CN115843081A - 一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，该面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，利用两跳位置信息提出了一种基于两阶段匹配的路由选择方法，解决了半双工机制下高并发导致的丢包问题。此外，在连续资源块的约束下，为最大化传输并发数据包数，提出了一种资源分配算法，以实现无线资源的高效复用。通过以两跳为一个调度周期，一方面可以降低分布式路由选择带来的路由空洞问题的影响，另一方面可以增加节点利用率，从而为更多的数据包增加传输机会。所提方案以最大化同时传输成功的数据包数目为目标，周期性地进行路由选择与资源分配，可有效提高数据包投递率和资源利用率。

Description

一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体为一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法。

背景技术

在节点半双工通信机制以及有限通信资源的约束下，如何设计有效路由选择及资源分配方案以保证尽可能多的数据包成功传输是实现Sidelink自组网的一个关键问题。在对传统基于IEEE 802.11的Ad Hoc网络的研究中，现有文献大多考虑对路由协议及资源分配方案进行分开设计来减小网络的丢包率。然而，无线资源是数据包传输的前提，即便路由协议确定了数据传输的最优路径，资源冲突也会导致数据包无法传输成功。因此，考虑到路由协议与资源分配之间的强耦合关系，联合路由选择和资源分配来进行跨层优化对提升网络性能是非常有必要的。此外，由于传统无线自组网的协议标准与 Sidelink自组网有很大的区别，包括多址接入方式、子帧结构、资源池配置等等，跨层优化的方式也可以更好地适应Sidelink技术标准的限制。目前基于Sidelink标准考虑跨层优化的方案大多采用集中式解算的方式，基站根据网络的全局拓扑信息进行路由和资源的联合优化，相比于独立进行路由选择和资源分配的方式，可有效提高网络性能。然而，这些方案都假设一次解算之后，数据包传输过程中传输路径固定且传输路径上的节点不会再被其它数据流使用，导致节点利用率较低，从而降低了成功传输数据包的数量。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，具备增加节点利用率等优点，解决了利用率较低的问题。

(二)技术方案

为实现上述增加节点利用率目的，本发明提供如下技术方案：一种面向 Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，包括以下步骤：

S1、预路由过程

S1.1、根据两跳邻居列表构建初始候选路径集合，S1.2、对每个待发送数据包，计算初始候选路径集合中所有目的节点离最终目的节点的距离，删除距离最终目的节点比当前节点还远的路径，S1.3、对每个待发送的数据包，计算初始候选路径集合中所有中继节点离最终目的节点的距离，若①中继节点即为最终目的节点；或②步骤B中得到的集合为空，但存在中继节点，其离最终目的节点的距离小于源节点离最终目的节点的距离；或③步骤B中得到的集合不为空，但存在中继节点，其离最终目的节点的距离小于所有目的节点离最终目的节点的距离，则候选路径为一跳路径，仅存在源节点和目的节点，中继节点为空，S1.4、对每个待发送数据包，若步骤C中得到的集合为空，则采用右手定则选择路径加入候选路径集合。

S2、段间路径选择

段间路径选择考虑A和C中节点的匹配问题，目标是在最大化匹配成功的路径数的前提下，尽可能使目的节点与最终目的节点的距离最小。当仅考虑最大化匹配成功的路径数时，此问题可以建模为以A和C为顶点集的二分图的最大匹配问题，根据候选路径集合D判断来自两个顶点集的设备是否连通；

S3、段内路径选择

对于M中的一跳路径，无需进行这一阶段的操作。该阶段的主要目标是，考虑半双工传输模式对中继节点选择的影响，为尽可能多的数据包分配传输路径。在半双工模式下，要求

且/>

S4、资源分配

由于数据包分别在两个SL周期内进行第一跳和第二跳传输，因此这两条链路上的资源可以是相同的，而无需分别进行分配，即仅需对一个数据包分配一个PRB集合即可。接下来对路由选择算法得到的路径集合

进行资源分配，当

时，数据包k在该调度周期内无法传输，无需为其分配无线资源。假设待分配无线资源的路径集合为F＝{1,2,...,k,...K′}，每一个路径对应一个数据包的传输，所提方案的优化目标是最大化成功传输的数据包数目，即

