CN113709896B - 基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法 - Google Patents

基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法 Download PDF

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Abstract

一种基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，通过设置各个载具通过实时感知信道占用与解码结果来判断子信道是否发生包碰撞，当判断为包碰撞时，该载具在自己发送安全信息时一并发送协作信息；当任何载具收到协作信息且该协作信息所指示的疑似发生包碰撞的资源位置正好是该载具过去曾占用过的资源时，该载具会以一定概率通过资源映射转移重新选择新的子信道并保持新的子信道并周期性地发送数据。载具将不会再重新选择新的资源，直到再次收到与本载具有关的协作信息。本发明通过在安全信息中的捎带信息来减少和消除包冲突的发生，在可靠性或AoI指标上有较大的性能提升，且性能接近于理论上的最优性能。本发明通过实时参数调整机制，通过当前的资源利用率来自适应地找到最优的发送间隔，使得整体性能在满足信道拥塞度要求下可以达到更好的AoI性能结果。

Description

基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法
技术领域
本发明涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法
背景技术
车联网技术作为无人驾驶技术中的重要部分，要求无线网络要能支持高可靠、低时延的通信，并且网络需要能同时支持大量的载具进行通信。再加上载具的高移动性所带来的多普勒扩展，车联网目前还有很多问题亟待解决。其中最为关键的问题就是如何对载具进行最优的资源分配，一个好的资源分配策略可以保证载具在各种场景下都能可靠地接收突发或周期的载具状态信息。
关于资源分配技术，标准提供两种资源分配方式：一种是集中式的资源分配，即由基站来统一地为其覆盖范围内的载具进行资源分配；另一种是分布式的资源分配，在这种分配方式下，每辆车将会自己来决定用于传输的时频资源。相较于集中式的资源方式，分布式的方式可以减少与基站之间的信令交互及对应的时延消耗，并可以在无基站覆盖范围下进行资源分配，不过其资源分配的可靠性和效率则要弱于集中式的资源分配。为找到一种可以提供高可靠和低时延通信的资源分配策略，现在大量的研究者正致力于提高分布式资源分配的可靠性。
现有3GPP R14标准中提出的基于半持续调度的分布式资源分配策略包括感知、选择和重选三个步骤，但是该策略仍会导致较高概率的包碰撞，其性能其实并不能满足载具直连通信的可靠性的需求。此处的包碰撞指的是有两个以上的用户同时占用同一个资源并相互形成干扰，使得接收端无法正确解出这些用户的信息。另外，目前有一些分布式分配改进策略在标准SPS的基础上引入协作这一概念，即载具在感知信道占用情况的同时，会收到来自其他载具的实时状态信息(包括策略相关的参数或速度位置等)。基于这些信息，载具可以调整自己的资源选择来最大程度地减少包碰撞的概率。但该技术的性能与集中式资源分配的性能相比仍有较大的差距。这些策略为降低包碰撞的数量，往往会通过控制用户的接入频率或降低接入用户数(即降低资源利用率)来提高传输的可靠性。
因此在保证较高的资源利用率的前提下，如何降低车联网中分布式资源分配策略的包冲突数量，使分布式策略的性能尽可能接近理想性能成为亟待解决的问题。这里的理想性能分为信息年龄(Age of Information，AoI)性能和可靠性两部分，理想的AoI性能指的是载具在无包碰撞情况下周期性发送的AoI性能，理想的可靠性指的是在小于等于100％的任意资源利用率的条件下，所有用户可以无包碰撞地进行消息传输。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，通过周期性的安全信息中的捎带信息来减少和消除包冲突的发生，在可靠性或AoI指标上有较大的性能提升，且性能接近于理论上的最优性能。本发明通过实时参数调整机制，通过当前的资源利用率来自适应地找到最优的发送间隔，使得整体性能在满足信道拥塞度(Channel Busy Ratio，CBR)的要求下可以达到更好的AoI性能结果。
