1+37.61og2dB,c (2)
[0036] 其中，Lb,C為基站與蜂窩用戶或者V2V鏈路發(fā)射端之間的大尺度路徑損耗，dB,C為基 站到它們之間的距離大小，單位為km。對于用戶之間的通信鏈路，信道增益可W用下式表 示：
[0037] G(d)=kcT (3)
[003引其中，d為兩個用戶之間的距離大小，a為路徑損耗指數(shù)，k為一個常量系數(shù)。
[0039] 下面將對V2V用戶進行分組處理，而每組中的V2V用戶將對同一個蜂窩用戶資源進 行復用，盡可能地使得更多的V2V用戶獲得通信資源、盡可能地提高資源利用率。與此同時， 必須要對它們之間的干擾進行優(yōu)化控制，把干擾控制在一定范圍內(nèi)，使得V2V完成信息的傳 輸與共享。
[0040] 因為V2V鏈路的通信資源是通過復用蜂窩用戶資源而得到的，所W勢必會給整個 系統(tǒng)帶來相應(yīng)的干擾。蜂窩用戶資源被V2V鏈路復用的前提是保證自己的通信不會受到致 命的影響，因而可W用來被V2V鏈路復用的蜂窩資源其實是很有限的。如果每個蜂窩用戶的 資源只能被一個V2V通信鏈路復用，那么必定很難滿足運么多V2V鏈路的通信申請要求的， 運就要求在保證蜂窩用戶通信質(zhì)量的前提下，一個蜂窩用戶資源可W盡可能地被多個V2V 通信鏈路復用。為了盡可能地限制復用相同資源V2V通信鏈路之間的干擾，就應(yīng)該把它們盡 可能地分開，使得它們之間的距離盡可能的遠。在傳統(tǒng)基于LTE的D2D通信場景中，要想使得 一個小區(qū)內(nèi)D2D通信鏈路按照地理位置信息盡可能地分開來是很難做到的一件事情，因為 D2D通信鏈路是隨機地分布在小區(qū)內(nèi)；而V2V通信鏈路不同，在本發(fā)明所考慮的模型中，它們 都是位于道路上，而道路總是W-定寬度從基站所覆蓋的小區(qū)中穿梭而過，運就為較準確 地得到車輛位置信息提供了很大的便利，也使得復用相同資源的V2V通信鏈路盡可能地分 開來成為可能。
[0041] 采用對V2V通信鏈路分組的方式來達成W上任務(wù)，即每一組內(nèi)的所有V2V鏈路將對 同一蜂窩用戶資源進行復用，并且把每組內(nèi)的V2V鏈路盡可能地稀疏開來，W減少它們之間 的干擾。本發(fā)明考慮兩類V2V通信用戶，即交通安全類與休閑娛樂類，分別用集合Cl與集合C2 來表示。交通安全類通信的優(yōu)先級要高于休閑娛樂類通信的優(yōu)先級，即集合Cl中的用戶先 于集合C2中的用戶分配資源。
[0042] 為了更好地說明，假設(shè)所分得的組數(shù)為m，每一個V2V鏈路向基站申請通信資源時， 基站通過它們的地理位置信息W及先后申請的順序，給每一個申請通信資源的V2V鏈路分 配一個序號。假設(shè)該序號為i，則可通過取余運算得到它所對應(yīng)的組號。若所對應(yīng)鏈路為交 通安全類，則它的組號為mod(i，m)+l;若所對應(yīng)鏈路為休閑娛樂類，則它的組號為mod(i，m) +m+1。相應(yīng)地序號為i+1的V2V鏈路的組號為mod(i+l，m)+l或者mod(i+l，m)+m+l。通過運樣 分組之后，分配相同通信資源的V2V鏈路都分散開來，使得它們之間的干擾得到了較好的抑 審IJ。附圖2表示V2V鏈路的分組過程，附圖2所示分組數(shù)量m值為3,其中黑色的點表示第1組中 的V2V通信鏈路，灰色的點表示第2組中的V2V通信鏈路，白色的點表示第3組中的V2V通信鏈 路，而1，2，3. . . 9為基站給相應(yīng)V2V通信鏈路所分配的序號值。
[0043] 下面將對本發(fā)明所設(shè)計的資源選擇策略W及V2V鏈路分組數(shù)m值對系統(tǒng)性能的影 響進行了介紹與分析，最后對本發(fā)明所提出的基于交通流特征的動態(tài)分組資源分配機制進 行介紹。
