CN110677833B

CN110677833B - 蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法

Info

Publication number: CN110677833B
Application number: CN201910950890.5A
Authority: CN
Inventors: 胡剑凌; 王必成; 施若其; 曹洪龙
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: CN110677833A

Abstract

本发明公开了一种蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法。本发明一种蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法，包括：集中式资源分配过程中，时频资源块设定为统一尺寸，根据信道状态信息为车载用户分配时频域、空域以及功率域资源，使车载用户之间形成时频资源正交、空分复用或功率域复用；其中，满足空分复用或功率域复用条件的车载用户簇，以资源块数最少为准则，与时频资源块进行匹配。本发明的有益效果：本发明在资源块设置、功率分配、车载用户与资源块匹配方面，能够有效分析波束内干扰、波束间干扰造成的同伴效应，从而在给定的系统带宽下，使用接近最短的时间可靠地完成所有蜂窝车载用户业务传输，即实现uRLLC场景的时延和可靠性要求。

Description

蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法

技术领域

本发明涉及车联网中的资源分配技术领域，具体涉及一种蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法。

背景技术

实现车辆对外通信的两种主流技术分别是IEEE制定的专用短程通信(DSRC)和3GPP制定的蜂窝车联网(C-V2X)。其中，C-V2X由于工作距离远、覆盖范围大、带宽高、传输速率高而被更广泛地采用。然而，C-V2X的传输时延难以满足超可靠低时延(uRLLC)场景需求，典型的，目前最主流的C-V2X技术——LTE-V具有超过50ms的平均时延。这意味着，在高级驾驶等毫秒级时延约束的应用领域，C-V2X仍然面临挑战。

下行链路半静态资源分配采用集中式C-V2X，例如LTE-V-Cell工作模式，以基站为资源控制中心，不仅大带宽、大覆盖易实现，而且全局信道状态信息可获得。然而，现有的半静态调度方法在充分利用信道状态信息提高传输可靠性与降低调度时延方面存在不足。典型的，LTE-V-Direct模式的局部信道状态信息易导致资源碰撞与重新调度，造成时延不确定性，而LTE-V-Cell模式的自由度利用不足导致有限时频资源下上行/下行半静态调度周期难以进一步缩短。

传统技术存在以下技术问题：

上述问题可以被进一步总结为，如何在给定的系统带宽下，使用尽可能短的时间可靠地完成所有蜂窝车载用户业务传输的问题。因此，在资源块设置、车载用户与资源块匹配等方面，下行半静态资源分配需要更有效地分析波束内干扰、波束间干扰造成的同伴效应。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了本发明主要解决的技术问题是提供一种蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法，能够在保证系统下行传输可靠性的基础上，使蜂窝车联网具有更短的下行半静态调度周期，同时，能够在下行半静态调度周期无法进一步缩短的情况下，使蜂窝车辆网具有更高的传输可靠性下界。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

提供了一种集中式调度的下行半静态资源分配方法：

S1集中式资源分配过程中，时频资源块设定为统一尺寸，根据信道状态信息为车载用户分配时频域、空域以及功率域资源，使车载用户之间形成时频资源正交、空分复用或功率域复用；其中，满足空分复用或功率域复用条件的车载用户簇，以资源块数最少为准则，与时频资源块进行匹配；

S3对各时隙的匹配结果，以可靠性下界最优化为准则，进行功率分配。

在其中一个实施例中，根据业务需求和个体理性，设定时频资源块尺寸，包括：

S1.1资源分配前，根据数据业务需求预设定统一尺寸；

S1.2资源分配分配过程中，如果匹配双方，即车载用户簇和时频资源块，存在个体不理性，则扩大资源块尺寸，直至匹配双方所有个体均理性。

在其中一个实施例中，根据信道状态信息，形成车载用户的空分复用或功率域复用簇，包括：

S2.11首先根据天线阵列特征生成个数满足预编码器量化位数约束的预编码矢量；

S2.12再将各车载用户分配至与其信道相关性最强的预编码矢量处，若某预编码矢量无对应的车载用户，则将其删去；

S2.13然后，被运用的预编码矢量组成预编码矩阵，其中，各预编码矢量对应一个波束，各波束下的车载用户满足空分复用条件；

S2.14最后，各波束下的用户根据信道增益进一步分割为功率域复用簇，利用功率域非正交多址(NOMA)及最小均方差-串行干扰消除(MMSE-SIC)解码各自信号。

在其中一个实施例中，基于匹配理论(Matching Theory)进行车载用户簇与时频资源块匹配，包括：

S2.21利用空域和功率域来尽可能多地复用车载用户，直至当前资源块无法使更多车载用户满足传输可靠性要求；

S2.22然后，基于替代关系为当前资源块及已匹配资源块间的车载用户执行替代判断，直至上述两个资源块下车载用户的传输可靠性下界最优。

优选地，所述偏爱关系分别将各未调度的车载用户簇放入当前资源块，并利用可靠性下界最优的功率分配算法计算当前资源块的可靠性下界，该数值即作为当前资源块对该车载用户簇的偏爱程度。