本发明是通过以下技术方法实现的：
本发明涉及一种基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，各个载具通过实时感知信道占用与解码结果来判断子信道是否发生包碰撞，当判断为包碰撞时，该载具在自己发送安全信息时一并发送协作信息；当任何载具收到协作信息且该协作信息所指示的疑似发生包碰撞的资源位置正好是该载具过去曾占用过的资源时，该载具会以一定概率通过资源映射转移重新选择新的子信道并保持新的子信道并周期性地发送数据，该载具将不会再重新选择新的资源，直到再次收到与本载具有关的协作信息。
所述的资源映射转移是指：载具在重新选择新的子信道时会在该载具的感知窗口中设置有效区域，然后通过设置子帧偏移将有效区域中的候选子信道映射到虚拟资源映射窗口，再在虚拟资源映射窗口中的候选可用子信道集合中随机选择一个子信道，并将所选择的子信道映射到有效区域之后的两个真实资源映射窗口。
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：感知单元、协作单元、子帧偏移单元以及资源配置单元，其中：感知单元实时感知每个子信道的信号强度并对每个子信道进行解码，并在子信道发生包碰撞时将该子信道对应的资源位置存入协作单元；协作单元在载具需要发送周期性的安全消息时从协作单元的缓存中读取待发送的协助信息并与安全消息一并发出；感知单元根据协作信息和历史资源占用信息，向资源配置单元发送重选资源请求；资源配置单元根据重选资源请求执行重选过程，资源配置单元控制子帧偏移单元将实时信道占用情况映射至虚拟资源窗口，在虚拟资源窗口中选择可用资源并将可用资源映射至真实资源映射窗口，实现在子信道上的包碰撞消除。
所述的重选过程，优选以一定概率启动。
技术效果
本发明整体解决了在固定的发送周期间隔和保证较高的资源利用率的前提下，大幅降低车联网中分布式资源分配策略的包碰撞数量，使分布式策略的AoI性能和可靠性非常接近理想性能的技术问题。
所述的理想性能包括AoI性能和可靠性两部分，理想的AoI性能指的是载具在无包碰撞情况下周期性发送的AoI性能，理想的可靠性指的是在小于等于100％的任意资源利用率的条件下，所有用户可以无包碰撞地进行消息传输，由于本发明不依赖于随机重选资源来避免冲突，采用协作信息反馈来避免介质访问控制(Medium Access Control，MAC)错误，在固定的发送周期间隔和保证较高的资源利用率的前提下，因此相比现有策略大幅降低车联网中分布式资源分配策略的包碰撞数量，提高AoI性能和可靠性。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明提出策略的资源分配流程示意图；
图3为本发明的子帧偏移部分处理示意图；
图4为实施例中三种策略的AoI结果对比图；
图5为实施例中三种策略的BLER结果对比图；
图6为实施例中标准SPS策略与采用不同RRI机制的提出策略的AoI结果对比图；
图7为实施例中采用自适应RRI机制的提出策略的CBR变化图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于冲突避免的持久调度(CollisionAvoidance based Persistent Scheduling，CAPS)方法，载具通过在过去的一段时间长度内对子信道的占用情况进行感知并缓存得到历史信息，并在需要选择或重新选择新资源时使得每个载具基于历史信息预测未来子信道的占用情况；同时每个载具通过感知过程判断每个子信道中是否发生包碰撞，并通过捎带的方式传输协作信息以避免包碰撞。
