CN108848560A - 一种基于资源池划分的v2v广播资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于资源池划分的车与车(V2V)广播资源分配方法，属于无线通信技术领域；具体步骤为：首先进行道路规划以及资源池划分，以提高资源的利用率以及隐藏终端造成的干扰。之后将数据包和调度信息(SA)资源的预订信息分别嵌入到SA和数据包中，通过解码相关信息获取资源预留，以减少数据包的资源碰撞。最后实验仿真表明，本发明可以有效提高数据包传输的接收率。

Description

一种基于资源池划分的V2V广播资源分配方法

技术领域

本发明属于智能交通领域，具体是一种基于资源池划分的V2V广播合作意识消息CAM资源分配方法。

背景技术

V2V通信在交通安全、辅助驾驶和智能交通系统等方面发挥了重要作用。在车辆密集的场景下，当车辆周期性地广播信标消息，例如车辆的位置、速度、转向等，提升了车辆之间相互感知的能力、很大程度上降低了驾驶人员的视线盲区导致的安全隐患，从而避免交通事故的发生。本发明首先通过道路规划以及资源池划分减少隐藏终端的干扰，并提高了资源的利用率；其次将数据包和SA资源的预订信息分别嵌入到SA和数据包中，以减少数据包的资源碰撞；最后在资源选取中考虑了半双工约束的影响，进一步提高了数据包的接收率。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高信标消息的可靠性，提高数据包接收率和降低更新时延的基于资源池划分的V2V广播资源分配方法。本发明的技术方案如下：

一种基于资源池划分的V2V广播资源分配方法，其包括，以下步骤：

针对高速公路场景建立通信系统，V2V用户在资源池进行自主资源分配，以最大化成功传输的V2V链路数量为目标建立模型；

根据最小重用距离把道路分成M个固定区域，并通过车辆位置和资源重用概念将数据资源池进行划分，车辆根据自己的位置选择对应资源池；

每辆车分别维护一张SA和数据包资源预留表，由数据包携带SA预留信息，数据资源预留信息由SA发送，车辆通过解码SA和数据包信息进行资源选择；

在数据包开始调度之前，SA进行N_re次重传，通过解码周围车辆发送的数据包信息来监测SA资源使用情况，将解码数据包里选择的资源设置为预留，在每次重传的传输间隔内，选择未预留的资源作为SA传输的资源；

根据解码周围车辆SA获取未预留资源，以及车辆所处位置映射的资源池，在最后一次调度SA到数据包截止的等待时间内进行数据包传输的调度。

进一步的，所述以最大化成功传输的V2V链路数量为目标建立模型，具体包括：为了安全考虑，信标传输的可靠性比吞吐量更重要，因此总的设计目标：在每个周期内，最大化成功传输的V2V链路数量；

X_i,f,t∈{0,1} (3)

1≤i≤N,1≤t≤T,1≤f≤F

J(X,Y,P)表示目标函数，X∈{0，1}^N×F×T表示资源调度矩阵，Y∈{0,1}^N×F×T表示车辆的能正确解码数据包的矩阵，P传输功率矩阵。Z_i,j＝1表示Rx_j成功接收到Tx_i的广播消息，Z_i,j＝0则表示没有成功接收到，X_i,f,t＝1表示车辆i被分配的资源为第t个子帧里的第f个子信道，N表示道路上车辆数，T表示一个周期内的子帧数，F表示一个子帧内的信道数，约束(5)式和(6)式表示一个车辆在一个周期内只能占用一个子帧下的一个子信道。

进一步的，所述根据最小重用距离把道路分成N个固定区域，并通过车辆位置和资源重用概念将数据资源池进行划分，车辆根据自己的位置选择对应资源池，具体包括：

将道路根据分成M个固定区域，用x(i)表示，i＝1,…,M,每个区域的长度为区域ID可以通过地图和GPS获取；其中表示最小重用距离，即不同的发射车辆使用同一资源而不影响感知范围内接收车辆接收数据的距离；公式如下所示:

其中r_aw表示车辆广播的传输距离，γ_min表示接收机能够解码的最小信干噪比，ξ_BW的取值由(6)式和(7)计算可得，n_RB-b表示一个消息传输所需要的RB数量,表示一个子帧内RB的数量，n_sfr-bcn表示传输一个信标消息需要的子帧数；

