CN104080176A - 车联网中基于资源共享的资源管理和接入方案 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种车联网中基于资源共享的资源管理和接入方法，其主要内容包括：不同的车对车通信链路之间、车对路与车对车通信链路之间可以共享时间、频率资源进行各自的通信；不同的车对路通信链路之间不允许共享资源；不同通信链路间的资源共享在路边中心单元的控制和调度下实现，路边中心单元根据车辆周期反馈的信道和位置信息做出资源调度决策，不同的通信链路依照路边中心单元的资源调度决策进行通信；不同通信链路接入信道的方式为时分多址(TDMA)或者频分多址(FDMA，包括正交频分多址OFDMA)。同时本发明给出了两种基于干扰图的资源共享方案，即基于干扰预知图的资源共享方案和基于干扰等级图的资源共享方案，可以以较低的复杂度在不同的通信链路之间实现干扰受限的资源共享，有效的提升车联网的吞吐量和频谱效率。
Description
技术领域
本发明提出一种适用于无线车辆通信领域，车对车通信与车对路通信的资源管理与接入方案，允许车联网中不同的车对车通信链路与车对路通信链路可以在路边中心单元的控制和调度下共享时间、频率资源进行通信，从而有效的提升整个车联网的通信容量和频谱效率。
背景技术
近年来，随着智能交通系统的提出和发展，车联网受到越来越广泛的关注和研究，在车联网中主要存在两种通信方式，即车对车(V2V)通信和车对路(V2I)通信。车联网是智能交通系统的基础信息承载平台，可为其采集实时的交通信息，及时广播安全与导航信息，在提高行车安全、减少交通事故、改善交通及驾驶环境等方面具有深远的意义。V2V通信可以使车辆实时监测到其附近道路上其他车辆的相关信息，为行车安全及智能驾驶等提供一种高科技的解决手段。V2I通信则可以使得车辆随时获悉其周边各类设施的相关信息，提供各类服务信息及数据网络接入。
对MAC层而言，关键技术主要是对MAC的资源进行管理，包括呼叫接纳和切换技术、调度技术、服务质量(QoS)架构、链路预测及自适应技术等。目前，车联网的MAC层接入方式主要可以分为两种：一是基于竞争的载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)，即节点在发送数据之前先进行载波侦听，如果信道是空闲的就发送数据，如果信道非空闲，则进行一定窗长的退避之后再进行侦听，直到侦听到信道空闲才能发送数据，具体参见G.Bianchi所著的“Performance analysis of of the IEEE802.11distributed coordination function”，IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.18，no.3，Mar.2000；二是基于调度的资源独享方式，其中包括FDMA、TDMA等接入方式，即通过调度分配给各个节点相应的时间或频率资源，各车辆节点在不同的时频资源上进行数据传输，具体可参见H.A.Omar等所著的“VeMAC：A TDMA-based MAC protocol for reliable broadcast in VANETs”，IEEETransactions on Mobile Computing，2012和H.Zhang等所著的“Quality-of-service driven powerand subcarrier allocation policy for vehicular communication networks”，IEEE Journal onSelected Areas in Communications，vol.29，no.1，Jan.2011。但在现有车联网的MAC方案中，不论是基于CSMA/CA的随机竞争方案还是基于TDMA或者FDMA的调度方案，在某一特定的通信网络区域内，不同的通信链路(V2V通信链路或者V2I通信链路)之间是不允许共享资源进行通信的，因而在网络频谱效率的实现上是有限的。而随着车联网中车辆数和车辆通信需求的增多，现有车联网MAC方案在无法有效提升网路吞吐率和频谱效率方面的缺陷将会越来越明显，进而影响到整个网络的性能和车辆的QoS。
发明内容
本发明的目的在于针对车联网设计一种MAC层全新的资源管理和接入方案，可以有效的提升车联网的吞吐率和频谱效率，尤其是在网络负载较大时，仍然能保持较高的网络性能。
为实现上述目的，本发明提出了一种车联网中基于资源共享的资源管理和接入方法，其特征在于：
a)不同通信链路间的资源共享在路边中心单元的控制和调度下实现，路边中心单元根据车辆周期反馈的信道或位置信息做出资源调度决策，不同的通信链路依照路边中心单元的资源调度决策进行通信；
b)所述通信链路包括车对车通信链路以及车对路通信链路；
c)不同的车对车通信链路之间、车对路与车对车通信链路之间可以共享时间、频率资源进行各自的通信；
d)不同的车对路通信链路之间不允许共享资源。
基于这一资源管理和接入方法，本发明还设计了两种基于干扰图的资源共享方案，可以以较低的复杂度在不同的通信链路之间实现干扰受限的资源共享，有效的提升车联网的吞吐率和频谱效率。
结合附图阅读本发明具体实施方式的详细论述后，本发明的其他特点和优势将会更加清晰。
附图说明
图1是车联网场景示意图；