当任一载具在感知窗口中通过信号的能量强度判断得出子信道被占用并无法成功解码时，该载具将在广播周期性的安全消息时同时发出协作信息，从而指示疑似发生包碰撞的子信道的时间和频率的位置；由于半双工的原因，在同一子帧中载具不能同时发送和接收消息，通过周期性地设置子帧偏移，使得在同一子帧中的不同子信道中发送消息的载具不会永远收不到对方的消息。
本实施例中的子帧偏移机制使得虚拟映射窗口中的每个子信道与真实映射窗口中的子信道一一对应。当载具在子帧t处因为收到与本载具有关的协作信息或准备开始广播周期性安全消息(之前没有广播过)而需要配置新的资源时，该载具先在感知窗口中找到对应的有效区域，然后通过设置子帧偏移将有效区域中的子信道位置映射到虚拟资源映射窗口，再在虚拟资源映射窗口中的候选可用子信道的集合中随机选择一个子信道，并将所选择的子信道映射到有效区域之后的两个真实资源映射窗口，之后将持续保持子信道并周期性地发送数据，直到再次接收到与本载具有关的协作信息。
所述的感知窗口，本实施例中设置长度为每个载具的资源保留间隔(ResourceReservation Interval，RRI)的两倍，例如当RRI长度为20ms时，感知窗口的长度设置为40ms。
所述的对子信道的占用情况进行感知，通过子信道中的信号强度进行判断，载具一旦感知到子信道被占用，则会认为相应的资源也会被周期性地持续占用。
所述的包碰撞是指：当子信道的能量强度大于阈值(如：-95dBm)且该信道的内容不能被正确解码，则判定该子信道疑似发生包碰撞。
所述的协作信息具体包括：疑似发生包碰撞的子信道所在的时间和频率位置，该位置信息中的时间信息可以用该子信道所在子帧和当前子帧的时间差来表示，频率位置可以用子信道的频域索引来表示。
当在任一子信道中发送过消息的载具接收到指示该子信道疑似发生包碰撞的协作信息时，该载具会以一定的概率进行资源重新选择，本实施例中优选该概率设为50％。
本实施例为避免重复处理来自多个载具的对于同一个子信道的包碰撞协作信息，针对同一子信道的协作信息将只会被处理一次。实现方式为：当一个载具处理过针对任一子信道的协作信息后，该载具会记录下该子信道的时间索引t_last；之后再接收到的协作信息所指示的疑似包碰撞的时间索引t_new等于最新记录的时间索引t_last或在t_last之前，则该载具会忽略该协作信息。
所述的协作信息的传输范围不超过每个载具各自的RRI长度，从而限制载具可以广播的子信道的时间和频率位置的范围。
所述的协作信息的大小取决于协助范围的长度和一个子帧中的子信道的个数：当载具的RRI是50毫秒(即50个子帧)，并且在一个子帧中有50个子信道，那么每个协作信息的大小就等于12比特。为将开销限制在可接受的范围内，每辆车最多可以广播三个疑似发生包碰撞的子信道，这相当于36比特的开销。
所有的载具在收到协作信息后，根据其中指示的子信道的时间和频率索引来判断自己是否在该子信道发送过消息，当确认该协作信息指示该载具过去占用的子信道疑似发生包碰撞，则其将以一定概率(例如50％)进行资源重新选择，因此冲突子信道的数量将减少到零；当整个频段中都没有包冲突时，策略就达到收敛的状态，此时通过设置子帧偏移使得载具重新映射至新的资源位置，避免由于半双工的原因，在相同子帧中发送的载具将始终不能相互感知和接收消息。
所述的设置子帧偏移是指：通过虚拟资源映射和实际资源映射设置子信道的位置，具体为：将信道的整个时域按照资源偏移更新周期Tupd和资源循环偏移周期Tost分别分割，其中资源偏移更新周期为资源循环偏移周期的整数倍，RRI的长度也为资源循环偏移周期的整数倍。设置虚拟资源映射窗口中的子信道位于时频位置{nsubf，nsubCH}中，其中：nsubf表示子帧索引，nsubCH表示频域索引，当子信道所在的相应实际映射窗口位于第i个资源偏移更新周期时，子帧偏移量Osubf＝nsubCH·(i-1)，其中：nsubCH∈{0，1，…，NsubCH-1}，nsubf∈{0，1，…，Nsubf-1}，NsubCH和Nsubf分别表示一个子帧中子信道的数量和虚拟资源映射窗口中的子帧的数量，i从一开始计数，偏移后实际资源映射窗口中对应的子信道的子帧为子信道的频域位置保持不变，如图3所示。
