CN113613213B - 基于时隙负载均衡的车联网资源选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于时隙负载均衡的车联网资源选择方法，旨在保证在相同资源利用率的前提下，通过实现多台车辆选择通信所使用的时频资源块在时隙上负载均衡，进一步降低车联网系统的丢包率，以提高侧链路通信的可靠性，实现步骤为：1)构建车联网和资源池2)每台车辆V_a构建感知窗口内的感知时频资源集和选择窗口内的候选时频资源集3)每台车辆V_a基于时隙负载均衡对候选时频资源集中的可用候选时频资源块进行筛选；4)每台车辆V_a获取资源选择结果。

Description

基于时隙负载均衡的车联网资源选择方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种车联网资源选择方法，具体涉及一种基于时隙负载均衡的分布式车联网资源选择方法，可用于车辆网中车与车之间自主通信。

背景技术

作为无线通信、物联网技术在汽车交通领域的应用，车联网技术飞速发展，其场景可以被归纳为“车联万物(Vehicle to Everything，简称为V2X)”。第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Program，简称为3GPP)在2015年发布的第12版标准中规定了基于蜂窝网络架构的V2X技术(Cellular-V2X，简称为C-V2X)。随着协议标准的不断发展，C-V2X目前经历了LTE-V2X、5G NR(New Radio)V2X两个阶段。

车联网中，车与车直接通信链路的信道资源被划分为互相正交的时频资源块，车辆的通信方式为半双工通信方式，即车辆在发送信息的时隙，不能接收其他车辆发送的信息。车联网中车辆进行通信时，需要对时频资源进行选择。C-V2X中资源选择方法一般分为两类，一类是基于基站等基础设施统一感知的集中式资源选择方法，即基站获取多个车辆用户的业务需求等信息，统一地为用户分配时频资源；另一类是基于单个车辆自主感知的分布式资源选择方法，这种方法不需要设备的统一管控，车辆基于对网络中时频资源占用情况的自主感知，基于使用侧链路(Sidelink)的D2D(Device-to-Device)技术，实现车与车(Vehicle to Vehicle，简称为V2V)直接通信。

由于可以不受限于基础设施的有无，分布式资源选择方法可以更好地满足车联网之间的通信需求，成为了目前的研究热点。车联网中多数业务具有一定的周期性，为适配这种业务特性，在C-V2X框架下，分布式资源选择方法的主流思想为基于感知的半持续选择(Semi-Persistent Scheduling，简称SPS)方案。该方案的主要思想为：单个车辆在进行资源选择时，预先对过去一个时间窗口内的时频资源占用情况进行感知，排除掉被其它用户占用的资源；在未来一个时间窗口内，车辆在所剩的资源中，根据业务数据量，随机选择若干时频资源，并周期性地占用该时频资源，该占用周期等于该业务的发送周期；在周期性地占用资源持续一段时间后，依概率p决定继续占用该位置的资源或者重新选择资源，重新选择资源的操作与第一次选择资源的操作相同。通过SPS方案，可以实现车联网中时频资源的“一次选择，周期占用”，较好地适配车联网的业务特征。

车联网进行分布式资源选择时，需要在保障资源利用率的前提下，降低车辆间侧链路通信的丢包率，以提高车联网系统的可靠性。例如，申请公布号为CN112866947A，名称为“一种车联网中分布式资源选择方法”的专利申请，公开了一种车联网中分布式资源调度的方法，该方法首先初始化并更新每台车辆的业务缓存队列；再确定每台车确定调度目标业务集；然后通过通信装置获取调度目标单子帧资源集；车辆根据业务队列确定调度目标业务的传输目标次数以及业务单次传输所需的占用目标单子帧资源数量上限；最后获取车联网中分布式资源选择结果，旨在通过根据业务队列拥挤情况及业务服务质量参数调整单次调度的业务数量、顺序及业务冗余传输的次数，降低车辆间通信的丢包率，提高车联网系统的可靠性。

该方法通过业务队列管理和增加冗余传输降低了侧链路通信的丢包率，提高了车联网系统的可靠性，但是其未考虑车联网侧链路半双工通信模式中车辆在同一时隙不能同时进行数据包的发送与接收，即使发送数据包的车辆没有使用直接的冲突资源，也会因为发送数据包的车辆和接收数据包的车辆是在同一个时隙发送，导致接收车辆无法正确接收数据包，影响车辆间通信丢包率的进一步降低。

发明内容

本发明的目在于克服上述现有技术存缺陷，提出了一种基于时隙负载均衡的车联网资源选择方法，旨在通过实现多台车辆选择通信所使用的时频资源块在时隙上负载均衡，保证在相同资源利用率的前提下，进一步降低车联网系统的丢包率，以提高侧链路通信的可靠性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)构建车联网和资源池/>