图2是针对图1网络场景的干扰预知图示意图；
图3是不同场景下两个通信链路之间的相对位置关系；
图4是针对图1网络场景的干扰等级图示意图；
图5是车联网中不同MAC方案下性能对比仿真图。
具体实施方式
下面将对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本发明首先针对车联网提出了一种全新的基于资源共享的资源管理和接入方案，其中，不同的V2V通信链路之间、V2V通信链路与V2I通信链路之间可以在路边单元(RSU)的控制和调度下共享资源进行各自的通信。在本发明所提的方案中，整个传输带宽被分为K个正交的资源块(RB)，不同的通信链路采用FDMA或TDMA的方式接入信道，在每个传输帧开始时，RSU接收网络中各个通信链路的通信需求和信道信息，并根据通信链路的信道信息和各个通信链路间的干扰情况作出资源分配的决策，并将资源块的分配情况反馈给车辆，有通信需求的车辆则根据资源分配的结果在授权的资源块上进行通信。需要注意的是，在本发明的方案中，不同的V2I通信链路之间不能共享资源进行通信。
同时，本发明还设计了两种基于干扰图的资源共享方案，即基于干扰预知图的资源共享方案和基于干扰等级图的资源共享方案。
图2所示为针对图1车联网场景抽象构建的干扰预知图，图中节点A1、A2代表两条V2I通信链路，节点B1、B2、B3代表三条V2V通信链路，图中每条边都有一个权重值，定义为两条链路之间相互干扰的大小。在干扰预知图中，每个节点(Vi，即通信链路)具有三个自身属性，即链路属性、资源属性和集合属性。其中，链路属性标明该节点是V2I通信链路还是V2V通信链路，即或者其中表示V2I链路集合，表示V2V链路集合。资源属性包含两个参数，其一是RB列表包含一系列RB标号，在列表中按照该通信链路在各个RB上对应SNR的大小进行排序，其二是当前RB指针(δ(Vi))，指向当前该通信链路最希望获得的RB标号。集合属性(τ(Vi))表示当前节点所属的RB集合，需要注意的是当该节点当前不属于任何RB集合时，则有τ(Vi)＝0。图中边值被定义为：
其中，表示两条通信链路Vi和Vj间在第k个RB上的干扰值，可被定义为：
此外，定义RBk集合的集合值为该RB集合内所用通信链路可实现的信道容量之和，注意这里考虑同一RB集合内不同链路之间的干扰，即有：
定义RBk集合的干扰值为该RB集合内通信链路两两间互干扰的和，即有：
定义RBk的虚拟集合为所有当前RB指针指向k的通信链路的集合，即：
基于上述对干扰预知图的构建和定义，本发明设计基于干扰预知图的资源共享算法如下：
1)基于车辆反馈得到的通信链路和干扰链路信息构建干扰预知图，并对图中节点属性和边的权重进行初始化：
a)初始化节点属性δ(Vi)，令τ(Vi)＝0，
b)计算边的权重 Vi≠Vj；
c)设定其中Φ表示空集，
d)初始化虚拟集合
2)迭代收敛：
a)Repeat
b)从虚拟集合中选择一个节点使其满足：
√如果那么
√否则，
c)比较集合值和大小：
√如果则τ(V*)＝k，δ(V*)＝0；
√否则，删除中第一个元素，并更新δ(V*)；
d)更新所有虚拟集合；
e)Until所有虚拟集合均为空集
3)RB分配结果为
基于干扰预知图的资源共享方案具有较低的复杂度，但其中干扰预知图构建的前提必须保证在RSU处可以获知各个通信链路和干扰链路的信道信息，通信代价较大，因而在本发明中，还设计一种基于干扰等级图的资源共享方案，在干扰等级图中，可根据RSU与车辆，车辆与车辆之间的相对位置关系对它们之间干扰进行等级的划分，并对不同的干扰等级设定特定的数值，干扰等级图的构建不需要具体的干扰链路信道信息，因而所需的通信代价较小，更适合实际应用。
图3是车联网不同场景下，车辆与RSU、车辆与车辆之间的相对位置关系，可将这8中相对位置关系划分为4个干扰等级，即无干扰(如图3中的(a)、(e))、中等干扰(如图3中的(b)、(c)、(f)、(g))、强干扰(如图3中的(d)、(h))、无穷干扰(两条V2I通信链路之间的干扰情形)，分别可设定为W0，W1，W2和Wn，满足W0≤W1＜W2≤Wn。图4所示为针对图1车联网场景抽象构建的干扰等级图，图中的各边均量化为相应的干扰等级，在这里有：
并且干扰等级图中节点属性的定义于干扰预知图相同。
基于上述对干扰等级图的构建和定义，本发明设计基于干扰等级图的资源共享算法如下：
1)基于车辆反馈得到的通信链路信息和车与RSU、车与车之间的相对位置关系构建干扰等级图，并对图中节点属性和边的权重进行初始化：
a)初始化节点属性δ(Vi)，令τ(Vi)＝0，
b)计算边的权重 Vi≠Vj；
c)设定其中Φ表示空集，
d)初始化虚拟集合
2)迭代收敛：
a)Repeat
b)从虚拟集合中选择一个节点使其满足
√如果则τ(Ｖ＊)＝k，δ(V*)＝0；
√否则，将RB标号k从所有当前的RB列表 中删除；
c)更新所有虚拟集合；
d)Until所有虚拟集合均为空集
3)RB分配结果为
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本技术领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
下面对比给出在车载通信网络中，不同MAC资源管理方案的网络吞吐率性能。下表1为仿真参数。
表1仿真参数
| 传输带宽 | 20MHz |