其中，A_k表示第k个数据包是否可以成功传输，A_k＝1表示可以成功传输，而A_k＝0表示无法为其分配时频资源，传输失败。

也是一个二进制变量，用来指示第k个数据包是否使用第u个PRB。

优选的，所述在S1、步骤中，在单个调度周期内，中心节点收到K个待发送数据包的候选路径集合，可以表示为

用A表示所有源节点的集合，/>

表示所有中继节点的集合，/>

表示所有目的节点的集合。显然，这三个集合的交集以及任意两个集合的交集都可能不为空，即同一个节点可能在D_k中作为源节点存在，而在D_k′中作为中继节点和目的节点存在。由于节点在同一个SL周期内只能进行数据包发送或数据包接收，而在该调度周期的第一个SL周期中，源节点发送，中继节点接收；在第二个SL周期时，中继节点发送，目的节点接收，因此不同待发送数据包的源节点和目的节点可以为同一个设备(对于候选路径只有一跳的特殊情况，源节点和目的节点也不能是同一个设备，这种特殊情况的处理会在下文段间路径选择部分详述)，但是一个数据包的源节点/目的节点不可以和另一个数据包的中继节点为同一个设备，即必须满足/>

且/>

优选的，所述在S2、步骤中，定义了设备集合A和C的另一种符号表示为

和/>

用/>

表示存在源节点/>

到目的节点/>

的可行路径，则该二分图的权重可以设为：/>

然而，这样的权重设置中，仅考虑了源节点和目的节点是否连通，而不考虑目的节点与最终目的节点之间的距离，可能会导致所选路径较长，数据包传输成功的概率变低。因此，对权重的设置进行了如下修改：

其中，d表示该路径上数据包所对应的最终目的节点，

表示/>

和d 之间的距离，/>

表示/>

和d之间的距离，α为一个远小于1的小值。这样，离最终目的节点越近的路径所对应的权值越大，被匹配到的概率越大，在一定程度上保证了所选路径离最终目的节点的距离最小。用θ_v,q指示源节点/>

到目的节点/>

是否匹配成功，θ_v,q＝1表示匹配成功，而θ_v,q＝0表示没有，则段间路径选择优化问题可以表示为：

s.t.θ_v,q∈{0,1}

该优化问题可以采用经典的KM(Kuhn-Munkres)算法来求解。此处不再赘述。根据求得的θ_v,q取值以及路径与数据包索引的对应关系，可以得到匹配结果为

优选的，所述在S3、步骤中，上述算法都是建立在候选路径集合D中全都是两跳路径的情况，这种情况下不存在半双工下同时收发导致的丢包问题，即不同数据包的源节点和目的节点可以由同一个设备担任(A和C的交集可以不为空)。然而，根据预路由部分可知，候选路径集合中同时存在一跳路径和两跳路径。对一跳路径的情况，不同数据包的源节点和目的节点是不能由同一个设备担任的。因此，需要对一跳路径的特殊情况进行如下处理。用

表示所有待发送数据包的一跳路径集合，对每一个一跳路径，首先判断该路径的目的节点是否是源节点集A的元素，若不是，则证明该目的节点在此阶段不存在半双工下同时收发导致的丢包问题，无需进行任何处理；若是，则将该条路径存入集合F_later中，并将该路径的权重设为 0，即此路径不参与后续的匹配过程。当求解完优化问题后，对任意k，比较F_later中对应目的节点离最终目的节点的距离与M中c_k离最终目的节点的距离，当可以满足设备半双工约束时，选择较小的路径作为数据包k的最终路径，更新M。/>

优选的，所述在S4步骤中，将中继节点集合中充当了源节点/目的节点的设备移除，得到新的中继节点集合B′_M＝B_M-B_M∩(A_M∪C_M)，这被称为可行中继节点集合；而B″_M＝B_M∩(A_M∪C_M)被称为重复中继节点集合。用B′_M和M作为两个顶点集构建二分图，用θ_n,m指示中继节点b_n,b_n∈B′_M到(a,c)_m，(a,c)_m∈M是否匹配成功，θ_n,m＝1表示匹配成功，而θ_n,m＝0表示没有。任意两个顶点之间的权重设为：