构建包括A台车辆的车联网以及包括X×Y个时频资源块的资源池/>其中，A≥2，V_a表示配备有实现半双工通信的装置Ξ_a的第a台车辆，X表示资源池/>中时隙总个数，X≥2，Y表示资源池/>中子信道总个数，Y≥2，R_xy表示第x个时隙第y个子信道上的时频资源块，/>x∈[1,X]，y∈[1,Y]，/>表示/>的起点时间，/>表示/>的起点频率，Δt和Δf分别表示R_xy所占的时间长度和频率宽度，即一个时隙的长度和一个子信道的宽度；

(2)每台车辆V_a构建感知窗口内的感知时频资源集和选择窗口内的候选时频资源集/>

每台车辆V_a通过通信装置Ξ_a记录资源池中大小为/>的感知窗口内的时频资源块，组成包括P×Q个时频资源块的感知时频资源集同时记录资源池/>中大小为/>的选择窗口内的时频资源块，组成包括U×V个时频资源块的候选时频资源集其中，t_a表示每台车辆V_a选择时频资源块的时刻，/>表示感知窗口的时长，/>P表示感知时频资源集中时隙总个数，Q表示感知时频资源集中子信道总个数，1≤Q≤Y，/>表示感知时频资源集中第p个时隙第q个子信道上的时频资源块，/>p∈[1,P]，q∈[1,Q]，/>表示选择窗口的时长，/>U表示感知时频资源集中时隙总个数，/>V表示感知时频资源集中子信道总个数，1≤Q＝V≤Y，/>表示候选时频资源集中第u个时隙第v个子信道上时频资源块，/>u∈[1,U]，v∈[1,V]；

(3)每台车辆V_a基于时隙负载均衡对候选时频资源集中的可用候选时频资源块进行筛选：

(3a)每台车辆V_a通过通信装置Ξ_a对中每个感知时频资源块/>上相关信号接收功率γ_apq进行测量，同时对/>所承载的侧链路控制信息中的预留时频资源块位置信息进行提取，并将/>中满足/>的预留时频资源块位置信息所对应的候选时频资源块从/>中去除，得到初次筛选后的候选时频资源集/>其中，/>表示预设的相关信号接收功率阈值；

(3b)每台车辆V_a统计初次筛选后的候选时频资源集中每个时隙所包含的候选时频资源块的数量，并删除/>数量最少的时隙中的候选时频资源块，得到再次筛选后的候选时频资源集/>实现多台车辆选择通信所使用的时频资源块在时隙上负载均衡；

(3c)每台车辆V_a统计中候选时频资源块的数量/>并判断/>是否成立，若是，将/>作为可用的候选时频资源集，并执行步骤(4)，否则，令/>并执行步骤(2)，其中，K表示最低筛选比例，0<K<1；

(4)每台车辆V_a获取资源选择结果：

每台车辆V_a在可用的候选时频资源集中随机选择一个时频资源块作为通信使用的时频资源块。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明每台车辆在获取可用的候选时频资源集时，首先对候选时频资源集进行初次筛选，并删除初次筛选后的候选时频资源集中数量最少的时隙所包含的候选时频资源块，实现对候选时频资源集的再次筛选，实现了多台车辆选择通信所使用的时频资源块在时隙上负载均衡，与现有技术相比，能够避免多台车辆通信所使用的时频资源块集中在个别时隙上所导致的车辆间通信丢包率较高的缺陷，有效提高车联网的可靠性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

图2是本发明资源池中时频资源块分布示意图。

图3为本发明每台车辆V_a在t_a时刻选择时频资源块时的感知窗口及选择窗口的示意图。

图4为本发明车联网业务信息及业务相关的侧链路控制信息在资源池中占用资源的示意图。

图5为本发明每台车辆V_a筛选候选时频资源集时，感知窗口和选择窗口内时频资源集的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括如下步骤：

(1)构建车联网和资源池/>

构建包括A台车辆的车联网以及包括X×Y个时频资源块的资源池/>其中，A≥2，V_a表示配备有实现半双工通信的装置Ξ_a的第a台车辆，X表示资源池/>中时隙总个数，X≥2，Y表示资源池/>中子信道总个数，Y≥2，R_xy表示第x个时隙第y个子信道上的时频资源块，/>x∈[1,X]，y∈[1,Y]，/>表示/>的起点时间，/>表示/>的起点频率，Δt和Δf分别表示R_xy所占的时间长度和频率宽度，即一个时隙的长度和一个子信道的宽度；

