CN105657776A - 蜂窝-vanet异构网络中的协作通信方法 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，包括：(1)判断车辆是否可以作为协作节点；(2)协作节点与基站之间无线资源分配；(3)控制接入网络信道和按分布式的比例公平调度。本发明基于基于分布式比例公平调度规则，相对于现有技术中的协作方法，本发明兼顾公平性和频谱效率，分布式执行，不需要基站参与，并且计算复杂度低。

Description

蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及VANET(车辆自组织网络)异构网络的下行通信技术，具体为一种蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法。

背景技术

蜂窝-车辆自组织异构网络中，一些蜂窝网络信道质量差的车辆，如处于小区边缘的车辆，可以请求其他车辆在上行或者下行方向上协助传输数据，节点之间通过车辆自组织网络通信，协作节点与基站之间通过蜂窝网络通信；这种协作通信与传统的点到点通信不同，重点是利用无线传输的广播特性，允许无线网络中不同的用户或节点分享资源，通过分布式传输/处理而获得协作，这里的分布式传输就是指用户的信息不仅自身传输，而且还有协作用户或节点协作传输。文献《Agraph-basedcooperativeschedulingschemeforvehicularnetworks》(ZhengK,LiuF,ZhengQ,etal.Agraph-basedcooperativeschedulingschemeforvehicularnetworks,VehicularTechnology,IEEETransactionson,2013,62(4):1450-1458.)设计一个蜂窝–VANET异构网中的车辆协作方案，以最大化总吞吐量。该方案使用二分图匹配算法调度协作节点，根据带宽、信道链路状况等信息生成每条边的权重，然后利用Kuhn-Munkres算法，求解最大权值匹配问题。然而，其假设条件存在两个问题：1.)为了生成二分图中每个边的权重，设计要求在每个调度时刻，每个车辆节点都需要把其与所有一跳邻居节点之间的信道信息上报到基站，该上报数据量较大，在实际场景中难以实现；2.)为了降低优化问题复杂度，论文假设VANET信道资源在所有需要协作的车辆节点之间平均分配，这忽视了VANET的空间特性，即，发射范围不相重叠的两个车辆节点可以共享VANET资源，而不会彼此影响对方。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有蜂窝-VANET异构网络中已有协作通信方法的不足，本发明提出一种蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，基于分布式比例公平调度，复杂度低。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，包括

(1)判断车辆节点是否可以作为协作节点；

(2)协作节点与基站之间无线资源分配；

(3)控制接入网络信道和按分布式的比例公平调度。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，所述判断车辆节点是否可以作为协作节点包括：车辆节点的平均信道质量大于给定门限则可以作为候选协作节点。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，所述判断车辆节点是否可以作为协作节点包括：车辆节点的平均信道质量小于给定门限则可以发起协作请求。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，在车辆节点周期性广播的信标信息中，增加N个比特位，其中至少第一个比特位标示该车辆节点是否为候选协作节点，并且增加的其余比特位标示车辆节点当前的信道质量；N为大于2的正整数。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，如果所述至少第一个比特位赋值为1则表示当前车辆节点是候选协作节点，如果赋值为0则表示其不是候选协作节点。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，如果车辆节点被选择为协作节点，则信标信息中标示其是否作为候选协作节点的比特位修改赋值为0。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，发起协作请求的车辆节点从蜂窝-VANET异构网络中的一跳邻居节点里，查找与基站之间信道质量最好的、与自身之间的链路持续期大于预设门限值且未被其他车辆作为协作节点的候选协作节点，作为协作节点。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，所述协作节点与基站之间无线资源分配按照以下规则进行：

在协作通信场景下，基站分配给发起协作请求的车辆节点的资源与基站分配给所述协作节点的资源相等。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，所述控制接入VANET网络信道和按分布式的比例公平调度，包括：

(31)VANET网络中的车辆节点在每个时隙计算其优先权值，并在周期性广播的信标信息中用若干个比特位标示优先权值；

(32)如果发起协作请求的车辆节点有数据传输需求，则对比接收到的一跳邻居节点中协作节点的优先权值与发起协作请求的车辆节点的优先权值，作出是否接入信道的判断。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，所述作出是否接入信道的判断，至少包括：

(i.)如果发起协作请求的车辆节点的优先权值大于或等于所有一跳邻居节点中协作节点的优先权值，并且基站分配给协作节点的信道空闲，则发起协作请求的车辆节点直接发送数据到协作节点，由协作节点将接收数据和自身数据合并后经该信道发送至基站；如果当前有协作节点的优先权值与发起协作请求的车辆节点优先权值相同，则该协作节点与发起协作请求的车辆节点按照802.11p的标准CSMA/CA方式竞争接入信道。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，所述作出是否接入信道的判断，至少包括：