其中，

表示源节点a、中继节点b_n和目的节点c之间存在通信路径。该优化问题可建模为

s.t.θ_n,m∈{0,1}

类似段间路由求解算法，上述优化问题可通过经典的匈牙利算法或KM算法进行求解。根据求得的θ_n,m取值可以得到匹配成功的源节点和目的节点组合的集合为M′，未匹配成功的集合为M″＝M-M′。

优选的，所述在S3、步骤中，如果重复中继节点集合B″_M中的设备参与匹配，而与其冲突的(a,c)不参与匹配时，匹配成功的路径总数有可能会增加。基于此，所提方案针对该情况的处理过程如下。对

其与B″_M的交集只可能有三种情况，即0，1，2。这里用三个等级来描述。等级0表示无交集，等级1表示交集是a节点或者c节点，等级2表示a节点和c节点都在B″_M中。显然，等级越高的(a,c)″_m退出匹配，即更新M为M＝M-{(a,c)″_n}，而将其影响的中继节点加入匹配，即B′_M＝B′_M+{a,c}且B″_M＝B″_M-{a,c}，有较大的概率会增加匹配成功的路径总数。因此，在所提方案中，从M″中等级最高的(a,c)″_m开始，更新M，B′_M和B″_M，然后求解对应的优化问题，若成功匹配的路径数变多，则按这一次的结果继续迭代；若变少或没有变化，则退回上一步，选择等级次高的(a,c)″_m，更新M，B′_M和B″_M，求解对应的优化问题。当迭代次数大于阈值后，停止更新，选择匹配成功路径数最多的结果作为最终匹配结果

优选的，所述在S4、步骤中，由于Sidelink节点采取SC-FDMA多址方式，因此需要对每条链路分配连续的PRB，为保证数据包在接收端可以正确解码，每个PRB上的SINR都应高于门限，根据数据包需求不同，应为其分配不同的 PRB数目以支持其有效传输。

在此基础上，所研究的资源分配问题可被建模如下：

/>

C4:A_k∈{0,1}

其中，

表示第k个数据包需要的PRB数，/>

和/>

为两个二进制变量，用来表示连续PRB的约束，/>

和/>

表示第一跳链路和第二跳链路的信干噪比，γ_th表示信干噪比门限。

优选的，所述在S4、步骤中，约束条件C1表示不同的数据包会被分配不同数目的PRB，C2表示为每个数据包传输所分配的PRBs是连续的，C3保证了数据包的传输质量，C4和C5对二进制变量A_k和

进行约束。第一跳链路和第二跳链路的信干噪比分别为：

其中，h_k,1和h_k,2分别表示数据包k的第一跳链路和第二跳链路上的信道增益，P是设备在每个PRB上的发射功率，h_l,k,1和h_l,k,2分别表示数据包l第一跳发送节点与数据包k的中继节点之间的信道增益和数据包l第二跳链路上中继节点与数据包k的目标节点之间的信道增益，N₀表示高斯白噪声的功率。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，具备以下有益效果：

1、该面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，通过以两跳为一个调度周期，一方面可以降低分布式路由选择带来的路由空洞问题的影响，另一方面可以增加节点利用率，从而为更多的数据包增加传输机会。所提方案以最大化同时传输成功的数据包数目为目标，周期性地进行路由选择与资源分配，可有效提高数据包投递率和资源利用率。

附图说明

图1为本发明基于两跳调度周期的联合路由选择和资源分配方案流程图；

图2为本发明遗传算法种群适应度优化流程图；

图3为本发明路由与资源分配调度周期图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，包括以下步骤：

S1、预路由过程

S1.1、根据两跳邻居列表构建初始候选路径集合，S1.2、对每个待发送数据包，计算初始候选路径集合中所有目的节点离最终目的节点的距离，删除距离最终目的节点比当前节点还远的路径，S1.3、对每个待发送的数据包，计算初始候选路径集合中所有中继节点离最终目的节点的距离，若①中继节点即为最终目的节点；或②步骤B中得到的集合为空，但存在中继节点，其离最终目的节点的距离小于源节点离最终目的节点的距离；或③步骤B中得到的集合不为空，但存在中继节点，其离最终目的节点的距离小于所有目的节点离最终目的节点的距离，则候选路径为一跳路径，仅存在源节点和目的节点，中继节点为空，S1.4、对每个待发送数据包，若步骤C中得到的集合为空，则采用右手定则选择路径加入候选路径集合。