参照图2，资源池中分布有在时间和频率上正交的X×Y个时频资源块，时频资源块所占的时间长度及频率宽度分别为Δt及Δf，/>的时间起点位于图中最左端，/>的频率起点位于图中最下端，资源池/>中的时频资源块用该时频资源块的时间及频率起点组成的二元坐标来表示。编号为R₁₁的时频资源块表示为/>编号为R₉₃的时频资源块表示为

本实施例中，Δt＝1ms，Δf＝15kHz，X大小不作限定，Y＝4，可得车联网的资源池总频谱宽度为YΔf＝4×15kHz＝60kHz。

(2)每台车辆V_a构建感知窗口内的感知时频资源集和选择窗口内的候选时频资源集/>

每台车辆V_a通过通信装置Ξ_a记录资源池中大小为/>的感知窗口内的时频资源块，组成包括P×Q个时频资源块的感知时频资源集同时记录资源池/>中大小为/>的选择窗口内的时频资源块，组成包括U×V个时频资源块的候选时频资源集其中，t_a表示每台车辆V_a选择时频资源块的时刻，/>表示感知窗口的时长，/>P表示感知时频资源集中时隙总个数，Q表示感知时频资源集中子信道总个数，1≤Q≤Y，/>表示感知时频资源集中第p个时隙第q个子信道上的时频资源块，/>p∈[1,P]，q∈[1,Q]，/>表示选择窗口的时长，/>U表示感知时频资源集中时隙总个数，/>V表示感知时频资源集中子信道总个数，1≤Q＝V≤Y，/>表示候选时频资源集中第u个时隙第v个子信道上时频资源块，/>u∈[1,U]，v∈[1,V]；

参照图3，每个方格表示一个时频资源块，每台车辆V_a在t_a时刻选择时频资源块时的感知窗口大小为选择窗口大小为/>感知窗口用于对资源池/>的占用情况进行感知，以便得知资源池的占用情况，避免自身选择资源时选择到已经被其它车辆预留的资源，以降低资源冲突概率；选择窗口用于构建可选的资源集，资源池中选择窗口内的时频资源块作为其可选的资源集合/>

本实施例中，感知窗口的时长如果选择/>会造成对过往资源的感知不足，增加资源冲突概率，如果选择/>虽然会提高对过往资源的感知，但是会消耗系统更多的感知与计算资源，会降低车辆的工作效率；由于车联网中大多周期性业务的周期不超过100ms，本实施例选择窗口的时长/>可以较好地实现与业务的匹配。

本实施例中，V＝Q＝Y＝4，即车辆V_a可以对资源池中全频段的资源进行感知，也可以对资源池中全频段的资源进行选择。

(3)每台车辆V_a基于时隙负载均衡对候选时频资源集中的可用候选时频资源块进行筛选：

(3a)每台车辆V_a通过通信装置Ξ_a对中每个时频资源块/>上相关信号接收功率γ_apq进行测量，同时对/>所承载的侧链路控制信息中的预留时频资源块位置信息/>进行提取，并将/>中满足/>的预留时频资源块位置信息所对应的候选时频资源块从/>中去除，得到初次筛选后的候选时频资源集/>其中，/>表示预设的相关信号接收功率阈值；

参照图4，用以传输业务的时频资源块中，均需传输相关的侧链路控制信息，该信息中含有提前预留的时频资源块位置，该信息可以被其它车辆接收并提取，以避免其它车辆同时选中相同时频资源块而造成资源冲突。图4中斜线阴影部分为业务占用的时频资源块，灰色部分为侧链路控制信息的资源占用情况。

参照图5，时频资源块A₁、B₁、B₂、C₁、D₁位于感知窗口内，时频资源块A₂、B₃、B₄、C₂、D₂位于选择窗口内，每台车辆对A₁、B₁、B₂、C₁、D₁相关的侧链路控制信息中的预留时频资源块位置信息进行提取，得到其指示的预留的时频资源块A₂、B₃、B₄、C₂、D₂。测量A₁、B₁、B₂、C₁、D₁上相关信号接收功率，其中A₁、B₁、B₂、C₁高于相关信号接收功率阈值，因此将A₂、B₃、B₄、C₂四个时频资源块从候选时频资源集中去除，剩下的时频资源集为/>

(3b)每台车辆V_a统计初次筛选后的候选时频资源集中每个时隙所包含的候选时频资源块的数量，并删除/>数量最少的时隙中的候选时频资源块，得到再次筛选后的候选时频资源集/>实现多台车辆选择通信所使用的时频资源块在时隙上负载均衡；