[0044] 在對所有申請無線資源通信的V2V鏈路分好組之后，基站就按照一定的資源分配 算法給每一組分配相應(yīng)的資源，假設(shè)V2V鏈路提出無線資源分配申請是一個泊松到達的過 程。不失一般性，僅對某一個調(diào)度周期內(nèi)的某一組用戶的資源選擇進行具體討論。對于一個 實際的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)而言，移動通信用戶進入某一個小區(qū)或者離開某一個小區(qū)都是一 種隨機動態(tài)的過程，相應(yīng)地它們待在小區(qū)內(nèi)申請通信資源發(fā)起呼叫請求也是一種隨機動態(tài) 的過程，因而每個V2V用戶占用無線通信資源的時間也不盡相同，很顯然每個V2V用戶所占 用資源時間的長短將對資源的利用效率產(chǎn)生很重要的影響。不妨假設(shè)基站可W對每個V2V 用戶對蜂窩用戶資源的復用時間長短進行預(yù)測:對于語音信號的傳輸，假設(shè)其對資源復用 時間的長短服從均值為y的指數(shù)分布;而對于數(shù)據(jù)信息的傳輸，可W通過傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量 的大小除W通信速率得到，用數(shù)學式子表示為s/r，其中S為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量大小，r為 一個資源塊可W達到的最大速率值。為了保證蜂窩用戶通信不至于受到毀滅性的影響，在 V2V用戶進行資源復用的時候，首先必須要保證被復用蜂窩用戶的通信質(zhì)量。設(shè)蜂窩用戶的 干擾口限値為階，則可W用來被V2V通信鏈路復用的蜂窩用戶必須要滿足W下條件：
[0045]
(4)
[0046] 其中，PO為蜂窩用戶的發(fā)射功率值，gBC為所對應(yīng)蜂窩用戶到基站的信道增益大小， W為所對應(yīng)組內(nèi)的所有V2V用戶對被復用蜂窩用戶通信總的干擾值，No為加性高斯白噪聲的 功率值大小，假設(shè)得到可W用來被V2V通信復用的蜂窩用戶集合為Cavailableo
[0047] 不妨假設(shè)所討論的組中一共有k個V2V通信鏈路，基站通過預(yù)測得到它們對資源使 用的時間長度依次為ti，t2，t3.. .tk，此外定義每個V2V通信用戶的復用效用值為Ux，xG{l, 2,3...k}，用下式表示為：
[004引 巧） 「1 佩
[0049]
[0050] 其中，&為V2V鏈路滿足通信要求的干擾口限值，SINRix為第X個V2V通信鏈路復用 第i個蜂窩用戶資源后的信干噪比值;Px為第X個V2V通信鏈路的發(fā)射端功率值大小，gxx為第 X個V2V鏈路本身的信道增益大小，Pj為同一組內(nèi)其他V2V鏈路的發(fā)射功率值大小，gjx為第j 個V2V用戶與第X個V2V用戶之間的信道增益大小，No為加性高斯白噪聲功率值大小。此外， 通過基站所得到的每個V2V通信鏈路對蜂窩資源復用的時間，求出某組對不同蜂窩資源復 用后的通信容量效用値化：
[0化。
（7)
[0化^ 其中，1￡{1,2,3..」〔3￥3：1131)16|},1111331二1]1日又{11,12,13...如},巧終把通{曰谷里效用 最大值所對府的幢窩咨源A配鉛該組，完成該組V2V鏈路通信資源的選擇，即最終所選擇的 蜂窩資源；
[0053]針對m值的選取問題，不失一般性，本發(fā)明對某組中的V2V鏈路總和通信容量效用 值與m值選取之間的關(guān)系進行了仿真實驗，仿真參數(shù)如表4所示。通過適當m值的選取后，在 保證一定的通信質(zhì)量的前提下，盡可能地提高頻譜利用效率。在仿真實驗中，假設(shè)V2V通信 鏈路數(shù)在1到400之間變化，而分組數(shù)m值為3到30之間變化，得到的仿真結(jié)果如附圖3所示。
