CN112911547B - 一种车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对车联网车与车通信的情况,提供一种车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,包括单一利用车联网Uu、PC5接入模式,以及同时利用Uu和PC5多接入模式:一方面,可以在Uu和PC5通信模式下分别传输不同的信息数据以增加传输吞吐量;另一方面,可以在Uu和PC5通信模式下传输相同的信息数据以提升传输可靠性的需求,在同时利用Uu和PC5通信模式并传输相同的信息数据的情况下,在信息接收端采用最大比链路合并的方式,由于车联网中车辆移动速度快、网络拓扑动态性高、行驶场景复杂等特性,需要考虑多种参数,因此,设计低复杂度的方法进行自适应接入模式选择,并建立稳定可靠的通信链路,有效提高车联网信息传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域,具体是一种车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法。
背景技术
车联网技术通过无线接入技术让道路上安装了车载设备单元的车辆可以与行人、相邻的智能网联汽车、路侧设备单元或者基站等实体便捷地进行各种信息的交换和传播。通过这种方式,智能网联汽车可以获取碰撞预警等信息,从而及时采取相应的措施,进而降低交通事故的发生率、提升自动驾驶车辆的安全性。道路管理者可以利用车联网技术实时获取交通信息,通过车速引导等方式缓解城市交通的拥堵状况,并达到车辆节能减排的目的。
现有的车联网无线接入技术主要由蜂窝车联网技术方案主导。技术方案提供了Uu蜂窝通信接口和PC5短距离直连通信接口两种通信模式以支持V2X服务,在通过Uu接口的通信模式中,通信中的车辆需要经过基站转发才能进行通信。该方式具有覆盖范围广、链路连续性高的优点,然而会引起较高的时延,并消耗较多的信道资源。在通过PC5接口的通信模式中也称为侧链路通信,通信的车辆之间可以不经过基站而直接进行通信来实现车辆之间的信息交互。该方式造成的时延较小,然而存在通信距离有限、信道质量不稳定等问题。同时,车联网中车辆移动速度较快特别是在高速环境中,使得车辆彼此之间Vehicle-to-Vehicle,V2V通信或者车辆与基础设施Vehicle-to-Infrastructure,V2I通信的时间非常短,造成频繁的通信链路连接和断开的问题,也引起车联网网络拓扑的高动态性。另外,由于车辆行驶场景、路况的复杂性,车联网通信信道存在视距,移动车辆造成的非视距和非视距三种路径损耗模型,进一步给车联网中的数据传输带来不确定性。车联网还具有业务需求多样性的特征,不同类型的信息如安全相关类信息、娱乐服务类信息对数据速率、传输时延、传输可靠性等通信性能指标具有不同的要求。车联网中的这些特性使得建立一条稳定可靠的通信链路至关重要,可以有效提高信息传输效率。
因此,根据具体的业务需求自适应选择Uu和PC5通信接入模式将成为建立稳定可靠的通信链路的关键。目前,在车联网通信接入模式的自适应选择理论的方案中,仅利用较为单一的性能指标作为模式选择参考依据。另外,还较少见同时利用两种通信模式作为车辆接入网络方式的研究。
经过对现有技术的检索发现,L.Ji等人在《IEEE Wireless Communications andNetworking Conference(WCNC),April 2018,pp.1-6(电气电子工程师协会无线通信和网络国际会议,2018年4月,第1-6页)》上发表了文章“Multi-RATs Support to Improve V2XCommunication(基于多种无线电接入技术支持的车联网通信提升)”,该文基于LTE的Uu和PC5通信接口,提出了同时利用Uu和PC5多接入模式以提升数据传输的可靠性。但是该文仅通过仿真模拟进行了性能比较与单一利用Uu、PC5模式对比,未考虑具体的接入模式切换方法。同时,该文并没有考虑在接收端的链路合并方式,也没有考虑同时利用Uu和PC5多模式接入以提升数据传输吞吐量的情况。A.Kousaridas等人在《IEEE 30th AnnualInternational Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC),September 2019,pp.1-7(第30届电气电子工程师协会个人、室内与移动通信国际会议,2019年9月,第1-7页)》上发表了文章“Multi-Connectivity Management for 5G V2XCommunication(面向5G车联网通信的多连接管理)”,该文基于5G的Uu和PC5通信接口,提出同时利用Uu和PC5多接入模式,并在两种接入模式中传输相同信息以提升传输可靠性、在两种接入模式中传输不同信息以提升传输吞吐量。但是该文主要关注多接入模式的协议层实现方法,没有考虑多接入模式下接收端的链路合并方式,也没有对接入模式切换方法进行具体说明。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明提供一种车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,可以有效的解决上述问题。