| RB总数K | 10 |
| RSU发射功率 | 20dBm |
| 车辆发射功率 | 5dBm |
| 路损因子 | 3 |
| 噪声功率谱密度 | -174dBm/Hz |
| 集合最大用户数Tic | 3 |
| V2I通信链路百分比 | 30％ |
| 车辆速度分布 | 0km/h-100km/h |
图5给出了在车联网中，本发明设计的两种基于干扰图的资源复用方案，与遍历算法得到的最优资源复用结果，以及传统的正交资源分配方案的系统性能比较，其中，传统的正交资源分配方案参见H.Zhang所著的“Quality-of-service driven power and sub-carrierallocation policy for vehicular communication networks”，IEEE Journal on Selected Areas inCommunications，vol.29，no.1，Jan，2011。从仿真结果中可以看到，基于干扰预知图的资源复用方案与最优的资源复用结果在网络性能非常接近，但其复杂度要远低于得到最优资源复用结果的遍历算法。虽然基于干扰等级图的资源复用方案性能不如基于干扰预知图的资源复用方案，但由于干扰等级图的构建只需要知道车与RSU、车与车的相对位置即可，而不需具体的干扰链路信道信息，因而系统MAC资源管理的通信代价较低，在实际中的可操作性更高。同时，从仿真结果中也可以看到，V2I和V2V通信链路资源复用的MAC方案要明显优于传统的正交资源分配方案，尤其是在网络负载较大的情况下，可以有效的提升网络的吞吐率和频谱效率。这也说明了本发明中所提的基于资源共享的MAC层资源管理和接入方案的巨大应用潜力。
Claims (9)
1.一种车联网中基于资源共享的资源管理和接入方法，其特征在于：
1)不同通信链路间的资源共享在路边中心单元的控制和调度下实现，路边中心单元根据车辆周期反馈的信道或位置信息做出资源调度决策，不同的通信链路依照路边中心单元的资源调度决策进行通信；
2)所述通信链路包括车对车通信链路以及车对路通信链路；
3)不同的车对车通信链路之间、车对路与车对车通信链路之间可以共享时间、频率资源进行各自的通信；
4)不同的车对路通信链路之间不允许共享资源。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于基于资源共享的资源管理和接入方法是中心控制的，不是分布式的，资源调度决策由路边中心单元做出，并通过控制信道传给各个车辆，不同的通信链路需根据路边中心单元的资源调度决策进行各自的通信。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于不同通信链路接入信道的方式为时分多址或者频分多址。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于路边中心单元可根据车辆反馈的通信链路信道信息和干扰链路信道信息构建干扰预知图，实现复杂度较低的基于干扰预知图的资源共享方案。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于干扰预知图的构建需要已知实时反馈的干扰链路信道信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于在干扰预知图中，节点表示通信链路，每个节点具有三个自身属性，即链路属性、资源属性和集合属性，其中，链路属性标明该节点是车对路通信链路还是车对车通信链路；资源属性包含两个参数，其一是资源块列表，包含一系列资源块标号，在列表中按照该节点所代表的通信链路在各个资源块上对应信噪比的大小进行排序，其二是当前资源块指针，指向该节点当前最希望获得的资源块标号；集合属性表示当前节点所属的资源块集合；边的权重值表示不同通信链路之间互干扰的大小，互干扰的大小根据干扰链路信道信息计算得到。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于路边中心单元可根据车辆反馈通信链路信道信息和车辆与车辆之间、车辆与路边中心单元之间的相对位置关系构建干扰等级图，实现复杂度和通信代价均较低的基于干扰等级图的资源共享方案。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于干扰等级图的构建不需要实时反馈的干扰链路信息，只需车辆与车辆之间以及车辆与路边中心单元之间的相对位置关系即可。
9.根据权利要求8所述的方法，在干扰等级图中，节点表示通信链路，每个节点同样具有链路属性、资源属性和集合属性三个自身属性，其中，链路属性标明该节点是车对路通信链路还是车对车通信链路；资源属性包含两个参数，其一是资源块列表，包含一系列资源块标号，在列表中按照该节点所代表的通信链路在各个资源块上对应信噪比的大小进行排序，其二是当前资源块指针，指向该节点当前最希望获得的资源块标号；集合属性表示当前节点所属的资源块集合；边的权重值表示不同通信链路之间互干扰的等级，互干扰的等级根据两条通信链路的相对位置关系判定，每个互干扰的等级设为一个特定的数值，这个数值可根据实际的网络参数进行调整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20141001 |