S2、段间路径选择

段间路径选择考虑A和C中节点的匹配问题，目标是在最大化匹配成功的路径数的前提下，尽可能使目的节点与最终目的节点的距离最小。当仅考虑最大化匹配成功的路径数时，此问题可以建模为以A和C为顶点集的二分图的最大匹配问题，根据候选路径集合D判断来自两个顶点集的设备是否连通。

S3、段内路径选择

对于M中的一跳路径，无需进行这一阶段的操作。该阶段的主要目标是，考虑半双工传输模式对中继节点选择的影响，为尽可能多的数据包分配传输路径。在半双工模式下，要求

且/>

S4、资源分配

由于数据包分别在两个SL周期内进行第一跳和第二跳传输，因此这两条链路上的资源可以是相同的，而无需分别进行分配，即仅需对一个数据包分配一个PRB集合即可。接下来对路由选择算法得到的路径集合

进行资源分配，当

时，数据包k在该调度周期内无法传输，无需为其分配无线资源。假设待分配无线资源的路径集合为F＝{1,2,...,k,...K′}，每一个路径对应一个数据包的传输，所提方案的优化目标是最大化成功传输的数据包数目，即

其中，A_k表示第k个数据包是否可以成功传输，A_k＝1表示可以成功传输，而A_k＝0表示无法为其分配时频资源，传输失败。

也是一个二进制变量，用来指示第k个数据包是否使用第u个PRB。

在S1、步骤中，在单个调度周期内，中心节点收到K个待发送数据包的候选路径集合，可以表示为

用A表示所有源节点的集合，/>

表示所有中继节点的集合，

表示所有目的节点的集合。显然，这三个集合的交集以及任意两个集合的交集都可能不为空，即同一个节点可能在D_k中作为源节点存在，而在D_k′中作为中继节点和目的节点存在。由于节点在同一个SL周期内只能进行数据包发送或数据包接收，而在该调度周期的第一个 SL周期中，源节点发送，中继节点接收；在第二个SL周期时，中继节点发送，目的节点接收，因此不同待发送数据包的源节点和目的节点可以为同一个设备(对于候选路径只有一跳的特殊情况，源节点和目的节点也不能是同一个设备，这种特殊情况的处理会在下文段间路径选择部分详述)，但是一个数据包的源节点/目的节点不可以和另一个数据包的中继节点为同一个设备，即必须满足/>

且/>

在S2、步骤中，定义了设备集合A和C的另一种符号表示为/>

和/>

用/>

表示存在源节点/>

到目的节点/>

的可行路径，则该二分图的权重可以设为：

然而，这样的权重设置中，仅考虑了源节点和目的节点是否连通，而不考虑目的节点与最终目的节点之间的距离，可能会导致所选路径较长，数据包传输成功的概率变低。因此，对权重的设置进行了如下修改：

其中，d表示该路径上数据包所对应的最终目的节点，

表示/>

和d 之间的距离，/>

表示/>

和d之间的距离，α为一个远小于1的小值。这样，离最终目的节点越近的路径所对应的权值越大，被匹配到的概率越大，在一定程度上保证了所选路径离最终目的节点的距离最小。用θ_v,q指示源节点/>

到目的节点/>

是否匹配成功，θ_v,q＝1表示匹配成功，而θ_v,q＝0表示没有，则段间路径选择优化问题可以表示为：

s.t.θ_v,q∈{0,1}

/>

该优化问题可以采用经典的KM(Kuhn-Munkres)算法来求解。此处不再赘述。根据求得的θ_v,q取值以及路径与数据包索引的对应关系，可以得到匹配结果为

在S3、步骤中，上述算法都是建立在候选路径集合D 中全都是两跳路径的情况，这种情况下不存在半双工下同时收发导致的丢包问题，即不同数据包的源节点和目的节点可以由同一个设备担任(A和C的交集可以不为空)。然而，根据预路由部分可知，候选路径集合中同时存在一跳路径和两跳路径。对一跳路径的情况，不同数据包的源节点和目的节点是不能由同一个设备担任的。因此，需要对一跳路径的特殊情况进行如下处理。用