优选地，所述替代关系产生于同一波束空间的不同车载用户簇在同一时频资源块内，其中用户彼此无法通过时频域、功率域或空域区分；将互为替代关系的车载用户簇分别放入当前资源块，并利用可靠性下界最优的功率分配算法计算当前资源块的可靠性下界，该数值即作为当前资源块内上述车载用户簇替代判决的依据。

在其中一个实施例中，根据凸优化理论(Convex Optimization Theory)进行可靠性下界最优的功率分配，包括：

S3.1可靠性下界最优问题表示为MAX-MIN传输可靠性问题，其满足最大发射功率约束和发射功率非负约束；

S3.2考虑波束内干扰和波束间干扰，传输可靠性关于发射功率非凸，将MAX-MIN传输可靠性问题转换为关于可靠性阈值的发射功率凸优化二分查找问题，即可以O(logn)复杂度解决。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一项所述方法的步骤。

一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行任一项所述的方法。

本发明的有益效果：

本发明在资源块设置、功率分配、车载用户与资源块匹配方面，能够有效分析波束内干扰、波束间干扰造成的同伴效应，从而在给定的系统带宽下，使用接近最短的时间可靠地完成所有蜂窝车载用户业务传输，即实现uRLLC场景的时延和可靠性要求。

附图说明

图1是本发明蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法的执行流程图。

图2是本发明蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法的较佳蜂窝车联网实例示意图。

图例中，201为蜂窝网的资源控制单元，202为模拟波束空间，203为车载用户。

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，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供一种蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法，能够在保证系统下行传输可靠性的基础上，使蜂窝车联网具有更短的下行半静态调度周期，同时，能够在下行半静态调度周期无法进一步缩短的情况下，使蜂窝车辆网具有更高的传输可靠性下界。

上述下行半静态资源分配方法的流程图如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤101：根据信道状态信息与模拟预编码矢量表，进行波束划分和车载用户分簇。

步骤101的具体实施包括：

步骤101-a：根据归一化信道相关性数值为车载用户集U中的元素u∈U选择最优波束，即

其中h_u为车载用户u的信道矩阵，

为第x个波束的模拟预编码矢量。

优选地，

其中a(·)是与h_u组成相一致的阵列转向矢量(ASV)，取决于天线阵列的布局，b＝{0,1,...,2^B-1}为单位相移切换，B为模拟预编码器的量化精度比特数。

典型地，均匀线性阵列(ULA)的ASV表示为

其中，f_c，c，d和m＝{0,1,...,M_BS-1}分别是载波中心频率、光速、天线间距以及天线编号集。

步骤101-b：根据模拟预编码后的等效信道增益差异，为各波束空间下的车载用户进一步划分NOMA簇。

优选地，排序方法为[～,Λ]＝sort(Η,'descend')，其中等效信道增益

若该波束空间包含奇数个车载用户，则分簇方法为

其中i∈{1,2,...,(|Γ_g|-1)/2}，

若该波束空间包含偶数个车载用户，则分簇方法为

其中i∈{1,2,...,|Γ_g|/2}。

步骤101-c：计算个车载用户的数字预编码矢量。

迫零(Zero-forcing)的独立数字预编码计算方法为

其中，

和H分别为数字预编码矢量集和车载用户信道矩阵集，对结果进行归一化，得第g个波束下第n个簇中的第i个车载用户的预编码为

一种下行半静态资源分配方法的较佳蜂窝车联网实例示意图如图2所示。201为蜂窝网络的资源控制单元，可以为宏基站(Macro-BS)，它收集全局信道状态信息，并执行集中式下行半静态资源分配。202为上述步骤101-a中描述的预编码所构成的波束空间，各波束空间下的车载用户强相关，即无法空分，但可以通过步骤101-b功率域复用。

步骤105实现车载用户与时频资源块的匹配，包括步骤102至步骤104。

步骤102：根据簇共同偏好进行资源匹配。

使用非联合的车载用户集V＝{v₁,v₂,...,v_U}和时频资源块集F＝{f₁,f₂,...,f_K}定义上述匹配Ψ。

优选地，Ψ是一个从V∪F到另一个V∪F的映射，满足三个条件：

C102-a：Ψ(v_i)∈F∪{v_i},

C102-b:

C102-c：

若某个V∪F中的元素j偏爱于自身，即Ψ(j)＝j，则该元素是个体不理性的。若存在个体不理性，则调整资源块尺寸。

同簇车载用户必然被同一资源块调度，即同簇车载用户具有簇共同偏好，它与车载用户偏好一致。上述偏好表示为

其中

为各时频资源块的临时可靠性阈值，由功率分配过程确定。

步骤103：以可靠性下界最优为目的，执行替代判决。

同簇车载用户作为一个单元被同一资源块调度，即簇替代与车载用户替代关系一致。上述替代的判决依据为

在其中一个实施例中，若存在两个同波束的车载用户簇

满足

其中

且

则执行替代判决的两个时频资源块(f_k,Ψ(f_k))和(f_ind,Ψ(f_ind))都会被更新。

步骤104：为各时频资源块服务的车载用户进行可靠性最优的功率分配。

第k个时频资源块的可靠性最优的功率分配问题可以表示为

它满足约束

C104-a：

C104-b：

为该资源块下调度的车载用户集。优选地，采用最小均方误差-连续干扰消除(MMSE-SIC)进行信号解码，则解码误差为

其中

P_t和

分别为信道均衡系数、下行最大发射功率和车载用户调度指示符，而

包含波束间干扰、波束内干扰和加性噪声，即

通过对

关于

求导，得到最优的均衡系数为

此时，MSE为

优选地，传输可靠性可以表示为

其中μ是逻辑函数斜率参数，而δ_th是所需的可靠性阈值。

根据上述分析，得

从而将各车载用户的传输可靠性表示为

针对该问题的非凸性，即目标函数

的非凸性，将所述可靠性下界最优化功率分配问题转化为一系列基于二分查找来解决的、具有可变可靠性阈值约束的功率之和最小化功率的分配问题。

根据上述分析，传输可靠性在波束内、波束间干扰下仍具有线性的约束条件，即

C104-c：

于是，等效优化问题为

上述问题的约束条件为C104-a和C104-c。通过设定可靠性阈值的边界来进行二分查找，可以在多项式时间的复杂度内找到可靠性下界最优的功率分配解。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法，其特征在于，包括：

集中式资源分配过程中，时频资源块设定为统一尺寸，根据信道状态信息为车载用户分配时频域、空域以及功率域资源，使车载用户之间形成时频资源正交、空分复用或功率域复用；其中，满足空分复用或功率域复用条件的车载用户簇，以资源块数最少为准则，与时频资源块进行匹配；具体包括：

资源分配前，根据数据业务需求预设定统一尺寸；

资源分配分配过程中，若某个V∪F中的元素j偏爱于自身，即Ψ(j)＝j，则该元素是个体不理性的，其中，V为车载用户簇，F为时频资源块集，若存在个体不理性，则扩大资源块尺寸，直至匹配双方所有个体均理性；

对各时隙的匹配结果，以可靠性下界最优化为准则，进行功率分配，具体包括：

第k个时频资源块的可靠性最优的功率分配问题可以表示为：

约束：

C104-a：

C104-b：

其中，为该资源块下调度的车载用户集；为传输可靠性，为车载用户调度指示符；

传输可靠性在波束内、波束间干扰下仍具有线性的约束条件，即：

C104-c：

其中，包含波束间干扰、波束内干扰和加性噪声；为各时频资源块的临时可靠性阈值；μ是逻辑函数斜率参数；为第g个波束下第n个簇中的第i个车载用户的预编码；

等效优化问题为：

约束条件为C104-a和C104-c；

可靠性下界最优的功率分配算法具体为：

可靠性下界最优问题表示为MAX-MIN传输可靠性问题，其满足最大发射功率约束和发射功率非负约束；

考虑到波束内干扰和波束间干扰，传输可靠性关于发射功率非凸，将MAX-MIN传输可靠性问题转换为关于可靠性阈值的发射功率凸优化二分查找问题，在多项式时间的复杂度内找到可靠性下界最优的功率分配解。

2.如权利要求1所述的蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法，其特征在于，所述车载用户形成空分复用或功率域复用簇具体为：

首先根据天线阵列特征生成个数满足预编码器量化位数约束的预编码矢量；

再将各车载用户分配至与其信道相关性最强的预编码矢量处，若某预编码矢量无对应的车载用户，则将其删去；

然后，被运用的预编码矢量组成预编码矩阵，其中，各预编码矢量对应一个波束，各波束下的车载用户满足空分复用条件；

最后，各波束下的用户根据信道增益进一步分割为功率域复用簇，利用功率域非正交多址NOMA及最小均方差-串行干扰消除MMSE-SIC解码各自信号。

3.如权利要求1所述的蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法，其特征在于，所述车载用户簇与资源块的匹配基于偏爱关系，具体为：

利用空域和功率域来尽可能多地复用车载用户，直至当前资源块无法使更多车载用户满足传输可靠性要求；

然后，基于替代关系为当前资源块及已匹配资源块间的车载用户执行替代判断，直至上述两个资源块下车载用户的传输可靠性下界最优。

4.如权利要求3所述的蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法，其特征在于，所述偏爱关系具体为：

分别将各未调度的车载用户簇放入当前资源块，并利用可靠性下界最优的功率分配算法计算当前资源块的可靠性下界，该可靠性下界数值即作为当前资源块对该车载用户簇的偏爱程度。

5.如权利要求3所述的蜂窝车联网的下行半静态资源分配方法，其特征在于，所述替代关系及其计算方法为：

位于同一波束空间的不同车载用户簇在同一时频资源块内可以形成替代关系，因为它们彼此无法通过时频域、功率域或空域区分；将互为替代关系的车载用户簇分别放入当前资源块，并利用可靠性下界最优的功率分配算法计算当前资源块的可靠性下界，该可靠性下界数值即作为当前资源块内上述车载用户簇替代判决的依据。

6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1到5任一项所述方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1到5任一项所述方法的步骤。

8.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1到5任一项所述的方法。