所述的虚拟资源映射和真实资源映射的窗口的时域长度等于每个载具各自的RRI长度，在每个资源偏移更新周期中，相同频段中的子信道在相应资源循环移位周期中循环偏移相同的子帧数。
所述的有效区域由子帧t之前的整数个最新的资源循环移位周期组成，其长度等于载具的RRI长度。当感知窗口跨越两个相邻资源偏移更新周期，则有效区域将由上一个资源偏移更新周期中的最后一个或多个资源循环移位周期组成。有效区域的例子可见图3。
在资源选择的过程中，载具会在虚拟资源映射窗口中信号能量强度低于设定阈值(如：-110dBm)的子信道中随机选择一个子信道作为新的资源。
当在筛选之后可用的候选子信道的数量为零，则按步长累增阈值至至少一个子信道可用，步长可设置为2dB。
对于资源选择，载具基于感知过程中对过去信号强度的认识来预测未来可用的子信道。对于资源重选，需要注意的是，进入重选过程并不等于一定会重新选择新的子信道。在本方法中，考虑到存在包碰撞的子信道中至少有两个包，所以重新选择新资源的概率被设置为50％。
本实施例进一步通过理论分析和仿真实验，实现资源保留间隔长度的优化选取，具体步骤包括：
i)根据平均AoI性能的表达式：其中：c表示一个RRI中的总子信道数，ai表示平均接收AoI，i表示载具i，NsubCH表示一个子帧中的子信道的个数，Tupd表示载具占用相对不变的周期性的资源的时长，αRRI表示资源保留间隔RRI(或可以理解为发送间隔)。
ii)计算出使Ei[ai]最小所对应的RRI，并采用该RRI作为该载具的RRI。要注意，RRI的长度也为资源循环偏移周期Tost的整数倍。
通过理论分析和仿真实验的验证，若采用最优RRI时信道的利用率低于85％时，则该RRI可被采用；若超过85％，则需要采用满足CBR小于85％这一条件的最小RRI来作为该车的RRI。
所述的资源保留间隔，优选进一步通过实时调整以最大程度地提高系统的AoI性能，具体为：当任一载具开始发送周期性的安全消息时，先按照上述步骤根据系统参数配置计算出最优的RRI并采用该RRI进行周期性的消息发送；此后该载具进一步周期性调整自身RRI，本实施例中调整周期设定为1秒。
所述的周期性调整具体为：在调整时刻来临之时，该载具会统计之前一周期内的平均信道利用率，当平均信道利用率大于80％，则会在当前RRI的基础上增加一个资源循环偏移周期Tost从而得到新的RRI，然后根据新的RRI进行发送；当平均信道利用率小于40％，则会对当前RRI减少一个资源循环偏移周期Tost而得到新的RRI并根据新的RRI进行发送。
当当前的RRI等于理论的最优RRI时，RRI不能再减小。
如图2所示，本实施例具体应用于有A-D四辆车在各自的子信道中发送消息的场景下，其中在深色区域的载具C和D表示在同一子信道中发送。载具A和B可以感知深色子信道的占用，但无法对其进行解码，因此A和B会怀疑深色区域发生包碰撞，并且基于本方法，载具A和B在传输时将随着周期性消息一起广播协作信息。当载具C和D侦听到协作信息时，将以一定的概率重新选择一个新的子信道。图中载具C保留相同的子频道，而载具D重新选择新的子频道。另外，为避免由于半双工(Half-duplex)引起的错误，载具将根据子帧偏移机制对占用的子通道进行偏移。此外，由于每个载具在本发明的方法中趋向于周期性地保留一个或多个子信道进行数据发送，因此载具的数量应小于一个时段中的子信道的总数，即无包碰撞时的信道利用率应小于等于100％。
静态车流量场景仿真实验的仿真参数见表1
表1
参数 参数值
载具数(v) 2到180
RRI(αRRI) 50ms
子信道数(NsubCH) 4
仿真时长 100s
资源循环偏移周期(Tost) 10ms
资源偏移更新周期(Tupd) 50/200/1000ms
最大可协助的载具数 3
重选概率 0.5