表示所有待发送数据包的一跳路径集合，对每一个一跳路径，首先判断该路径的目的节点是否是源节点集A的元素，若不是，则证明该目的节点在此阶段不存在半双工下同时收发导致的丢包问题，无需进行任何处理；若是，则将该条路径存入集合F_later中，并将该路径的权重设为 0，即此路径不参与后续的匹配过程。当求解完优化问题后，对任意k，比较F_later中对应目的节点离最终目的节点的距离与M中c_k离最终目的节点的距离，当可以满足设备半双工约束时，选择较小的路径作为数据包k的最终路径，更新M，在S4、步骤中，将中继节点集合中充当了源节点/目的节点的设备移除，得到新的中继节点集合B′_M＝B_M-B_M∩(A_M∪C_M)，这被称为可行中继节点集合；而B″_M＝B_M∩(A_M∪C_M)被称为重复中继节点集合。用B′_M和M作为两个顶点集构建二分图，用θ_n,m指示中继节点b_n,b_n∈B′_M到(a,c)_m，(a,c)_m∈M是否匹配成功，θ_n,m＝1表示匹配成功，而θ_n,m＝0表示没有。任意两个顶点之间的权重设为：

其中，

表示源节点a、中继节点b_n和目的节点c之间存在通信路径。该优化问题可建模为

s.t.θ_n,m∈{0,1}

类似段间路由求解算法，上述优化问题可通过经典的匈牙利算法或KM算法进行求解。根据求得的θ_n,m取值可以得到匹配成功的源节点和目的节点组合的集合为M′，未匹配成功的集合为M″＝M-M′，在S3、步骤中，如果重复中继节点集合B″_M中的设备参与匹配，而与其冲突的(a,c)不参与匹配时，匹配成功的路径总数有可能会增加。基于此，所提方案针对该情况的处理过程如下。对

其与B″_M的交集只可能有三种情况，即0，1，2。这里用三个等级来描述。等级0表示无交集，等级1表示交集是a节点或者c节点，等级2表示a节点和c节点都在B″_M中。显然，等级越高的(a,c)″_m退出匹配，即更新M为M＝M-{(a,c)″_n}，而将其影响的中继节点加入匹配，即 B′_M＝B′_M+{a,c}且B″_M＝B″_M-{a,c}，有较大的概率会增加匹配成功的路径总数。因此，在所提方案中，从M″中等级最高的(a,c)″_m开始，更新M，B′_M和B″_M，然后求解对应的优化问题，若成功匹配的路径数变多，则按这一次的结果继续迭代；若变少或没有变化，则退回上一步，选择等级次高的(a,c)″_m，更新M， B′_M和B″_M，求解对应的优化问题。当迭代次数大于阈值后，停止更新，选择匹配成功路径数最多的结果作为最终匹配结果

在S4、步骤中，由于Sidelink节点采取SC-FDMA多址方式，因此需要对每条链路分配连续的PRB，为保证数据包在接收端可以正确解码，每个PRB上的SINR都应高于门限，根据数据包需求不同，应为其分配不同的PRB数目以支持其有效传输。

在此基础上，所研究的资源分配问题可被建模如下：

C4:A_k∈{0,1}

其中，

表示第k个数据包需要的PRB数，/>

和/>

为两个二进制变量，用来表示连续PRB的约束，/>

和/>

表示第一跳链路和第二跳链路的信干噪比，γ_th表示信干噪比门限，在S4、步骤中，约束条件C1表示不同的数据包会被分配不同数目的PRB，C2表示为每个数据包传输所分配的PRBs是连续的，C3保证了数据包的传输质量，C4和C5对二进制变量A_k和/>

进行约束。第一跳链路和第二跳链路的信干噪比分别为：

其中，h_k,1和h_k,2分别表示数据包k的第一跳链路和第二跳链路上的信道增益，P是设备在每个PRB上的发射功率，h_l,k,1和h_l,k,2分别表示数据包l第一跳发送节点与数据包k的中继节点之间的信道增益和数据包l第二跳链路上中继节点与数据包k的目标节点之间的信道增益，N₀表示高斯白噪声的功率。

每个调度周期内，节点会根据上一个调度周期中心节点下发的调度信息，在对应的SL周期内进行数据发送和接收操作。因此，数据包在每个调度周期进行两跳的路径传输，在这两跳传输完成时，设备刚好接收到下一个两跳的传输路径和对应的资源，从而继续传输，直至数据包被目的节点接收，如图1 所示。

