CN107071855B - 基于半双工通信的安全告警信息中继方法 - Google Patents

基于半双工通信的安全告警信息中继方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半双工通信的安全告警信息中继方法，本发明的方法采用功率控制和通信节点存储转发为安全告警信息的传输提供中继，使得广播车辆半双工的使用无线资源的情况下同时发送安全告警信息时，通过中继节点的存储转发广播消息弥补半双工广播问题带来的广播丢失问题，提高了安全告警信息的传输可靠性，保障了半双工广播问题发生时广播车辆依然可以接收到周围广播车辆的安全告警信息。本发明的方法将通信节点的信号覆盖范围和信道质量纳入决策相关因素，综合衡量系统容量、无线资源冲突和算法复杂性，求得权值最大的空闲通信节点作为中继节点，以一定的功率转发广播消息，进而有效解决半双工广播问题，减少无线资源冲突。

Description

基于半双工通信的安全告警信息中继方法
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种基于半双工通信的安全告警信息中继方法的设计。
背景技术
安全告警信息是车联网中一种具有突发性的安全相关信息，用于车辆在发生或者发现危险时能对所有面临潜在危险的车辆提前预警，安全告警信息的及时可靠传输是车联网得以实现的基础之一。
V2V通信是物理位置邻近的车辆间的直接通信，物理位置邻近保证了较高的信息传输可靠性，直接通信保证了较低的传输时延。
2010年前后，IEEE发布了应用于车载专用短程通信中的车联网无线技术标准IEEE802.11p。该标准具有技术成熟、自组织模式支持V2V通信的优势，但是，由于802.11p在MAC层上采用了CSMA/CA机制，随着感知区域内车辆密度增加，丢包率会显著提高，在一些严重拥堵区域，数据包传递的时延和可靠性都不能保证。
LTE-V技术是现有LTE-D2D基础之上，针对车联网场景进行重新设计和修改，并实现人、车、路、云之间互联和信息传输的车联网无线通信技术。在蜂窝覆盖范围内，车联网通信采用集中式网络架构，由基站完成车辆的无线信道接入与无线信道分配，车辆间采用直连技术进行通信。密集场景中，集中式的调度方式提高了信道接入的概率，同时降低了通信节点间发生无线资源冲突的概率。
LTE在媒体接入控制层(MAC)层采用了多载波技术，该技术允许多个通信节点在同一时刻同一带宽上互不干扰(正交)的传输信息。信息被封装在帧内进行传输，每个帧包含了多个资源块(RB,Resource Block)。对于每个通信节点，当它作为接收端时，它会接收带宽上的整个信号，并将信号逐帧地解码，然后解析每个RB中的内容。通常情况下，由于自干扰的存在，通信节点只能进行信号的接收或者发送。这意味着无线资源只能以半双工的形式被使用。对于信息广播，半双工的使用无线资源意味着，当一个通信节点处于发送状态时，在整个帧的发送期间，所有在该节点信号覆盖范围内的其他通信节点必须处于接收状态。这意味着，要么通信节点以极低的频率发送广播，要么同时处于发送状态的这些通信节点将丢失彼此的广播信息。对于车辆密集场景，系统中存在着大量的安全告警信息的广播需求，广播不可避免的需要在同一时刻不同子载波上进行发送。由于无线资源只能被半双工的使用，当处于同一信号覆盖范围内的多个通信节点同时处于发送状态时，这些通信节点将收不到彼此的广播消息，它们互为通信盲点，这将造成很大的安全隐患。
目前，针对LTE-V中半双工广播问题的研究主要有以下两种：
(1)基于全双工天线(参考文献：Bazzi A,Masini B M,Zanella A.PerformanceAnalysis of V2V Beaconing Using LTE in Direct Mode With Full Duplex Radios[J].IEEE Wireless Communication Letters,2015,4(6):685-688.)：该文提出使用全双工天线解决LTE-V场景中的半双工广播问题，全双工天线技术通过削弱自干扰，将允许通信节点同时处于发送与接收状态。这意味着，在LTE-V场景中，车辆节点可以在发送广播帧的同时解码相同的广播帧，进而获取周围通信节点的广播信息。然而全双工天线技术目前尚未成熟到可以投入商用。