为了实现上述目的,本发明通过以下技术方案实现:一种车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,包括以下步骤:
步骤一:在车联网信息发送端即信息发送车辆单一利用Uu或PC5接入模式的情况下,建立车联网信息发送端与接收端之间的等效信号与干扰加噪声比模型,以及预计传输速率、时延数学模型;
步骤二:在车联网信息发送端即信息发送车辆同时利用Uu和PC5多接入模式的情况下,建立车联网信息发送端与接收端之间的等效信号与干扰加噪声比模型,以及预计传输速率、时延数学模型;
步骤三:基站获取车联网信息发送车辆相关的信道模型以及传输数据速率/时延要求和其他相关参数,并进行资源预分配;
步骤四:基站通过步骤三中获取的信道模型信息以及预分配的资源,按照步骤一、步骤二中的数学模型计算预期传输性能即速率和时延;
步骤五:基站根据步骤四中得到的预期传输性能,结合信息发送车辆的传输数据速率/时延要求,通过自适应选择的方法,挑选满足数据传输需求的通信接入模式,并从中选择通信费用最低的通信模式进行自适应选择切换;
步骤六:基站将模式切换结果通过下行传输告知信息发送车辆;信息发送车辆按照模式切换结果传输数据。
进一步的,所述的Uu和PC5接入模式下的等效信号与干扰加噪声比模型以及预计传输速率、传输时延数学模型,在通过Uu接口的通信模式中,将pi表示为Uu接口通信模式中信息发送车辆i上行传输数据给基站时的传输功率,hi,BS表示信息发送车辆i和基站之间的信道增益,则信息发送车辆i的上行传输阶段在资源块n上的等效信号与干扰加噪声比表示为:
预计传输速率表示为:
预计传输时延表示为:
其中σ2为噪声功率,∑jεκ,j≠iaj,n.Pj.hj,BS为基站覆盖范围内其他车辆传输信息对基站BS造成干扰的能量之和,由于其他车辆通过PC5接口的通信模式可以复用信息发送车辆i上行传输阶段的资源块,因此对信息传输造成干扰,表示Uu通信模式下车辆i和资源块n的使用情况,τ=-1.5/ln(5·BER)为采用MQAM调制方式时,在目标误码率BER与传输可靠性直接相关下的最大编码增益;
在通过PC5接口的通信模式中,将pi表示为PC5接口通信模式中信息发送车辆i的传输功率,hi,j表示信息发送车辆i和信息接收车辆j之间的信道增益,等效信号与干扰加噪声比表示为:
预计传输速率表示为:
预计传输时延表示为:
其中,∑mεκ,m≠i,jam,n.Pm.hm,j表示基站覆盖范围内其他车辆传输信息对信息接收车辆j造成干扰的能量之和,由于其他车辆通过Uu接口的通信模式可以复用信息发送车辆i在PC5接口通信模式中的资源块,因此对信息传输造成干扰,表示PC5通信模式下车辆i和资源块n的使用情况,Li是信息发送车辆i总的发送数据大小。
进一步的,所述的Uu和PC5多接入模式是指:同时利用Uu和PC5通信接入模式并传输相同信息数据以提升传输可靠性;同时利用Uu和PC5通信接入模式并传输不同信息数据以提升传输吞吐量;且对于同时利用Uu和PC5通信接入模式并传输相同信息数据的情况,在接收端采用最大比链路合并方式。
进一步的,所述的同时利用Uu和PC5多接入模式下的等效信号与干扰加噪声比模型以及预计传输速率、时延数学模型,在同时利用Uu和PC5多接入模式并传输相同的信息的情况下,等效信号与干扰加噪声比表示为:
信息发送车辆i预计传输速率表示为:
预计传输时延表示为:
在同时利用Uu和PC5多接入模式并传输不同的信息的情况下,用serial表示该情况,预计传输速率表示为:
其中,
预计传输时延表示为:
进一步的,所述的资源预分配是指:在考虑信息发送端和接收端都在基站覆盖范围内的情况下,Uu和PC5接入模式都依靠基站为信息发送端分配传输资源,即数据传输带宽。
进一步的,所述的其他相关参数是指:目标误码率、信息发送车辆的传输功率。
进一步的,所述的自适应选择方法是指:基站根据车联网信息发送车辆的数据传输需求,与不同接入模式下计算得到通信性能进行对比,并挑选满足数据传输需求的通信接入模式,从中选择通信费用最低的通信模式进行自适应选择切换。