如图4所示，为仿真实验中平均AoI与CBR的比较，持续时间为100秒。如图可见，本方法的性能明显优于其他两种方法：本方法的平均AoI曲线受CBR的影响不大，而其他两种方法的性能会随着CBR的增加而恶化。当CBR大于70％时，其他两种方法的平均AoI几乎是本方法的10倍。另外，本方法的平均AoI十分接近理想AoI。从Tupd的角度来看，采用较小的Tupd可以获得更好的AoI。
如图5所示，从可靠性的角度来看，当仿真持续100秒时错误率与CBR的比较。此处的MAC错误表示由MAC层过程引起的错误，其中包含包冲突错误和HD错误。本方法的性能明显优于其他两个方法，当CBR小于等于90％时，本方法中没有包冲突发生。
高速公路移动场景实验仿真参数沿用表1的参数，额外所需的参数见表2
参数 参数值
载具数(v) 50/150
高速公路长度 2km
包大小 190/300bytes
道路宽度 4m
工作频率 5.9GHz
资源偏移更新周期(Tupd) 200ms
车辆行驶速度 70/140km/h
车道数 双向6道
发射功率 23dBm
冲突检测阈值 -95dBm
如图6所示，采用自适应RRI调整机制的CAPS策略的AoI性能在不同的车辆数和行驶速度下都比固定RRI的CAPS策略和标准的SPS要更好。
如图7所示，为在100秒的仿真时间里，采用自适应RRI调整机制的CAPS策略的实时CBR变化图。可以看出在整个仿真时间里，CBR始终保持在65％至85％之间。
本实施例中，每个载具会选择并持续地保持资源来周期性地发送数据，每辆车不会主动重新选择新资源，除非它们接收到其他载具发来冲突避免的协作信息。该消息由载具发出的数据所捎带，用以避免包碰撞。一旦载具收到用于冲突避免的消息，它将进入重新选择资源的过程。
综上，本发明在固定的发送周期间隔和保证较高的资源利用率的前提下，相比现有策略大幅减少车联网中分布式资源分配策略的包碰撞数量，提高AoI性能和可靠性。在AoI性能方面本发明的性能接近理想性能，在可靠性性能方面，即使在较高的信道利用率的情况下，稳定之后的包碰撞概率也为零。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方法均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，其特征在于，通过设置各个载具通过实时感知信道占用与解码结果来判断子信道是否发生包碰撞，当判断为包碰撞时，该载具在自己发送安全信息时一并发送协作信息；当任何载具收到协作信息且该协作信息所指示的疑似发生包碰撞的资源位置正好是该载具过去曾占用过的资源时，该载具会以一定概率通过资源映射转移重新选择新的子信道并保持新的子信道并周期性地发送数据，载具将不会再重新选择新的资源，直到再次收到与本载具有关的协作信息；
所述的资源映射转移是指：载具在重新选择新的子信道时会在该载具的感知窗口中设置有效区域，然后通过设置子帧偏移将有效区域中的候选子信道映射到虚拟资源映射窗口，再在虚拟资源映射窗口中的候选可用子信道集合中随机选择一个子信道，并将所选择的子信道映射到有效区域之后的两个真实资源映射窗口；
所述的协作信息包括：疑似发生包碰撞的子信道所在的时间和频率位置。
2.根据权利要求1所述的基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，其特征是，所述的实时感知信道占用，通过子信道中的信号强度进行判断；
所述的感知窗口的长度为每个载具的资源保留间隔的两倍。
3.根据权利要求1所述的基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，其特征是，所述的包碰撞是指：当子信道的能量强度大于阈值且该信道的内容不能被正确解码，则判定该子信道疑似发生包碰撞；
在任一子信道中发送过消息的载具接收到指示该子信道疑似发生包碰撞的协作信息时，该载具会以一定的概率进行资源重新选择。
4.根据权利要求1所述的基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，其特征是，针对同一子信道的协作信息将只会被处理一次，具体为：当一个载具处理过针对任一子信道的协作信息后，该载具会记录下该子信道的时间索引t_last；之后再接收到的协作信息所指示的疑似包碰撞的时间索引t_new等于最新记录的时间索引t_last或在t_last之前，则该载具会忽略该协作信息。