(ii.)如果发起协作请求的车辆节点的优先权值大于等于所有一跳邻居节点中协作节点的优先权值，且基站分配给协作节点的信道被占用，则发起协作请求的车辆节点在下一次的信标发送周期中发送自身的优先权值，占用所述信道的协作节点收到此优先权值信息之后发现协作节点优先权值小于或等于发起协作请求车辆节点的优先权值，则占用所述信道的协作节点退出无线资源占用，发起协作请求的车辆节点再发送数据经空闲出的信道接入至基站。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，所述作出是否接入信道的判断，至少包括：

(iii.)如果一跳邻居节点中有协作节点的优先权值大于发起协作请求的车辆节点优先权值，则发起协作请求的车辆节点继续等待一个信标发送周期。

更进一步的，上述蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法中，所述优先权值的计算方法包括：

车辆节点时隙n的优先权值计算方法如下：

$U_n=\frac{r_n}{{\stackrel{\‾}{r}}_n}*{\mathrm{\ω}}_{n,QoS};$

其中，r_n是车辆在当前时隙的数据传输速率，令r_n,VANET和r_n,LTE分别表示发起协作请求的车辆节点与协作节点之间的数据速率计算值和协作节点与基站之间的数据速率计算值，r_n表示为：

r_n＝min{r_n,VANET,r_n,LTE}；

r_n是时间窗内的平均数据速率，令T_c为求取平均的时间窗长度值，r_n表示为：

${\stackrel{\‾}{r}}_n=(1-\frac{1}{T_c})*{\stackrel{\‾}{r}}_{n-1}+\frac{1}{T_c}*r_n;$

ω_n,QoS是根据各车辆节点的QoS需求而增加的加权因子，令R_QoS表示车辆节点所需的最低数据传输速率，则ω_n,QoS表示为：

${\mathrm{\ω}}_{n,QoS}=\exp \left(max\right|\frac{R_{QoS}-{\stackrel{\‾}{r}}_{n-1}}{R_{QoS}},0\left|\right).$

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明基于基于分布式比例公平调度规则，相对于现有技术中的协作方法，本发明兼顾公平性和频谱效率，分布式执行，不需要基站参与，并且计算复杂度低。

附图说明

图1是本发明一种蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。

如图1所示，一种蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，包括

(1)判断车辆节点是否可以作为协作节点；

(2)协作节点与基站之间无线资源分配；

(3)控制接入网络信道和按分布式的比例公平调度。

具体的：

(1)判断车辆节点是否可以作为协作节点；

车辆节点参与协作通信的条件为：其平均信道质量大于给定门限则可以作为候选协作节点。

蜂窝网络中车辆节点作为LTE终端，在其运行过程中，需要周期性的进行测量，并向基站上报其与基站之间的信道质量，在本发明中，网络中的车辆节点根据此信道质量信息，判断是否可以作为候选协作节点。

具体的，设定一个可调参数，即，信道质量门限CQI_th1，如果车辆节点当前的信道质量COI>CQI_th1，则该车辆节点可以作为候选协作节点。

本发明中，车辆按照802.11p协议，每个车辆都需要以固定的周期向网络中广播信标信息，信标信息中包括车辆的位置、速率、加速度信息等等；本发明中，车辆在周期性发送的信标信息中对其是否能够作为候选节点进行标示：

在周期性发送的信标信息中，增加N个比特位(N为大于2的正整数)，其中至少第一个比特位标示该车辆节点是否为候选协作节点，如果该比特位赋值为1则表示其是候选协作节点，如果赋值为0则表示其不是候选协作节点，并且增加的其余比特位标示车辆节点当前的信道质量，即其与基站之间在单位宽带上的可达数据速率，单位带宽通过的数据量的度量则为频谱效率以衡量当前带宽资源的利用率；如果车辆节点不是候选车辆节点，即信标信息中标示车辆节点是否作为候选节点的比特位赋值为0，则增加的其余比特位的值均为无效值。

如果候选协作节点被某个车辆节点(被协作车辆节点)选择为协作节点，其标示其是否作为候选协作节点的比特位修改赋值为0，以拒绝其他车辆的协作请求，保证被协作车辆的服务质量。

设定另一可调参数，即信道可调参数CQI_th2，如果车辆节点当前的信道质量CQI<CQI_th2，则认为该车辆节点当前信道质量差，可以发起协作请求。

发起协作请求的车辆节点(本文中简称为被协作车辆节点)从蜂窝-VANET异构网络中的一跳邻居节点里，查找与基站之间信道质量最好的、与自身(该被协作车辆节点)之间的链路持续期大于预设门限值且未被其他车辆节点作为协作节点的候选协作节点，作为自身的协作节点。