(2)基于簇的中继模式(参考文献：Qian Chen,Fan Wu,Supeng Leng,Sibo Qi,KeZhang.Degree of link dependence-based LTE-V2V clustering and alarminformation forwarding[C].International Conference on Communication in China(ICCC),2016.IEEE,2016:1-6.)：该文提出在基于LTE-V通信场景中，用簇头作为中继节点解决LTE-V场景中的半双工广播问题。虽然该文中消息传输的可靠性相对没有中继的模式有了较大提升，但是，这种基于簇头节点的中继方式仅能覆盖簇内部节点，无法覆盖与广播安全告警车辆相关的所有邻近车辆，此外，基于簇的中继模式中，无线信道资源的空间复用效率并不高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中基于半双工通信的LTE-V场景中半双工的使用无线信道资源时导致的同时发送安全告警信息的车辆通信节点丢失彼此广播消息的问题，针对该问题提出了一种基于半双工通信的安全告警信息中继方法。
本发明的技术方案为：一种基于半双工通信的安全告警信息中继方法，包括以下步骤：
S1、当有安全相关事件发生时，车辆产生安全告警信息广播需求，向基站发起无线信道接入请求；
S2、基站接收到无线信道接入请求后，为相关车辆进行无线资源调度，同时基站根据无线信道资源占用情况、车辆的位置及运行状态信息选择合适的空闲车辆节点作为中继节点，并将无线资源调度结果与中继节点选择结果广播给基站覆盖范围内的车辆；
S3、广播车辆根据接收到的无线资源调度结果，发送安全告警信息，同时被选为中继节点的空闲车辆，监听无线信道，并存储相关的广播信息；
S4、中继节点以合适的发送功率转发接收到的安全告警信息。
进一步地，步骤S1中的安全相关事件产生的准则为：安全事件的到来会导致与该安全事件相关的车辆产生安全告警广播需求，且相关车辆数目与场景中车辆密度与安全事件类型相关。
进一步地，步骤S2中进行中继节点选择的具体过程为：将基站信号覆盖区域内需要中继覆盖的区域划分为小路段，遍历小路段中的所有空闲车辆选择中继节点，选择具有最大权值的中继节点组合。
进一步地，步骤S2具体包括以下分步骤：
S21、基站根据无线资源的占用情况，以及广播车辆的位置信息判断是否进行中继；
S22、当需要进行中继时，基站将需要中继覆盖的区域划分为长度为rw的路段，将每个长度为rw的路段划分为长度为Lw的小路段，其中，rw为安全告警信息的覆盖范围；
S23、基站遍历小路段中的所有空闲车辆，根据车辆位置及运行状态预估信道质量，根据信道质量选择空闲车辆作为备选中继节点，并为其赋予权值；
S24、将相对路段边界距离相同的小路段归为一个集合，选择权值最大的集合为中继节点集合，其中的备选中继节点为实际中继节点。
进一步地，步骤S21中判断是否进行中继的条件为：同时广播安全告警信息的车辆集合为Aw，若满足条件
Figure BDA0001288504290000031
其中，Di,j为车辆i与车辆j间的距离，x,y,z代表了车辆的坐标位置。
进一步地，步骤S23中权值计算方法为：通过预估信道质量计算成功解析报文的概率，选择最大概率值作为该中继节点的权值；即基站通过车辆的位置及运行状态信息预估收发车辆间无线信道的衰落模型，计算出收发车辆间信号的信干噪比，进而获得不同空闲车辆作为中继节点时广播车辆成功解析冲突广播报文的概率，并选择最大成功概率对应的空闲车辆作为备选中继节点，最大成功概率即为备选中继节点的权值，当没有备选中继节点时，该小路段的权值为0。