中心节点进行路由选择和资源分配时，所提方案的设计思路如下：

由于一个调度周期内有三个节点来执行两跳的数据传输，为了描述方便，在后文的描述中数据包产生的节点被称为初始源节点，最终要接收数据包的节点被称为最终目的节点；而一个调度周期内，发送数据包的节点被称为源节点，1跳节点被称为中继节点，2跳节点被称为目的节点，中心节点收集到的信息包括待发送数据包的候选路径集合。显然，每个数据包仅有一个源节点，但存在多条备选路径。由于设备半双工的限制，中继节点不能同时收发数据，因此其不能同时担任其它数据包传输过程中的源节点和目的节点，这为并发数据包的路由选择带来了极大的挑战。因此，这里所提路由选择算法的目的是，考虑设备半双工的限制，为每个数据包选择匹配合适的中继节点和目的节点，在不考虑资源约束的前提下，使该调度周期内的匹配成功的路径数最多。在此基础上，由于可用资源数以及不同链路信道条件会影响数据包的成功传输，进一步通过合理的资源分配方案来最大化成功传输的数据包数目，虽然在中心节点的解算过程中，路由选择和资源分配是分开执行的，但是从整个过程来看，不同的调度周期下的路由选择和资源分配共同决定了每个数据包的发送路径，因此所提方案本质上是一种路由选择和资源分配联合优化来提高网络性能的方法。下文中，将对单个调度周期内节点处的预路由过程、中心节点处执行的路由选择算法、以及中心节点处执行的资源分配算法进行详细介绍。

在单个调度周期内，中心节点收到K个待发送数据包的候选路径集合，可以表示为

用A表示所有源节点的集合，/>

表示所有中继节点的集合，/>

表示所有目的节点的集合。显然，这三个集合的交集以及任意两个集合的交集都可能不为空，即同一个节点可能在D_k中作为源节点存在，而在D_k′中作为中继节点和目的节点存在。由于节点在同一个SL周期内只能进行数据包发送或数据包接收，而在该调度周期的第一个SL周期中，源节点发送，中继节点接收；在第二个SL周期时，中继节点发送，目的节点接收，因此不同待发送数据包的源节点和目的节点可以为同一个设备(对于候选路径只有一跳的特殊情况，源节点和目的节点也不能是同一个设备，这种特殊情况的处理会在下文段间路径选择部分详述)，但是一个数据包的源节点/目的节点不可以和另一个数据包的中继节点为同一个设备，即必须满足/>

且/>

基于上述分析，提出了一种基于两阶段匹配的路由选择方法。第一阶段称为段间路径选择。首先忽略半双工限制对中继节点的影响，仅考虑A和C中节点的匹配，目标是源节点和目的节点匹配成功的路径数，同时为了使数据包以尽可能大的概率达到最终目的节点，还应该尽可能使目的节点与最终目的节点的距离最小。在这一阶段，可以得到每个待选数据包的源节点和目的节点的匹配结果，即

其中/>

表示源节点为空，/>

表示源节点为空，c_k表示第k个数据包选定的目的节点。第二阶段称为段内路径选择，通过考虑半双工对中继节点选择的影响，筛除掉由于中继节点冲突而无法传输数据的(a_k,c_k)组合，得到所有待选数据包的路径匹配结果，即

当/>

时，证明数据包k 在该调度周期内无法传输。

资源分配优化问题是一个0-1规划问题，由于其可行解可以看作一串二进制字符串，通常考虑采用遗传算法进行高效求解。遗传算法是一种启发式算法，通过模拟自然界生物进化理论中优胜劣汰原则，以概率的形式将迭代过程中得最优解遗传给下一代。其基本流程主要包括染色体编码方案设计、种群初始化、适应度计算、选择亲代、交叉操作、变异操作等过程，还需设置迭代终止条件以终止算法并输出搜索到的局部最优解。遗传算法在选择、交叉、变异、终止过程中有着较为成熟的简单框架，因此这里重点介绍编码方案以及适应度函数的设计。