将数据资源池分成三个部分，用S0，S1和S2表示，每部分由多个RB组成.以3个区段为一个循环,依次标注区段IDz＝x₁,x₂,x₃，对应资源池的S0,S1和S2,连续两个区段内的节点可能会成为对方的隐藏点，其他相邻区段之前关系类似，相隔二个区段的车辆相互复用对方的资源，即x(i)内的车辆可以复用S(j)的资源，S(j)的表达式如下所示：

j＝(i+2)mod3 (7)

地理区域和资源池之间的映射由基站配置，或者由超出网络覆盖范围的车辆根据当前位置确定地理区域标识进行预配置.然后车辆选择映射到该区域的资源池里的资源。

进一步的，所述每辆车分别维护一张SA资源预留表，数据资源预留信息由SA发送，车辆在自己的数据包中携带SA预留信息，当开始调度新一轮的SA后，将SA预留资源的信息将与上一轮调度中最后一个数据包一起发送。

进一步的，在数据包调度之前，车辆安排SA传输，T_curr表示调度开始时间即数据包产生时间所在的子帧序列号，假设SA重传的次数为N_re，调度第一个SA资源时，车辆根据资源预留从时间窗口[T_curr+T_sa,low,T_curr+T_sa,up]内的空闲SA资源中选取，T_sa,low和T_sa,up分别是SA资源选择窗口的下限和上限，基于数据包的传输延迟，T_sa,low和T_sa,up分别设置为2和5，第一个SA调度完成后，假设选择的子帧为T_sa,1，第二个SA的调度类似于第一次调度，在时间窗口[T_sa,1+2,T_sa,1+5]中的空闲资源中选取，重复以上步骤，直到N_re+1次SA被调度。

进一步的，所述SA调度的约束条件是：调度子帧不超过T_curr+T_d/5个子帧，以便为数据包的资源调度留下足够的资源，T_d表示数据包的等待时间。

进一步的，所述根据解码周围车辆SA获取未预留资源，以及车辆所处位置映射的资源池，在最后一次调度SA到数据包截止的等待时间内进行数据包传输的调度，具体包括：数据包传输是在最后一次调度的SA重传之后进行调度，假设最后一次SA重传安排在第T_sa,Nsch个子帧上，车辆则在第[T_sa,Nsch+2,T_curr+T_d]个子帧中根据所处道路位置和资源预留选取对应资源池里的资源，资源选择时，避免选择预留资源所在子帧内的空闲资源，如果所有预留的RB存在于所有可以选择的子帧时，则选择预留的RB最少的子帧。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的创新点包括：

1、通过道路规划以及资源池划分减少隐藏终端的干扰，并提高了资源的利用率；

2、数据包和SA资源的预订信息分别嵌入到SA和数据包中，以减少数据包的资源碰撞；

3、资源选取中考虑了半双工约束的影响，进一步提高了数据包的接收率

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的方法原理图；

图2为本发明的V2V广播通信场景；

图3为本发明的区段划分及资源池规划；

图4为本发明的SA调度及资源池结构；

图5为本发明的数据包调度；

图6为本发明的MCS＝6下3种算法数据包接收率比较；

图7为本发明的MCS＝8下3种算法数据包接收率比较；

图8为本发明的MCS＝10下3种算法数据包接收率比较；

图9为本发明的3种算法下的更新时延累积分布对比；

图10为本发明的3种算法下的传输时延累积分布对比；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明针对高密度的交通环境下资源选择碰撞问题，提出了基于资源池划分的分布式资源分配算法。该算法首先进行道路的规划以及资源池的划分，减小了隐藏终端造成的干扰，并提高了资源的利用率；之后将数据包和SA资源的预订信息分别嵌入到SA和数据包中，以减少数据包的资源碰撞；最后在资源选取中考虑了半双工约束，进一步提高了数据包接收率。仿真结果表明，该算法在数据包接收率和更新时延方面取得了较好的性能。

具体实施方式如下：

步骤ⅰ、建立通信系统：

在V2V高速公路场景中，假设N辆车都具有GPS定位系统，车辆节点随时都可以知道自己的位置信息，速度方向等，每个车辆节点周期性地向位于其广播范围内的其他用户广播信标消息，如图2所示。因为广播的消息为安全消息，所以使用专用资源池进行资源分配。专用资源池在时域上分为100个子帧，每个子帧1ms，频域上共50个资源块(RB)。