其中候选协作节点与基站之间的信道质量以及其是否已被其他车辆节点作为协作节点均标示在该车辆节点周期性广播的信标信息中；被协作车辆节点与一跳邻居节点中的候选协作节点之间的链路持续期计算如下：

在某时刻t，被协作车辆节点i和协作节点j之间直接通信，节点间的传输范围为r₀，节点i位置(x₁,y₁)，速度v₁，方向θ₁；节点j位置(x₂,y₂)，速度v₂，方向θ₂；假设从时刻t起两节点的速度和方向不变，则可根据二者在时刻t的位置、速度和方向信息计算从该时刻二者之间的链路持续期LET：

$LET=\frac{\sqrt{(a^2+c^2)r^2-{(ad-bc)}^2}-(ab+cd)}{a^2+c^2};$

其中

a＝v₁cosθ₁-v₂cosθ₂；b＝x₁-x₂；c＝v₁sinθ₁-v₂sinθ₂；d＝y₁-y₂。本发明中链路持续期的计算方法也可以是其他本领域中常用的链路持续期计算方法，此处不做多余赘述。

被协作节点车辆选择协作节点后，协作节点在信标信息中标注，协作节点与基站之间的无线资源分配按照如下规则进行：

在不考虑协作的情况下，基站分配多少资源(信道)给被协作节点车辆，就在协作通信场景下(即确定被协作车辆节点与协作节点的协作关系)分配多少资源(信道)给其协作节点。

被协作节点车辆选择合适的协作节点之后，将向协作节点发出请求协作信令，协作节点向被协作节点车辆回复同意协作信令，以此确定协作关系。

(3)控制接入VANET网络信道和按分布式的比例公平调度按如下规则进行：

11.车辆节点在每个时隙计算其优先权值，并在周期性广播的信标信息中用若干个比特位标示该值；

12.如果被协作车辆节点有数据传输需求，则对比接收到的一跳邻居节点中协作节点的优先权值与自身的优先权值，作出是否接入信道的判断。

在每个信标发送周期，车辆节点都可以接收到一跳邻居节点的优先权值(各车辆节点只有在有数据要发送的过程中才给优先权赋值，如果没有数据要发送，则优先权赋值为0)。如果当前车辆节点(被协作车辆节点)有数据要发送，则计算自身的优先权值，并与接收到的一跳邻居节点优先权值对比，有如下几种情况：

(i.)如果被协作车辆节点自身的优先权值大于等于所有一跳邻居节点中协作节点的优先权值，并且基站分配给协作节点的信道空闲，则被协作车辆节点直接发送数据到协作节点，由协作节点将接收数据和自身数据合并后经该信道发送至基站；如果当前正好有某个协作节点的优先权值与被协作车辆节点的值相同，则该协作节点与被协作车辆节点按照802.11p的标准CSMA/CA方式竞争接入信道；

(ii.)如果被协作车辆节点的优先权值大于等于所有一跳邻居节点中协作节点的优先权值，但是基站分配给协作节点的信道被占用，则被协作车辆节点在下一次的信标发送周期中发送自身的优先权值，使占用该无线信道的协作节点收到此优先权值信息之后发现自身优先权值小于或等于被协作节点的优先权值，则占用无线信道的协作节点退出无线资源占用，被协作节点再发送数据经空闲出的信道接入至基站；

(iii.)如果被协作车辆节点自身的优先权值不是最大值，即一跳邻居节点中有协作节点的优先权值大于被协作车辆节点的优先权值，则被协作车辆节点继续等待一个信标发送周期。

车辆节点时隙n的优先权值计算方法如下：

$U_n=\frac{r_n}{{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_n}*{\mathrm{\&omega;}}_{n,QoS};$

其中，r_n是车辆在当前时隙的数据传输速率，令r_n,VANET和r_n,LTE分别表示发起协作请求的车辆节点与协作节点之间的数据速率计算值和协作节点与基站之间的数据速率计算值，r_n表示为：

r_n＝min{r_n,VANET,r_n,LTE}；

r_n是时间窗内的平均数据速率，令T_c为求取平均的时间窗长度值，r_n表示为：

${\stackrel{\&OverBar;}{r}}_n=(1-\frac{1}{T_c})*{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n-1}+\frac{1}{T_c}*r_n;$

ω_n,QoS是根据各车辆节点的QoS(QualityofService，服务质量)需求而增加的加权因子，令R_QoS表示车辆节点所需的最低数据传输速率，则ω_n,QoS表示为：

${\mathrm{\&omega;}}_{n,QoS}=\exp \left(max\right|\frac{R_{QoS}-{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n-1}}{R_{QoS}},0\left|\right).$