(1)染色体编码方案设计：

在种群初始化之前首先考虑设计遗传算法染色体的编码方案。采用了面向数据包的编码方式，每条染色体上的基因点位数量与待发送数据包数量一致，基因片段的内容记录了该数据包被分配到的连续资源块的起始位置Start^k，

Start^k＝n代表了第k个数据包以第n个资源块为起点选择连续的/>

个PRB，因此从设计上保障了资源块的连续性(约束条件C2)。

(2)适应度函数设计

适应度函数应为所求优化问题的目标函数，即

然而当资源分配方案确定后，各个资源块之间的干扰会相互影响，造成约束条件C3无法满足，数据包传输失败。因此，采用如图2所示的流程来优化种群适应度，在实现过程中迭代释放。

受到干扰最大的数据包传输链路所占资源，更新SINR，并重新判断每条路径可否成功传输数据，直到所有数据包能够成功传输或者不参与资源分配，然后输出成功传输的数据包数目作为该种群的适应度，并输出相应的资源分配方案。

基于上述设计，具体求解算法如下：

1、构建染色体；根据每个数据包传输所需的资源块数量

为所有数据包随机分配起始位置Start^k，构建长度为K′的染色体序列{Start¹、Start²… Start^K′}。染色体序列的信息可解码为一套唯一的资源分配方案X。X是K′×U 的二维矩阵，/>

即为矩阵中第k行第u列的元素。当一条染色体构建之后，将所有/>

置为1，其余元素置为0；2、初始化种群。重复步骤1，直到生成足够数量的染色体作为初始种群，并将染色体与相应的X矩阵保存；3、计算干扰。计算每个数据包传输路径的每个PRB上的SINR；4、判断每个数据包能否成功传输。根据约束条件C3，将求得的SINR与阈值对比，若小于阈值，则认为该数据包无法成功传输；5、选出SINR最差的数据包传输路径；6、释放SINR最差的数据包传输路径所占资源，并更新资源分配方案X。当第k个数据包的传输路径所占资源被释放时，将X矩阵中的第k行全部置；7、重复步骤3～6，直到所有分配到资源块的数据包SINR均满足门限，即保障了这条染色体满足了C3约束，输出能够传输的数据包的数量作为这条染色体的适应度，以及相应的分配方案X；8、进行遗传算法标准的选择、交叉、变异操作。利用轮盘赌的方式，根据适应度从上一代种群中选出父辈染色体。并以一定概率进行单点交叉，从随机选取的基因点位交换一对父代的染色体片段，再以较小的概率对新种群中每个染色体上的每个基因点位进行随机变异，最终形成新一代种群；9、计算新一代种群中个体的适应度。对新种群中的每个染色体，重复步骤3～7进行新一代种群的适应度计算，并更新其对应的分配方案X；10、种群迭代搜索。重复步骤8～9，记录最优的染色体以及相应的分配方案X，直到满足迭代停止条件；11、将最优的染色体对应的分配方案X输出作为寻找到的最优资源分配方案。

该面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法的整体流程为：节点首先执行预路由操作来得到候选路径集合，包括移除要过期的数据包、根据距离最终目的节点的距离筛选两跳邻居列表得到候选路径集合等，以减轻中心节点的计算压力，有数据包传输需求的节点在第一个SL周期内将待发送数据包的最终目的节点信息以及其对应的候选路径集合发送给中心节点，中心节点在第二个SL周期内根据节点上传的信息进行路由选择和资源分配，得到每个节点在下一个调度周期的两个SL周期内发送和接收数。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、预路由过程

S1.1、根据两跳邻居列表构建初始候选路径集合，S1.2、对每个待发送数据包，计算初始候选路径集合中所有目的节点离最终目的节点的距离，删除距离最终目的节点比当前节点还远的路径，S1.3、对每个待发送的数据包，计算初始候选路径集合中所有中继节点离最终目的节点的距离，若①中继节点即为最终目的节点；或②步骤B中得到的集合为空，但存在中继节点，其离最终目的节点的距离小于源节点离最终目的节点的距离；或③步骤B中得到的集合不为空，但存在中继节点，其离最终目的节点的距离小于所有目的节点离最终目的节点的距离，则候选路径为一跳路径，仅存在源节点和目的节点，中继节点为空，S1.4、对每个待发送数据包，若步骤C中得到的集合为空，则采用右手定则选择路径加入候选路径集合；