5.根据权利要求1所述的基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，其特征是，所述的设置子帧偏移是指：通过虚拟资源映射和实际资源映射设置子信道的位置，具体为：将信道的整个时域按照资源偏移更新周期Tupd和资源循环偏移周期Tost分别分割，其中资源偏移更新周期为资源循环偏移周期的整数倍，RRI的长度也为资源循环偏移周期的整数倍，设置虚拟资源映射窗口中的子信道位于时频位置{nsubf，nsubCH}中，其中：nsubf表示子帧索引，nsubCH表示频域索引，当子信道所在的相应实际映射窗口位于第i个资源偏移更新周期时，子帧偏移量Osubf＝nsubCH·(i-1)，其中：nsubCH∈{0，1，...，NsubCH-1}，nsubf∈{0，1，...，Nsubf-1}，NsubCH和Nsubf分别表示一个子帧中子信道的数量和虚拟资源映射窗口中的子帧的数量，i从一开始计数，偏移后实际资源映射窗口中对应的子信道的子帧为子信道的频域位置保持不变。
6.根据权利要求1或5所述的基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，其特征是，所述的有效区域由子帧t之前的整数个最新的资源循环移位周期组成，其长度等于载具的RRI长度，当感知窗口跨越两个相邻资源偏移更新周期，则有效区域将由上一个资源偏移更新周期中的最后一个或多个资源循环移位周期组成。
7.根据权利要求1所述的基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，其特征是，所述的随机选择是指：在资源选择的过程中，载具会在虚拟资源映射窗口中信号能量强度低于设定阈值的子信道中随机选择一个子信道作为新的资源；
当在筛选之后可用的候选子信道的数量为零，则按步长累增阈值至至少一个子信道可用。
8.根据权利要求2所述的基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，其特征是，所述的资源保留间隔，通过以下步骤进行优化选取：
i)根据平均AoI性能的表达式：其中：c表示一个RRI中的总子信道数，ai表示平均接收AoI，i表示载具i，NsubCH表示一个子帧中的子信道的个数，Tupd表示载具占用相对不变的周期性的资源的时长，αRRI表示资源保留间隔RRI，即发送间隔；
ii)计算出使Ei[ai]最小所对应的RRI，并采用该RRI作为该载具的RRI，要注意，RRI的长度也为资源循环偏移周期Tost的整数倍。
9.根据权利要求2所述的基于冲突避免的持久性调度的分布式资源分配方法，其特征是，所述的资源保留间隔，通过实时调整以最大程度地提高系统的AoI性能，具体为：当任一载具开始发送周期性的安全消息时，先根据系统参数配置计算出最优的RRI并采用该RRI进行周期性的消息发送；此后该载具进一步周期性调整自身RRI。
10.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：感知单元、协作单元、子帧偏移单元以及资源配置单元，其中：感知单元实时感知每个子信道的信号强度并对每个子信道进行解码，并在子信道发生包碰撞时将该子信道对应的资源位置存入协作单元；协作单元在载具需要发送周期性的安全消息时从协作单元的缓存中读取待发送的协助信息并与安全消息一并发出；感知单元根据协作信息和历史资源占用信息，向资源配置单元发送重选资源请求；资源配置单元根据重选资源请求执行重选过程，资源配置单元控制子帧偏移单元将实时信道占用情况映射至虚拟资源窗口，在虚拟资源窗口中选择可用资源并将可用资源映射至真实资源映射窗口，实现在子信道上的包碰撞消除。
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