步骤ⅱ、建立模型

V2V广播时，接收车辆Rx_j的信干噪比可以表示为：

P_T表示发射车辆Tx_i广播消息时的固定功率，H_i,j表示Tx_i到Rx_j的信道增益。在车联网中，精确的CSI不容易获取，因此，H_i,j只考虑路径损耗和大尺度衰落，H_i,j＝G·β_i,j·(d_i,j)^-α，其中，G表示天线增益，β_i,j表示Tx_i到Rx_j的路径损耗，d_i,j表示Tx_i和Rx_j的距离，α表示路径损耗指数。u_i表示与Tx_i共享相同时频资源的集合，v_j表示与Tx_i在同一子帧下，但不在同一子信道的集合。H_aj表示Tx_a到Rx_j的信道增益，H_bj表示Tx_b与Rx_j的信道增益，σ²表示高斯白噪声，1/ζ_x为相邻信道干扰比，是发射功率与相邻RB功率的比值。第一个干扰为同频干扰，第二个干扰为领频干扰。

只有当γ_j≥γ_min时，接收车辆才能正确解码，γ_min表示成功解码消息的最小SINR。

此时Y_j,f,t＝1表示接收机j在第t个子帧中的第f个子信道能够正确解码，否则Y_j,f,t＝0。

X_i,f,t＝1表示车辆i被分配的资源为第t个子帧里的第f个子信道。X_i,f,t＝0则表示没有被分配。Z_i,j＝1表示Rx_j成功接收到Tx_i的广播消息，Z_i,j＝0则表示没有成功接收到。

为了安全考虑，信标传输的可靠性比吞吐量更重要。因此总的设计目标：在每个周期内，最大化成功传输的V2V链路数量。

X_i,f,t∈{0,1} (6)

1≤i≤N,1≤t≤T,1≤f≤F

N表示道路上车辆数，T表示一个周期内的子帧数，F表示一个子帧内的信道数。约束(5)式和(6)式表示一个车辆在一个周期内只能占用一个子帧下的一个子信道。

步骤ⅲ、道路规划及资源池划分：

因为道路上的车辆运动受到道路拓扑的限制，所以将道路根据分成M个固定区域，如图3所示，用x(i)表示，i＝1,…,N,每个区域的长度为区域ID可以通过地图和GPS获取。

其中表示最小重用距离，即不同的发射车辆使用同一资源而不影响感知范围内接收车辆接收数据的距离。公式如下所示:

其中r_aw表示车辆广播的传输距离，γ_min表示接收机能够解码的最小信干噪比，ξ_BW的取值由(6)式和(7)计算可得，n_RB-b表示一个消息传输所需要的RB数量,表示一个子帧内RB的数量，n_sfr-bcn表示传输一个信标消息需要的子帧数。

将数据资源池(Data池)分成三个部分，用S0，S1和S2表示，每部分由多个RB组成.资源稀缺，通过资源重用提高资源的利用率，所以根据车辆位置和资源重用概念，以3个区段为一个循环,依次标注区段IDz＝x₁,x₂,x₃，对应资源池的S0,S1和S2,连续两个区段内的节点可能会成为对方的隐藏点，其他相邻区段之前关系类似，因此只要合理划分道路和资源池即可降低隐藏节点问题引起的冲突.相隔二个区段的车辆相互复用对方的资源，则会避免资源重用带来的严重干扰.即x(i)内的车辆可以复用S(j)的资源，S(j)的表达式如下所示：

j＝(i+2)mod3 (10)

地理区域和资源池之间的映射既可以由基站配置，也可以由超出网络覆盖范围的车辆根据当前位置确定地理区域标识进行预配置.然后车辆选择映射到该区域的资源池里的资源.

步骤iv、资源预留：

资源预留应用于减少资源冲突，在传输数据之前，发送车辆尝试解码SA中和数据包传输相关联的V2V数据，以便确定数据资源池里的资源占用情况。每辆车分别维护一张SA和数据包资源预留表，数据资源预留信息由SA发送，车辆在自己的数据包中携带SA预留信息。当开始调度新一轮的数据包资源时，将SA预留资源的信息将与上一轮调度中最后一个数据包一起发送，数据资源预留信息则由当前SA一起发送。