如果被协作车辆节点有数据传输需求，那么对比接收到的协作车辆节点的优先权值与自身的优先权值，做出是否接入信道的判断：

如果自身的值大于所有协作车辆节点的优先权值，则在下一个时隙发送自身的数据；如果自身的优先权值不是最大值，则继续等待一个时隙；如果自身的值是最大值，然而有协作节点的值与其相同，则与此协作节点按照802.11p的标准CSMA/CA方式竞争接入信道。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：包括

(1)判断车辆节点是否可以作为协作节点；

(2)协作节点与基站之间无线资源分配；

(3)控制接入网络信道和按分布式的比例公平调度。

2.如权利要求1所述的蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：所述判断车辆节点是否可以作为协作节点包括：车辆节点的平均信道质量大于给定门限则可以作为候选协作节点；车辆节点的平均信道质量小于给定门限则可以发起协作请求。

3.如权利要求2所述的蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：在车辆节点周期性广播的信标信息中，增加N个比特位，其中至少第一个比特位标示该车辆节点是否为候选协作节点，并且增加的其余比特位标示车辆节点当前的信道质量；N为大于2的正整数；如果所述至少第一个比特位赋值为1则表示当前车辆节点是候选协作节点，如果赋值为0则表示其不是候选协作节点。

4.如权利要求3所述的蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：如果车辆节点被选择为协作节点，则信标信息中标示其是否作为候选协作节点的比特位修改赋值为0。

5.如权利要求2所述的蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：发起协作请求的车辆节点从蜂窝-VANET异构网络中的一跳邻居节点里，查找与基站之间信道质量最好的、与自身之间的链路持续期大于预设门限值且未被其他车辆作为协作节点的候选协作节点，作为协作节点。

6.如权利要求1所述的蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：所述协作节点与基站之间无线资源分配按照以下规则进行：

在协作通信场景下，基站分配给发起协作请求的车辆节点的资源与基站分配给所述协作节点的资源相等。

7.如权利要求1所述的蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：所述控制接入VANET网络信道和按分布式的比例公平调度，包括：

(31)VANET网络中的车辆节点在每个时隙计算其优先权值，并在周期性广播的信标信息中用若干个比特位标示优先权值；

(32)如果发起协作请求的车辆节点有数据传输需求，则对比接收到的一跳邻居节点中协作节点的优先权值与发起协作请求的车辆节点的优先权值，作出是否接入信道的判断。

8.如权利要求7所述的蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：所述作出是否接入信道的判断，至少包括：

(i.)如果发起协作请求的车辆节点的优先权值大于或等于所有一跳邻居节点中协作节点的优先权值，并且基站分配给协作节点的信道空闲，则发起协作请求的车辆节点直接发送数据到协作节点，由协作节点将接收数据和自身数据合并后经该信道发送至基站；如果当前有协作节点的优先权值与发起协作请求的车辆节点优先权值相同，则该协作节点与发起协作请求的车辆节点按照802.11p的标准CSMA/CA方式竞争接入信道。

9.如权利要求8所述的蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：所述作出是否接入信道的判断，至少包括：

(ii.)如果发起协作请求的车辆节点的优先权值大于等于所有一跳邻居节点中协作节点的优先权值，且基站分配给协作节点的信道被占用，则发起协作请求的车辆节点在下一次的信标发送周期中发送自身的优先权值，占用所述信道的协作节点收到此优先权值信息之后发现协作节点优先权值小于或等于发起协作请求车辆节点的优先权值，则占用所述信道的协作节点退出无线资源占用，发起协作请求的车辆节点再发送数据经空闲出的信道接入至基站；

(iii.)如果一跳邻居节点中有协作节点的优先权值大于发起协作请求的车辆节点优先权值，则发起协作请求的车辆节点继续等待一个信标发送周期。

10.如权利要求7所述的蜂窝-VANET异构网络中的协作通信方法，其特征在于：所述优先权值的计算方法包括：

车辆节点时隙n的优先权值计算方法如下：

$U_n=\frac{r_n}{{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_n}*{\mathrm{\&omega;}}_{n,QoS};$

其中，r_n是车辆在当前时隙的数据传输速率，令r_n,VANET和r_n,LTE分别表示发起协作请求的车辆节点与协作节点之间的数据速率计算值和协作节点与基站之间的数据速率计算值，r_n表示为：

r_n＝min{r_n,VANET,r_n,LTE}；

r_n是时间窗内的平均数据速率，令T_c为求取平均的时间窗长度值，r_n表示为：

${\stackrel{\&OverBar;}{r}}_n=(1-\frac{1}{T_c})*{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n-1}+\frac{1}{T_c}*r_n;$

ω_n,QoS是根据各车辆节点的QoS需求而增加的加权因子，令R_QoS表示车辆节点所需的最低数据传输速率，则ω_n,QoS表示为：

${\mathrm{\&omega;}}_{n,QoS}=\exp \left(max\right|\frac{R_{QoS}-{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n-1}}{R_{QoS}},0\left|\right).$