[0054] 從仿真實驗結(jié)果可W看出，在所分的組數(shù)不多的情況下，隨著V2V鏈路數(shù)量的增 多，總的通信容量效用值較早地就達到了最大值，而后再隨著V2V鏈路數(shù)量的增加，其值很 快就降低了；而在所分的組數(shù)較多的情況下，隨著V2V鏈路數(shù)量的增加，總的通信容量效用 值較晚才達到最大值，隨后V2V鏈路數(shù)量的再增加，其值就呈現(xiàn)出下降的趨勢。因而為了更 好地利用頻譜資源，對于V2V鏈路通信申請的具體情況選擇一個合適的分組數(shù)也是一個較 關(guān)鍵的問題。從結(jié)果可W看出，分組數(shù)m值的選取應(yīng)該與V2V鏈路通信申請數(shù)量成正相關(guān)，即 申請數(shù)較多時，就應(yīng)該選一個較大的m值，而在申請數(shù)量較少時，就應(yīng)該選一個較小的m值。
[0055] 在本發(fā)明所考慮的雙車道單向通行的模型中，一個調(diào)度周期內(nèi)V2V鏈路最大的數(shù) 量值為120。從W上實驗仿真結(jié)果可W看出，當V2V鏈路的數(shù)量小于50時，分組數(shù)m值選擇3較 為適宜；當V2V鏈路的數(shù)量為50到80之間時，m值選擇6較為適宜；而當V2V鏈路數(shù)量為80到 120之間時，m值選擇9較為適宜，其關(guān)系可用如下表1所示。
[0化6] 親1 V2V誦倍鏈路獄占 m麗晉估，巧的羊態(tài) [0化7]
[005引接下來，將對道路上的交通流狀態(tài)進行劃分，其目的是使得本發(fā)明所設(shè)計的無線 資源分配算法爭取能夠根據(jù)實時交通流狀態(tài)進行自適應(yīng)的動態(tài)調(diào)整，從而使得無線資源盡 可能地被高效率復用通信。
[0059] 根據(jù)穩(wěn)態(tài)交通流模型，每輛車的速度都一樣且在一段范圍內(nèi)保持不變，運是在車 聯(lián)網(wǎng)絡(luò)研究中用得比較多的一種模型。此外，Grieenshields等人還提出了車輛密度與車速 之間的關(guān)系：
[0060] V = Vf(l-p/Pjain) (8)
[0061] 其中，P和V分別表示穩(wěn)態(tài)情況下車輛的密度和速度，Vf為車輛自由行駛的時候所 對應(yīng)的速度，即當?shù)缆飞蠜]有其他車輛時，車輛所能達到的最大速度，Pjam為道路嚴重擁堵 的時候車輛密度。為了使得資源分配在不同交通流環(huán)境中能夠更有針對性和有效性、盡可 能地提高蜂窩用戶資源的利用效率，根據(jù)表1中的結(jié)果，將交通流形態(tài)分為飽和交通流、非 飽和交通流和稀疏交通流運巧巾狀態(tài)：
[0062] a)飽和交通流：當?shù)缆飞系能囕v數(shù)量很多時，申請通信的V2V鏈路數(shù)量也相應(yīng)地會 很多。在運種狀態(tài)下，車輛相距近、行駛速度慢，此時交通流形態(tài)相對穩(wěn)定，我們把運種車流 形態(tài)稱為飽和交通流。運種交通流基本上是發(fā)生在上下班高峰期、十字路口等交通繁忙的 時期或者路段。本發(fā)明認為當V2V通信鏈路數(shù)在80到120之間（由公式8計算可得，此時車速 不超過25km/h)時為飽和交通流狀態(tài)。