进一步地，步骤S24中最大权值集合的计算方法为：当集合中不存在为0的权值时，集合有效，否则无效；从有效集合中，选择权值和最大的集合作为最终的中继节点集合，集合中的元素为中继节点；当集合全部无效时，则扩大小路段长度后，重新计算直到存在有效集合为止。
进一步地，步骤S3中广播车辆使用相同的发送功率发送安全告警信息。
进一步地，步骤S4中中继节点转发安全告警信息的具体过程为：中继节点使用接收安全告警信息时对应的RB转发广播消息，转发时使用的发送功率为接收安全告警信息时的接收功率，对于这种中继节点协作功率控制转发安全告警信息的机制，当相邻中继节点间距离Di,j满足|Di,j-rw|＜ε时，其中，ε为预先设定的阈值，中继节点转发安全告警信息的覆盖范围与广播车辆发送安全告警信息时的信号覆盖范围相同。
本发明的有益效果：本发明的中继方法采用功率控制和通信节点存储转发为安全告警信息的传输提供中继，使得广播车辆半双工的使用无线资源的情况下同时发送安全告警信息时，通过中继节点的存储转发广播消息弥补半双工广播问题带来的广播丢失问题，提高了安全告警信息的传输可靠性，保障了半双工广播问题发生时广播车辆依然可以接收到周围广播车辆的安全告警信息。由于基站有全局的无线资源占用情况以及全局车辆的位置及运行状态信息，可以准确判定是否场景是否出现半双工广播问题；此外，通过基站进行集中式的中继节点选择调度可以保证中继节点选择算法的鲁棒性，同时基于最大权的中继节点选择算法在信道质量局部最优的基础上，选出整体最优的中继节点组合，有效解决了半双工广播问题，减少无线资源冲突，进而保证了安全告警信息传输的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的场景示意图。
图2为本发明提供的基于半双工通信的安全告警信息中继方法流程图。
图3为本发明步骤S2的分布流程图。
图4为本发明实施例的中继节点协同功率控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明应用的车联网场景为：密集的高速公路场景，单向三车道，基站沿公路部署。根据现有天线技术，车辆配置半双工天线。在某一时间段，场景中存在着大量发送安全告警信息的需求。由于无线信道资源有限，大量的广播需求导致，广播车辆无法在时域上彼此正交，也就意味着，多个广播车辆在同一时刻发送安全告警信息，进而出现半双工广播问题。所有移动车辆分为三个集合：M1,M2,M3，其中，M1代表了需要发送安全告警信息的车辆集合；M2代表了处于空闲状态的车辆集合；M3代表了其他状态的车辆集合，如图1所示。由场景中的一些空闲节点作为中继节点，存储转发广播车辆的安全告警信息。
基于上述场景，本发明提供了一种基于半双工通信的安全告警信息中继方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、当有安全相关事件发生时，相关车辆产生安全告警信息广播需求，并向基站发起无线信道接入请求。
安全告警信息产生的准则为：安全事件的到来会导致相关车辆产生安全告警广播需求，且相关车辆数目与场景中车辆密度与安全事件类型相关，安全告警信息的覆盖范围为rw。设定，安全事件到来服从均值为λw的泊松分布，安全事件所引发的安全告警信息的数目为一个冲激函数，安全告警信息的覆盖范围为rw。
S2、基站根据接收到的无线信道接入请求，为相关车辆进行无线资源调度，同时，基站根据无线信道资源占用情况、车辆的位置及运行状态信息选择合适的空闲车辆节点作为中继节点，并将无线资源调度结果与中继节点选择结果广播给基站覆盖范围内的车辆；
对于步骤S2中中继节点选择算法，如图3所示，具体过程为：
S21、基站根据无线资源的占用情况，以及广播车辆的位置信息判断是否进行中继,判断是否进行中继的条件为：同时广播安全告警信息的车辆集合为Aw，若满足条件
Figure BDA0001288504290000051
其中，Di,j为车辆i与车辆j间的距离，x,y,z代表了车辆的坐标位置。
S22、当需要进行中继时，基站将需要中继覆盖的区域划分为长度为rw的路段，将每个长度为rw的路段划分为长度为Lw的小路段；