进一步的,所述通信费用的计算方法为:
在单一利用Uu通信模式的情况下,其通信费用为:
costUu=costunit,Uu·Li
在单一利用PC5通信模式的情况下,其通信费用为:
costPC5=costunit,PC5·Li
在同时利用Uu和PC5通信模式,并传输相同信息的情况下,其通信费用为:
costMRC=costunit,Uu·Li+costunit,PC5·Li
在同时利用Uu和PC5通信模式,并传输不同信息的情况下,信息发送车辆在Uu和PC5通信模式中各传输Li/2的数据量,其通信费用为:
costserial=costunit,Uu·Li/2+costunit,PC5·Li/2,
其中costunit,Uu、costunit,PC5分别记为Uu和PC5模式下单位数据传输的通信费用。
本发明与现有技术相比较,具有以下显著优点:
1.充分利用蜂窝车联网技术方案中Uu和PC5两种通信模式的特性,综合考虑在Uu和PC5通信模式下分别传输不同的信息数据以增加传输吞吐量和分别传输相同的信息数据以提升传输可靠性的多接入模式。
2.对于同时利用Uu和PC5通信接入模式并传输相同信息数据的情况,在接收端采用最大比链路合并方式。
3.提供一种低复杂度的、基于多性能指标参照的自适应接入模式选择机制,建立稳定可靠的通信链路,实现车联网信息传输效率的有效提升。
附图说明
图1是车联网车与车通信模式示例图;
图2是车联网车与车通信同时利用Uu和PC5通信模式的示例图;
图3是车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法的步骤框图;
图1中:(a)、Uu通信模式车与车通过基站进行通信,(b)、PC5通信模式车与车直接进行通信,(c)、车与车直接通信受大货车遮挡的影响;
图2中:(a)、在两种通信模式中传输相同的信息,(b)、在两种通信模式中传输不同的信息。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
车联网通信系统中,用κ={1,2,...,K}表示所有基站覆盖范围内的车辆的集和;系统传输资源(带宽)可以表示为资源块,将N={1,2,...,N}表示为资源块的集和,其中N为资源块的总数,将W表示为每个资源块的带宽,其中每个车联网信息发送端的Uu/PC5模式各最多只能占用一个资源块,将信息发送车辆记为i,将信息接收车辆记为j,将基站记为BS;ai,n∈{0,1}表示车辆i和资源块n的使用情况ai,n=0表示车辆i不使用资源块n;ai,n=1表示车辆i使用资源块n;通信链路从发送端i到接收端j,表示为(i,j);hi,j表示通信链路(i,j)之间的信道增益。
本实施例包括以下步骤:
步骤1、在车联网信息发送端即信息发送车辆单一利用Uu或PC5接入模式的情况下,建立车联网信息发送端与接收端之间的等效信号与干扰加噪声比模型,以及预计传输速率、时延数学模型。
图1是车联网车与车通信模式示例图,其中图1(a)表示通过Uu接口的通信模式,在该模式中,通信中的车辆需要经过基站转发才能进行通信;该方式具有覆盖范围广、链路连续性高的优点,然而会引起较高的时延,并消耗较多的信道资源;图1(b)表示通过PC5接口的通信模式,在该模式中,通信的车辆之间可以不经过基站而直接进行通信来实现车辆之间的信息交互;该方式造成的时延较小,然而存在通信距离有限、信道质量不稳定等问题;同时,如图1(c)所示,车联网由于车辆行驶场景、路况的复杂性,车联网车与车通信可能会受大货车遮挡的影响,造成移动车辆造成的非视距路径损耗,进一步给车联网中的数据传输带来不确定性。
在通过Uu接口的通信模式中,信息发送车辆i先通过上行传输将数据发送给基站BS,基站BS再通过下行传输将数据发送给信息接收车辆j,不失一般性的,基站比信息发送车辆具有更高的传输功率,因此在Uu接口的通信模式中,上行传输阶段与下行传输阶段相比,具有更小的等效信号与干扰加噪声比;由此,通过Uu接口的通信模式的通信性能受限于上行传输阶段的等效信号与干扰加噪声比;将pi表示为Uu接口通信模式中信息发送车辆i上行传输数据给基站时的传输功率,hi,BS表示信息发送车辆i和基站之间的信道增益,则信息发送车辆i的上行传输阶段在资源块n上的等效信号与干扰加噪声比可以表示为:
其中,σ2为噪声功率,∑jεκ,j≠iaj,n.Pj.hj,BS为基站覆盖范围内其他车辆传输信息对基站BS造成干扰的能量之和由于其他车辆通过PC5接口的通信模式可以复用信息发送车辆i上行传输阶段的资源块,因此对信息传输造成干扰,表示Uu通信模式下车辆i和资源块n的使用情况,τ=-1.5/ln(5·BER)为采用MQAM调制方式时5G新空口采用该调制方式,在目标误码率BER与传输可靠性直接相关下的最大编码增益;在通过Uu接口的通信模式中,信息发送车辆i的可达传输速率可以表示为:
其中Li是信息发送车辆i总的发送数据大小。
在通过PC5接口的通信模式中,信息发送车辆i直接将数据发送给信息接收车辆j,等效信号与干扰加噪声比可以表示为:
其中,pi表示为PC5接口通信模式中信息发送车辆i的传输功率,hi,j表示信息发送车辆i和信息接收车辆j之间的信道增益,∑mεκ,m≠i,jam,n.Pm.hm,j表示基站覆盖范围内其他车辆传输信息对信息接收车辆j造成干扰的能量之和由于其他车辆通过Uu接口的通信模式可以复用信息发送车辆i在PC5接口通信模式中的资源块,因此对信息传输造成干扰,表示PC5通信模式下车辆i和资源块n的使用情况;在通过PC5接口的通信模式中,信息发送车辆i的可达传输速率可以表示为:
其中Li是信息发送车辆i总的发送数据大小。
步骤2、在车联网信息发送端即信息发送车辆同时利用Uu和PC5多接入模式的情况下,建立车联网信息发送端与接收端之间的等效信号与干扰加噪声比模型,以及预计传输速率、时延数学模型。
图2是车联网车与车通信同时利用Uu和PC5通信模式的示例图,其中图2(a)表示两种通信模式中传输相同的信息,图2(b)表示在两种通信模式中传输不同的信息。
在同时利用Uu和PC5通信模式情况下,车联网信息发送端使用一部分发射功率通过Uu通信模式进行数据传输,该模式下发射功率记为(1-β)Pi,其中β(0<β<1)为Uu和PC5通信模式下发送功率的调节参数不失一般性的,可以使β=0.5;车联网信息发送端使用剩下的发射功率通过PC5通信模式进行数据传输,该模式下发射功率记为β·Pi。
信息发送车辆i的可达传输速率可以表示为:
其中Li是信息发送车辆i总的发送数据大小。
如图2(b)所示,在两种通信模式中传输不同的信息时,如前述分析,该情况下用serial表示该情况,通过Uu通信模式的等效信号与干扰加噪声比可以表示为:
则该情况下,Uu通信模式中信息发送车辆i的可达传输速率可以表示为:
该情况下通过PC5通信模式的等效信号与干扰加噪声比可以表示为:
则该情况下,PC5通信模式中信息发送车辆i的可达传输速率可以表示为:
综上,在两种通信模式中传输不同的信息时,信息发送车辆i的可达传输速率可以表示为:
其中Li是信息发送车辆i总的发送数据大小。
步骤3、基站获取车联网信息发送车辆相关的信道模型hi,BS、hi,j以及传输数据速率/时延要求和其他相关参数目标误码率BER、信息发送车辆的传输功率pi,并进行资源预分配。
步骤4、基站通过中获取的车联网信息发送车辆相关的信道模型信息和其他相关参数,以及预分配的资源,计算预期传输速率、时延。
步骤5、基站根据得到的预期传输速率、时延,结合信息发送车辆的传输数据速率/时延要求,挑选满足数据传输需求的通信接入模式,并计算这些通信接入模式对应的通信费用,并作出切换至通信费用最低的通信模式的决策。若没有满足数据传输需求的通信接入模式,则返回步骤4重新进行资源预分配。
通信接入模式对应的通信费用的计算方法为:
将costunit,Uu、costunit,PC5分别记为Uu和PC5模式下单位数据传输的通信费用;因此,在单一利用Uu通信模式的情况下,其通信费用为:
costUu=costunit,Uu·Li
其中Li是信息发送车辆i总的发送数据大小;在单一利用PC5通信模式的情况下,其通信费用为:
costPC5=costunit,PC5·Li
在同时利用Uu和PC5通信模式,并传输相同信息的情况下,其通信费用为:
costMRC=costunit,Uu·Li+costunit,PC5·Li
在同时利用Uu和PC5通信模式,并传输不同信息的情况下信息发送车辆在Uu和PC5通信模式中各传输Li/2的数据量,其通信费用为:
costserial=costunit,Uu·Li/2+costunit,PC5·Li/2
步骤6、基站将模式切换结果通过下行传输告知信息发送车辆;信息发送车辆按照模式切换结果传输数据。
整个车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法的步骤框图如图3所示。
本领域普通技术人员可以理解,以上所述仅为发明的优选实例而已,并不用于限制发明,尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内,所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:在车联网信息发送端即信息发送车辆单一利用Uu或PC5接入模式的情况下,建立车联网信息发送端与接收端之间的等效信号与干扰加噪声比模型,以及预计传输速率、时延数学模型;