[0063] b)非飽和交通流：當?shù)缆飞系能囕v數(shù)量不是很多時，申請通信的V2V鏈路數(shù)量也相 對較少。在運種狀態(tài)下，車輛相距較大、行駛速度相對較快，車輛運動基本上不會受到相鄰 車輛的影響或者影響較小，其車流密度可能會在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，但總體上來講，保持 著一種較為平穩(wěn)的狀態(tài)，運是道路上所呈現(xiàn)最多的一種交通流形態(tài)，我們把運種車流形態(tài) 稱為非飽和交通流。本發(fā)明認為當V2V通信鏈路數(shù)在50到80之間（由公式8計算可得，此時車 速在25km/h到65km/h之間）時為非飽和交通流狀態(tài)。
[0064] C)稀疏交通流:有些時候或者有些道路上車輛數(shù)量不多，申請通信的V2V鏈路數(shù)量 少，此時車輛可W完全自由行駛，我們把運種車流形態(tài)稱為稀疏交通流。本發(fā)明認為當V2V 通信鏈路數(shù)小于50時（由公式8計算可得，此時車速不低于65km/h)為稀疏交通流狀態(tài)。其 中，交通流狀態(tài)與V2V通信鏈路數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系可W用如下表2所示。
[0065] 表2交通流狀態(tài)與V2V通信鏈路數(shù)之間的關(guān)系
[0066]
[0067] 下面將對本發(fā)明所提出的基于交通流特征的動態(tài)分組資源分配算法流程進行具 體介紹。在本發(fā)明中，每一個資源調(diào)度時隙內(nèi)，首先按照通信的類型，把所有V2V通信鏈路分 為兩個類型:交通安全類和休閑娛樂類，分別用集合Cl和集合C2來表示。假設(shè)車輛都裝有速 度傳感器，可W通過該傳感器獲得當前的車輛速度，通過該速度去判斷當前交通流形態(tài)，根 據(jù)不同的交通流形態(tài)去自適應(yīng)地選擇合適的分組數(shù)m值，然后對V2V通信鏈路進行分組處 理。在分好組之后，就按照上面所介紹的資源分配方法給每組的V2V通信鏈路分配合適的通 信資源。所設(shè)計的資源分配算法詳細流程可用如下表3所示。
[0068] 表3本發(fā)明所提無線資源分配算法流程
[0069]
[0070]
[0071] 本發(fā)明還對本發(fā)明所提出的基于交通流特征的動態(tài)分組資源分配算法進行了性 能上的評估。考慮到現(xiàn)有動態(tài)資源分配算法很少，只是把本發(fā)明所提出的算法與隨機資源 分配算法W及貪婪資源分配算法進行了對比與分析。在仿真實驗中，假設(shè)蜂窩用戶W及V2V 鏈路通信申請都是服從泊松到達過程，其參數(shù)分別為心^。
[0072] 在性能仿真實驗中，主要對成功獲取資源的V2V鏈路通信容量效用值、成功獲取資 源的V2V通信鏈路數(shù)量、算法運行時間W及頻譜效率值運四個方面進行衡量與比較。主要仿 真實驗參數(shù)如下表4所示。
[0073] 表4仿真實驗參數(shù)
[0074] 123 如附閣4所不，它是某組中V2V鏈路通信
容量效用值與V2V鏈路通信申請泊松參數(shù) 入D之間關(guān)系的實驗結(jié)果圖。從數(shù)值上來看，本發(fā)明所提出的資源分配算法所得到的通信容 量效用值比貪婪算法要低不少，可是比隨機分配算法所取得的通信容量效用值要高一些， 運在一定程度上是由于我們所提出的算法可W多個V2V鏈路復用同一個蜂窩用戶資源而導 致同頻干擾較大所引起。隨著Ad取值的增大，其中貪婪算法的數(shù)值快速增大，而后趨向平 穩(wěn);隨機分配算法在數(shù)值上一直處于平穩(wěn)狀態(tài)，運是因為該算法本來接入的V2V通信鏈路數(shù) 量就有限的緣故；而我們所提算法也一直處于平穩(wěn)狀態(tài)，運是由于本發(fā)明所提算法對分組 數(shù)m值進行了自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整的緣故。 