参照图5，时频资源块A₂、B₃、B₄、C₂这四个时频资源块已经从候选时频资源集中去除，得到/>因此/>中slot_min时隙上候选时频资源块最少，即slot_min时隙相对于其他时隙有更多的车辆预留了时频资源块，是最繁忙的时隙。如果不将这些时频资源块从/>去除，则车辆选择的最终通信使用的时频资源块可能位于slot_min时隙，进而导致slot_min时隙上集中了多个车辆选择的通信使用时频资源块，这些车辆虽然没有直接的资源冲突，但是由于车辆使用半双工通信模式，故这些车辆之间均无法通信。如果将这些时频资源块从去除，则车辆选择的最终通信使用的时频资源块不可能位于slot_min时隙，而是位于其他时隙，当每台车辆都不选择最繁忙时隙上的时频资源块时，则每台车辆选择通信所使用的时频资源块在时隙上可以实现负载均衡，而不会出现集中在个别时隙上，避免了因为半双工通信模式导致的通信丢包，提高了通信的可靠性。

(3c)每台车辆V_a统计中候选时频资源块的数量/>并判断/>是否成立，若是，将/>作为可用的候选时频资源集，并执行步骤(4)，否则，令/>并执行步骤(2)，其中，K表示最低筛选比例，0<K<1；

本实施例中，K＝20％，如果K过高，则中资源块过多，可能存在较多导致资源冲突的时频资源块，如果K过低，则/>中时频资源块数量过少，导致多台同时选择资源的车辆最终选择了相同的时频资源块，造成资源冲突。

(4)每台车辆V_a获取资源选择结果：

每台车辆V_a在可用的候选时频资源集中随机选择一个时频资源块作为通信使用的时频资源块。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于时隙负载均衡的车联网资源选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建车联网和资源池/>

构建包括A台车辆的车联网以及包括X×Y个时频资源块的资源池/>其中，A≥2，V_a表示配备有实现半双工通信的装置Ξ_a的第a台车辆，X表示资源池/>中时隙总个数，X≥2，Y表示资源池/>中子信道总个数，Y≥2，R_xy表示第x个时隙第y个子信道上的时频资源块， 表示/>的起点时间，/>表示的起点频率，Δt和Δf分别表示R_xy所占的时间长度和频率宽度，即一个时隙的长度和一个子信道的宽度；

(2)每台车辆V_a构建感知窗口内的感知时频资源集和选择窗口内的候选时频资源集/>

每台车辆V_a通过通信装置Ξ_a记录资源池中大小为/>的感知窗口内的时频资源块，组成包括P×Q个时频资源块的感知时频资源集同时记录资源池/>中大小为/>的选择窗口内的时频资源块，组成包括U×V个时频资源块的候选时频资源集其中，t_a表示每台车辆V_a选择时频资源块的时刻，/>表示感知窗口的时长，/>P表示感知时频资源集/>中时隙总个数，Q表示感知时频资源集/>中子信道总个数，1≤Q≤Y，/>表示感知时频资源集/>中第p个时隙第q个子信道上的时频资源块，/> 表示选择窗口的时长，/>U表示候选时频资源集/>中时隙总个数，/>V表示候选时频资源集/>中子信道总个数，1≤Q＝V≤Y，/>表示候选时频资源集/>中第u个时隙第v个子信道上时频资源块，

(3)每台车辆V_a基于时隙负载均衡对候选时频资源集中的可用候选时频资源块进行筛选：

(3a)每台车辆V_a通过通信装置Ξ_a对中每个感知时频资源块/>上相关信号接收功率γ_apq进行测量，同时对/>所承载的侧链路控制信息中的预留时频资源块位置信息/>进行提取，并将/>中满足/>的预留时频资源块位置信息所对应的候选时频资源块从/>中去除，得到初次筛选后的候选时频资源集/>其中，/>表示预设的相关信号接收功率阈值；

(3b)每台车辆V_a统计初次筛选后的候选时频资源集中每个时隙所包含的候选时频资源块的数量，并删除/>数量最少的时隙中的候选时频资源块，得到再次筛选后的候选时频资源集/>实现多台车辆选择通信所使用的时频资源块在时隙上负载均衡；

(3c)每台车辆V_a统计中候选时频资源块的数量/>并判断/>是否成立，若是，将/>作为可用的候选时频资源集，并执行步骤(4)，否则，令/>并执行步骤(2)，其中，K表示最低筛选比例，0<K<1；

(4)每台车辆V_a获取资源选择结果：

每台车辆V_a在可用的候选时频资源集中随机选择一个时频资源块作为通信使用的时频资源块。