步骤二:在车联网信息发送端即信息发送车辆同时利用Uu和PC5多接入模式的情况下,建立车联网信息发送端与接收端之间的等效信号与干扰加噪声比模型,以及预计传输速率、时延数学模型;
步骤三:基站获取车联网信息发送车辆相关的信道模型以及传输数据速率/时延要求和其他相关参数,并进行资源预分配;
步骤四:基站通过步骤三中获取的信道模型信息以及预分配的资源,按照步骤一、步骤二中的数学模型计算预期传输性能即速率和时延;
步骤五:基站根据步骤四中得到的预期传输性能,结合信息发送车辆的传输数据速率/时延要求,通过自适应选择的方法,挑选满足数据传输需求的通信接入模式,并从中选择通信费用最低的通信模式进行自适应选择切换;
步骤六:基站将模式切换结果通过下行传输告知信息发送车辆;信息发送车辆按照模式切换结果传输数据。
2.根据权利要求1所述的车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,其特征在于,所述的Uu和PC5接入模式下的等效信号与干扰加噪声比模型以及预计传输速率、传输时延数学模型,在通过Uu接口的通信模式中,将pi表示为Uu接口通信模式中信息发送车辆i上行传输数据给基站时的传输功率,hi,BS表示信息发送车辆i和基站之间的信道增益,则信息发送车辆i的上行传输阶段在资源块n上的等效信号与干扰加噪声比表示为:
预计传输速率表示为:
预计传输时延表示为:
其中σ2为噪声功率,∑jεκ,j≠iaj,n.Pj.hj,BS为基站覆盖范围内其他车辆传输信息对基站BS造成干扰的能量之和,由于其他车辆通过PC5接口的通信模式可以复用信息发送车辆i上行传输阶段的资源块,因此对信息传输造成干扰,表示Uu通信模式下车辆i和资源块n的使用情况,τ=-1.5/ln(5·BER)为采用MQAM调制方式时,在目标误码率BER与传输可靠性直接相关下的最大编码增益;
在通过PC5接口的通信模式中,将pi表示为PC5接口通信模式中信息发送车辆i的传输功率,hi,j表示信息发送车辆i和信息接收车辆j之间的信道增益,等效信号与干扰加噪声比表示为:
预计传输速率表示为:
预计传输时延表示为:
3.根据权利要求1所述的车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,其特征在于,所述的Uu和PC5多接入模式是指:同时利用Uu和PC5通信接入模式并传输相同信息数据以提升传输可靠性;同时利用Uu和PC5通信接入模式并传输不同信息数据以提升传输吞吐量;且对于同时利用Uu和PC5通信接入模式并传输相同信息数据的情况,在接收端采用最大比链路合并方式。
5.根据权利要求1所述的车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,其特征在于,所述的资源预分配是指:在考虑信息发送端和接收端都在基站覆盖范围内的情况下,Uu和PC5接入模式都依靠基站为信息发送端分配传输资源,即数据传输带宽。
6.根据权利要求1所述的车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,其特征在于,所述的其他相关参数是指:目标误码率、信息发送车辆的传输功率。
7.根据权利要求1所述的车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,其特征在于,所述的自适应选择方法是指:基站根据车联网信息发送车辆的数据传输需求,与不同接入模式下计算得到通信性能进行对比,并挑选满足数据传输需求的通信接入模式,从中选择通信费用最低的通信模式进行自适应选择切换。
8.根据权利要求7所述的车联网多模式接入与自适应接入模式选择方法,其特征在于,所述通信费用的计算方法为:
在单一利用Uu通信模式的情况下,其通信费用为:
costUu=costunit,Uu·Li
在单一利用PC5通信模式的情况下,其通信费用为:
costPC5=costunit,PC5·Li
在同时利用Uu和PC5通信模式,并传输相同信息的情况下,其通信费用为:
costMRC=costunit,Uu·Li+costunit,PC5·Li
在同时利用Uu和PC5通信模式,并传输不同信息的情况下,信息发送车辆在Uu和PC5通信模式中各传输Li/2的数据量,其通信费用为:
costserial=costunit,Uu·Li/2+costunit,PC5·Li/2,
其中costunit,Uu、costunit,PC5分别记为Uu和PC5模式下单位数据传输的通信费用。
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