S23、基站遍历小路段中的所有空闲车辆，根据车辆位置及运行状态预估信道质量，根据信道质量选择空闲车辆作为备选中继节点，并为其赋予权值；
通过预估信道质量计算成功解析报文的概率，在中继模式下接收广播的车辆m，其成功解析车辆i发送(车辆k为中继节点)的广播报文的概率
Figure BDA0001288504290000052
具体为：
Figure BDA0001288504290000053
其中，
Figure BDA0001288504290000054
Figure BDA0001288504290000055
PT表示车辆发送安全告警信息的功率，每辆车默认的发送功率相同；P'T表示中继节点转发安全告警信息的功率；Gi表示发送车辆i与接收车辆m之间的信道增益；Gj表示干扰车辆j与接收车辆m之间的信道增益；N表示噪声功率；Ai表示一定范围内，与发送车辆i使用相同无线资源的车辆集合；α表示接收车辆k自干扰的干扰系数；rthreshold表示车辆可以成功解析安全告警信息的最小信干噪比；Prob{}表示满足{}内条件时对应的概率大小。
选择使得所有广播车辆具有最大解析报文成功概率的空闲节点作为中继节点，该概率值作为该中继节点的权值。基站通过车辆的位置及运行状态信息预估收发车辆间无线信道的衰落模型，计算出收发车辆间信号的信干噪比，进而获得不同空闲车辆作为中继节点时广播车辆成功解析冲突广播报文的概率，并选择最大成功概率对应的空闲车辆作为备选中继节点，最大成功概率即为备选中继节点的权值。当没有备选中继节点时，该小路段的权值为0。
S24、将相对路段边界距离相同的小路段归为一个集合，当集合中不存在为0的权值时，集合有效，否则无效。从有效集合中，选择集合元素和最大的集合作为最终的中继节点集合，集合中的元素为中继节点。当集合全部无效时，则扩大小路段长度后，重新计算直到存在有效集合为止。
S3、广播车辆根据接收到的无线资源调度结果，发送安全告警信息，同时，被选为中继节点的空闲车辆，监听无线信道，并存储相关的广播信息；广播车辆使用相同的发送功率发送安全告警信息，安全告警信息的信号覆盖范围为rw，基站的集中式无线资源调度机制保证广播车辆间无线资源冲突可以忽略。
S4、中继节点以合适的发送功率转发接收到的安全告警信息。中继节点转发广播消息的算法为：中继节点使用接收安全告警信息时对应的RB转发广播消息，转发时使用的发送功率为接收安全告警信息时的接收功率。对于这种中继节点协作功率控制转发安全告警信息的机制，当相邻中继节点间距离Di,j满足|Di,j-rw|＜ε时，中继节点转发安全告警信息的覆盖范围与广播车辆发送安全告警信息时的信号覆盖范围相同，进而避免了中继节点间发生无线资源冲突，如图4所示，其中，V1-a为广播车辆，V2、V3为中继节点。
通过上述实施例可以看出，本发明采用的中继节点功率协同控制算法，通过限制相邻中继节点间距离以及中继节点转发信息的发送功率，使得中继节点转发信息的覆盖范围与广播车辆的信号覆盖范围相同，进而避免了中继节点间发生无线资源冲突的概率，有效提高了安全告警信息传输的可靠性，并解决半双工广播问题。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于半双工通信的安全告警信息中继方法，包括以下步骤：
S1、当有安全相关事件发生时，车辆产生安全告警信息广播需求，向基站发起无线信道接入请求；
S2、基站接收到无线信道接入请求后，为相关车辆进行无线资源调度，同时基站根据无线信道资源占用情况、车辆的位置及运行状态信息选择空闲车辆节点作为中继节点，并将无线资源调度结果与中继节点选择结果广播给基站覆盖范围内的车辆；
步骤S2中进行中继节点选择的具体过程为：将基站信号覆盖区域内需要中继覆盖的区域划分为小路段，遍历小路段中的所有空闲车辆选择中继节点，选择具有最大权值的中继节点组合，具体包括以下分步骤：
S21、基站根据无线资源的占用情况，以及广播车辆的位置信息判断是否进行中继；