步骤v、SA调度：

在数据包调度之前，车辆安排SA传输。T_curr表示调度开始时间(数据包产生时间所在的子帧序列号)。假设SA重传的次数为N_re。调度第一个SA资源时，车辆根据资源预留从时间窗口[T_curr+T_sa,low,T_curr+T_sa,up]内的空闲SA资源中选取，T_sa,low和T_sa,up分别是SA资源选择窗口的下限和上限，基于数据包的传输延迟，T_sa,low和T_sa,up分别设置为2和5。第一个SA调度完成后，假设选择的子帧为T_sa,1，第二个SA的调度类似于第一次调度，在时间窗口[T_sa,1+2,T_sa,1+5]中的空闲资源中选取。重复以上步骤，直到N_re+1次SA被调度。SA调度的约束条件是：调度子帧不超过T_curr+T_d/5个子帧，以便为数据包的资源调度留下足够的资源，T_d表示数据包的等待时间。

如图4所示，在第66个子帧中，车辆发送SA，该SA携带第68个子帧的资源预留信息。当车辆开始调度新一轮的SA后，将第142个子帧的SA预留信息和上一轮调度中最后一个数据包一起发送。因为信标消息是周期性的，所以在传输当前数据包之前，就开始选取下一个周期的SA资源，并将资源预留信息嵌入到当前数据包里一起发送，以便周围车辆通过解码周围车辆的数据包信息，获取SA资源预留，从而避免SA资源碰撞。)

步骤vi、数据包资源选择：

数据包传输是在最后一次调度的SA重传之后进行调度。假设最后一次SA重传安排在第T_sa,Nsch个子帧上，如图5所示，阴影图表示预留资源，白色图表示空闲资源。车辆则在第[T_sa,Nsch+2,T_curr+T_d]个子帧中根据所处道路位置和资源预留选取对应资源池里的资源。资源选择时，避免选择预留资源所在子帧内的空闲资源，如果所有预留的RB存在于所有可以选择的子帧时，则选择预留的RB存在最少的子帧。

步骤vii、系统仿真：

步骤vii、分别比较了三种算法的数据包接收率、更新时延和数据包传输时延。

如图6、7、8所示，数据包接收率会随着r_aw的增加而逐渐下降，这是因为当r_aw增加时，车辆周围会有更多的邻居车辆产生信标，导致SINR降低，使车辆对一些邻居车辆发送的SA信息解码失败，产生更多的资源碰撞，从而使数据包的接收率逐渐降低。随机资源调度虽易于实现，但会产生严重的资源碰撞，数据包接收率较低。基于SA解码的资源调度通过解码控制信息获取资源预留信息，从而减少了资源碰撞。本文算法在基于SA解码的算法中，将资源池进行划分，并将SA的预留信息嵌入到数据包中，从而进一步减少了资源的碰撞，提高了数据包的接收率。最后分别比较了调制与编码策略(Modulation and Coding Scheme，MCS)取6，8，10时的数据包接收率，从图中可以看出，随着MCS索引值的降低，数据包接收率也随之降低，这是因为MCS索引值的降低会导致每个子帧内支持的用户数量减少。

表1仿真参数设置

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于资源池划分的V2V广播资源分配方法，其特征在于，包括，以下步骤：

针对高速公路场景建立通信系统，V2V用户在资源池进行自主资源分配，以最大化成功传输的V2V链路数量为目标建立模型；

根据最小重用距离把道路分成M个固定区域，并通过车辆位置和资源重用概念将数据资源池进行划分，车辆根据自己的位置选择对应资源池；

每辆车分别维护一张SA和数据包资源预留表，其中所述资源预留表在资源池里，部分资源已被预订使用，剩余部分资源没有被预订，在资源池里进行资源选择时，选取没有被预订的资源，由数据包携带SA预留信息，数据资源预留信息由SA发送，车辆通过解码SA和数据包信息进行资源选择；

在数据包开始调度之前，SA进行N_re次重传，通过解码周围车辆发送的数据包信息来监测SA资源使用情况，将解码数据包里选择的资源设置为预留，在每次重传的传输间隔内，选择未预留的资源作为SA传输的资源；

根据解码周围车辆SA获取未预留资源，以及车辆所处位置映射的资源池，在最后一次调度SA到数据包截止的等待时间内进行数据包传输的调度。

2.根据权利要求1所述的一种基于资源池划分的V2V广播资源分配方法，其特征在于，所述以最大化成功传输的V2V链路数量为目标建立模型，具体包括：为了安全考虑，信标的传输可靠性比吞吐量更重要，因此总的设计目标：在每个周期内，最大化成功传输的V2V链路数量；

X_i,f,t∈{0,1} (3)