2 如附圖5所示，它是成功獲取通信資源的V2V鏈路數(shù)量與V2V鏈路通信申請泊松參 數(shù)Ad之間關(guān)系的實驗結(jié)果圖。從數(shù)值上來看，我們所提出的資源分配算法成功獲取資源的 V2V鏈路數(shù)量比貪婪算法少一些，但兩者之間的差距很小，可是我們所提出的算法在數(shù)值上 比隨機算法高出很多。此外，隨著Ad值的增大，由于申請通信的V2V鏈路數(shù)量也增多，=種算 法成功獲取通信資源的V2V鏈路數(shù)量值也相應(yīng)地增大，而隨機算法與另外兩種算法的差距 也是越來越大。 3 如附圖6所示，它是算法運行時間與V2V鏈路通信申請泊松參數(shù)Ad之間關(guān)系的實驗 結(jié)果圖。從數(shù)值上來看，本發(fā)明所提出的資源分配算法運行時間最短，而貪婪算法的運行時 間最長，運是因為貪婪算法每次分配資源的時候，都是盡可能地選擇一個當前狀態(tài)最好的 蜂窩用戶資源分配給相應(yīng)V2V通信鏈路;而本發(fā)明所提出的資源分配算法則是通過分組處 理，然后直接給每組分配一個合適的資源，每一組中有多個V2V通信鏈路存在，因而大大提 高了分配效率。此外，隨著Ad值的增大，由于申請通信的V2V鏈路數(shù)量也增多，S種算法的運 行時間也都相應(yīng)地變長，而它們之間的差距也越來越大。
[0078] 如附圖7所示，它是頻譜效率值與V2V鏈路通信申請泊松參數(shù)Ad之間關(guān)系的實驗結(jié) 果圖。從數(shù)值上來看，本發(fā)明所提出的資源分配算法的頻譜效率值是最高的，且比另外兩種 算法高出很多，而貪婪算法的頻譜效率值最低。此外，它們的頻譜效率值隨著Ad的增大，變 化較小。
[0079] 綜上所述，為了給基于LTE-D2D車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分配V2V通信資源，本發(fā)明設(shè)計了一種基 于交通流特征的動態(tài)分組資源分配方法，首先把V2V通信鏈路分為兩種類型，一種是交通安 全類，另一種是休閑娛樂類;再根據(jù)具體的交通流特征選擇合適的分組數(shù)m值，分別對兩種 類型的V2V通信鏈路分組;然后在保證蜂窩用戶自身通信質(zhì)量的前提下，選擇所對應(yīng)通信容 量效用值最大的蜂窩用戶資源分配給V2V鏈路，每組內(nèi)V2V通信鏈路復用相同的蜂窩用戶資 源。從仿真結(jié)果可W看出，本發(fā)明的方法雖然在通信容量效用值、成功獲取通信資源的V2V 鏈路數(shù)量上不及貪婪算法，但是比起隨機分配算法還是有很大優(yōu)勢;此外，本發(fā)明的方法在 運行時間與頻譜效率上，要明顯優(yōu)于貪婪分配算法與隨機分配算法，而運兩個性能指標對 于復雜多變的V2V通信鏈路環(huán)境和現(xiàn)如今頻譜資源匿乏狀態(tài)顯得尤為重要。
[0080] W上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的具體實施只局限于運些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可W做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的 保護犯i圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于交通流動態(tài)分組的LTE-D2D車聯(lián)網(wǎng)資源分配方法，其特征在于:所述方法包 括:在每一個資源調(diào)度時隙內(nèi)，首先按照通信的類型，把所有V2V通信鏈路分為兩個類型:交 