S22、当需要进行中继时，基站将需要中继覆盖的区域划分为长度为rw的路段，将每个长度为rw的路段划分为长度为Lw的小路段，其中，rw为安全告警信息的覆盖范围；
S23、基站遍历小路段中的所有空闲车辆，根据车辆位置及运行状态预估信道质量，根据信道质量选择空闲车辆作为备选中继节点，并为其赋予权值；
S24、将相对路段边界距离相同的小路段归为一个集合，选择权值最大的集合为中继节点集合，其中的备选中继节点为实际中继节点；
S3、广播车辆根据接收到的无线资源调度结果，发送安全告警信息，同时被选为中继节点的空闲车辆，监听无线信道，并存储相关的广播信息；
S4、中继节点以发送功率转发接收到的安全告警信息。
2.根据权利要求1所述的基于半双工通信的安全告警信息中继方法，其特征在于，步骤S1中所述的安全相关事件产生的准则为：安全事件的到来会导致与该安全事件相关的车辆产生安全告警广播需求，且相关车辆数目与场景中车辆密度与安全事件类型相关。
3.根据权利要求1所述的基于半双工通信的安全告警信息中继方法，其特征在于，步骤S21中判断是否进行中继的条件为：同时广播安全告警信息的车辆集合为Aw，若满足条件
Figure FDA0002526354300000011
其中，Di,j为车辆i与车辆j间的距离，x,y,z代表了车辆的坐标位置。
4.根据权利要求1所述的基于半双工通信的安全告警信息中继方法，其特征在于，步骤S23中权值计算方法为：通过预估信道质量计算成功解析报文的概率，选择最大概率值作为该备选中继节点的权值；即基站通过车辆的位置及运行状态信息预估收发车辆间无线信道的衰落模型，计算出收发车辆间信号的信干噪比，进而获得不同空闲车辆作为中继节点时广播车辆成功解析冲突广播报文的概率，并选择最大成功概率对应的空闲车辆作为备选中继节点，最大成功概率即为备选中继节点的权值，当没有备选中继节点时，该小路段的权值为0。
5.根据权利要求4所述的基于半双工通信的安全告警信息中继方法，其特征在于，通过预估信道质量计算成功解析报文的概率具体过程如下：在中继模式下接收广播的车辆m，其成功解析车辆i发送的广播报文的概率
Figure FDA0002526354300000021
具体为：
Figure FDA0002526354300000022
其中，车辆k为中继节点，
Figure FDA0002526354300000023
Figure FDA0002526354300000024
PT表示车辆发送安全告警信息的功率，每辆车默认的发送功率相同；P'T表示中继节点转发安全告警信息的功率；Gi表示发送车辆i与接收车辆m之间的信道增益；Gj表示干扰车辆j与接收车辆m之间的信道增益；N表示噪声功率；Ai表示一定范围内，与发送车辆i使用相同无线资源的车辆集合；α表示接收车辆k自干扰的干扰系数；rthreshold表示车辆可以成功解析安全告警信息的最小信干噪比；Prob{}表示满足{}内条件时对应的概率大小。
6.根据权利要求1所述的基于半双工通信的安全告警信息中继方法，其特征在于，步骤S24中最大权值集合的计算方法为：当集合中不存在为0的权值时，集合有效，否则无效；从有效集合中，选择权值和最大的集合作为最终的中继节点集合，集合中的元素为中继节点；当集合全部无效时，则扩大小路段长度后，重新计算直到存在有效集合为止。
7.根据权利要求1所述的基于半双工通信的安全告警信息中继方法，其特征在于，步骤S3中广播车辆使用相同的发送功率发送安全告警信息。
8.根据权利要求1所述的基于半双工通信的安全告警信息中继方法，其特征在于，步骤S4中中继节点转发安全告警信息的具体过程为：中继节点使用接收安全告警信息时对应的RB转发广播消息，转发时使用的发送功率为接收安全告警信息时的接收功率，对于这种中继节点协作功率控制转发安全告警信息的机制，当相邻中继节点间距离Di,j满足|Di,j-rw|＜ε时，其中，ε为预先设定的阈值，中继节点转发安全告警信息的覆盖范围与广播车辆发送安全告警信息时的信号覆盖范围相同。
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