1≤i≤N,1≤t≤T,1≤f≤F

J(X,Y,P)表示目标函数，X∈{0，1}^N×F×T表示资源调度矩阵，Y∈{0,1}^N×F×T表示车辆的能正确解码数据包的矩阵，P传输功率矩阵，Z_i,j＝1表示Rx_j成功接收到Tx_i的广播消息，Z_i,j＝0则表示没有成功接收到，X_i,f,t＝1表示车辆i被分配的资源为第t个子帧里的第f个子信道，N表示道路上车辆数，T表示一个周期内的子帧数，F表示一个子帧内的信道数，约束(5)式和(6)式表示一个车辆在一个周期内只能占用一个子帧下的一个子信道。

3.根据权利要求1所述的一种基于资源池划分的V2V广播资源分配方法，其特征在于，所述根据最小重用距离把道路分成M个固定区域，并通过车辆位置和资源重用概念将数据资源池进行划分，车辆根据自己的位置选择对应资源池，具体包括：

将道路根据分成M个固定区域，用x(i)表示，i＝1,…,M,每个区域的长度为区域ID可以通过地图和GPS获取；其中表示最小重用距离，即不同的发射车辆使用同一资源而不影响感知范围内接收车辆接收数据的距离；公式如下所示:

其中r_aw表示车辆广播的传输距离，γ_min表示接收机能够解码的最小信干噪比，ξ_BW的取值由(6)式和(7)计算可得，n_RB-b表示一个消息传输所需要的RB数量,表示一个子帧内RB的数量，n_sfr-bcn表示传输一个信标消息需要的子帧数；

将数据资源池分成三个部分，用S0，S1和S2表示，每部分由多个RB组成.以3个区段为一个循环,依次标注区段IDz＝x₁,x₂,x₃，对应资源池的S0,S1和S2,连续两个区段内的节点可能会成为对方的隐藏点，其他相邻区段之前关系类似，相隔二个区段的车辆相互复用对方的资源，即x(i)内的车辆可以复用S(j)的资源，S(j)的表达式如下所示：

j＝(i+2)mod3 (7)

地理区域和资源池之间的映射由基站配置，或者由超出网络覆盖范围的车辆根据当前位置确定地理区域标识进行预配置.然后车辆选择映射到该区域的资源池里的资源。

4.根据权利要求1所述的一种基于资源池划分的V2V广播资源分配方法，其特征在于，所述每辆车分别维护一张SA和数据包资源预留表，数据包资源预留信息由SA发送，车辆在自己的数据包中携带SA预留信息。当开始调度新一轮的数据包资源时，将SA预留资源的信息将与上一轮调度中最后一个数据包一起发送，数据资源预留信息则由当前SA发送。

5.根据权利要求4所述的一种基于资源池划分的V2V广播资源分配方法，其特征在于，在数据包调度之前，车辆安排SA传输，T_curr表示调度开始时间即数据包产生时间所在的子帧序列号，假设SA重传的次数为N_re，调度第一个SA资源时，车辆根据资源预留从时间窗口[T_curr+T_sa,low,T_curr+T_sa,up]内的空闲SA资源中选取，T_sa,low和T_sa,up分别是SA资源选择窗口的下限和上限，基于数据包的传输延迟，T_sa,low和T_sa,up分别设置为2和5，第一个SA调度完成后，假设选择的子帧为T_sa,1，第二个SA的调度类似于第一次调度，在时间窗口[T_sa,1+2,T_sa,1+5]中的空闲资源中选取，重复以上步骤，直到N_re+1次SA被调度。

6.根据权利要求5所述的一种基于资源池划分的V2V广播资源分配方法，其特征在于，所述SA调度的约束条件是：调度子帧不超过T_curr+T_d/5个子帧，以便为数据包的资源调度留下足够的资源，T_d表示数据包的等待时间。

7.根据权利要求5所述的一种基于资源池划分的V2V广播资源分配方法，其特征在于，所述根据解码周围车辆SA获取未预留资源，以及车辆所处位置映射的资源池，在最后一次调度SA到数据包截止的等待时间内进行数据包传输的调度，具体包括：数据包传输是在最后一次调度的SA重传之后进行调度，假设最后一次SA重传安排在第T_sa,Nsch个子帧上，车辆则在第[T_sa,Nsch+2,T_curr+T_d]个子帧中根据所处道路位置和资源预留选取对应资源池里的资源，资源选择时，避免选择预留资源所在子帧内的空闲资源，如果所有预留的RB存在于所有可以选择的子帧时，则选择预留的RB最少的子帧。