通安全類和休閑娛樂類，分別用集合Cl和集合C2來表示;然后獲取車輛速度，根據(jù)所述速度 判斷當前交通流形態(tài)，根據(jù)不同的交通流形態(tài)自適應(yīng)地選擇合適的分組數(shù)m值;利用所述m 值對V2V通信鏈路進行分組處理;分組之后，給每組V2V通信鏈路分配通信資源，在保證蜂窩 用戶自身通信質(zhì)量的前提下，選擇所對應(yīng)通信容量效用值最大的蜂窩用戶資源分配給V2V 鏈路，同一組內(nèi)的V2V通信鏈路復用相同的蜂窩用戶資源。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的資源分配方法，其特征在于:所述給每組V2V通信鏈路分配通 信資源，具體為:某組中共有k個V2V通信鏈路，基站通過預(yù)測得到它們對資源使用的時間長 度依次為ti，t2，t3.. .tk，每個V2V通信用戶的復用效用值為ux，xe α，2,3.. .k}:其中，βι為V2V鏈路滿足通信要求的干擾口限值，SINRix為第X個V2V通信鏈路復用第i個 蜂窩用戶資源后的信干噪比值;Ρχ為第X個V2V通信鏈路的發(fā)射端功率值大小，gxx為第X個 V2V鏈路本身的信道增益大小，pj為同一組內(nèi)其他V2V鏈路的發(fā)射功率值大小，gjx為第j個 V2V用戶與第X個V2V用戶之間的信道增益大小，No為加性高斯白噪聲功率值大小;通過基站 所得到的每個V2V通信鏈路對蜂窩資源復用的時間，求出某組對不同蜂窩資源復用后的通 信容量效用值化：其中，iE{l,2,3..」Cavailable I } , tmax 二 max { , ?3 . . . tk} , Cavailable 是可用來被 V2V 通 信復用的蜂窩用戶集合，最終把通信容量效用最大值所對應(yīng)的蜂窩資源分配給該組。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的資源分配方法，其特征在于:所述可用來被V2V通信鏈路復用 的蜂窩用戶必須要滿足W下條件：其中，β〇為蜂窩用戶的干擾口限值，P0為蜂窩用戶的發(fā)射功率值，gBC為所對應(yīng)蜂窩用戶 到基站的信道增益大小，W為所對應(yīng)組內(nèi)的所有V2V用戶對被復用蜂窩用戶通信總的干擾 值，No為加性高斯白噪聲的功率值大小。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的資源分配方法，其特征在于:所述分組數(shù)m值的選取與V2V鏈路 通信申請數(shù)量成正相關(guān)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的資源分配方法，其特征在于：當V2V鏈路的數(shù)量小于50時，分組 數(shù)m值選擇3;當V2V鏈路的數(shù)量為50到80之間時，m值選擇6;而當V2V鏈路數(shù)量為80到120之 間時，m值選擇9。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的資源分配方法，其特征在于：當交通流形態(tài)為飽和交通流時， 分組數(shù)m值選擇9;當交通流形態(tài)為非飽和交通流時，分組數(shù)m值選擇6;當交通流形態(tài)為稀疏 交通流時，分組數(shù)m值選擇3。
【文檔編號】H04L29/08GK105979598SQ201610506093
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】楊志華, 李國治, 陳守鳳
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院