S2、段间路径选择

段间路径选择考虑A和C中节点的匹配问题，目标是在最大化匹配成功的路径数的前提下，尽可能使目的节点与最终目的节点的距离最小。当仅考虑最大化匹配成功的路径数时，此问题可以建模为以A和C为顶点集的二分图的最大匹配问题，根据候选路径集合D判断来自两个顶点集的设备是否连通；

S3、段内路径选择

对于M中的一跳路径，无需进行这一阶段的操作。该阶段的主要目标是，考虑半双工传输模式对中继节点选择的影响，为尽可能多的数据包分配传输路径。在半双工模式下，要求

且

S4、资源分配

由于数据包分别在两个SL周期内进行第一跳和第二跳传输，因此这两条链路上的资源可以是相同的，而无需分别进行分配，即仅需对一个数据包分配一个PRB集合即可。接下来对路由选择算法得到的路径集合

进行资源分配，当

时，数据包k在该调度周期内无法传输，无需为其分配无线资源。假设待分配无线资源的路径集合为F＝{1,2,...,k,...K′}，每一个路径对应一个数据包的传输，所提方案的优化目标是最大化成功传输的数据包数目，即

其中，A_k表示第k个数据包是否可以成功传输，A_k＝1表示可以成功传输，而A_k＝0表示无法为其分配时频资源，传输失败。

也是一个二进制变量，用来指示第k个数据包是否使用第u个PRB。

2.根据权利要求1所述的一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，其特征在于，所述在S1、步骤中，在单个调度周期内，中心节点收到K个待发送数据包的候选路径集合，可以表示为

用A表示所有源节点的集合，

表示所有中继节点的集合，

表示所有目的节点的集合。显然，这三个集合的交集以及任意两个集合的交集都可能不为空，即同一个节点可能在D_k中作为源节点存在，而在D_k′中作为中继节点和目的节点存在。由于节点在同一个SL周期内只能进行数据包发送或数据包接收，而在该调度周期的第一个SL周期中，源节点发送，中继节点接收；在第二个SL周期时，中继节点发送，目的节点接收，因此不同待发送数据包的源节点和目的节点可以为同一个设备(对于候选路径只有一跳的特殊情况，源节点和目的节点也不能是同一个设备，这种特殊情况的处理会在下文段间路径选择部分详述)，但是一个数据包的源节点/目的节点不可以和另一个数据包的中继节点为同一个设备，即必须满足

且

3.根据权利要求1所述的一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，其特征在于，所述在S2、步骤中，定义了设备集合A和C的另一种符号表示为

和

用

表示存在源节点

到目的节点

的可行路径，则该二分图的权重可以设为：

然而，这样的权重设置中，仅考虑了源节点和目的节点是否连通，而不考虑目的节点与最终目的节点之间的距离，可能会导致所选路径较长，数据包传输成功的概率变低。因此，对权重的设置进行了如下修改：

其中，d表示该路径上数据包所对应的最终目的节点，

表示

和d之间的距离，

表示

和d之间的距离，α为一个远小于1的小值。这样，离最终目的节点越近的路径所对应的权值越大，被匹配到的概率越大，在一定程度上保证了所选路径离最终目的节点的距离最小。用θ_v,q指示源节点

到目的节点

是否匹配成功，θ_v,q＝1表示匹配成功，而θ_v,q＝0表示没有，则段间路径选择优化问题可以表示为：

s.t.θ_v,q∈{0,1}

该优化问题可以采用经典的KM(Kuhn-Munkres)算法来求解。此处不再赘述。根据求得的θ_v,q取值以及路径与数据包索引的对应关系，可以得到匹配结果为

4.根据权利要求1所述的一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，其特征在于，所述在S3、步骤中，上述算法都是建立在候选路径集合D中全都是两跳路径的情况，这种情况下不存在半双工下同时收发导致的丢包问题，即不同数据包的源节点和目的节点可以由同一个设备担任(A和C的交集可以不为空)。然而，根据预路由部分可知，候选路径集合中同时存在一跳路径和两跳路径。对一跳路径的情况，不同数据包的源节点和目的节点是不能由同一个设备担任的。因此，需要对一跳路径的特殊情况进行如下处理。用

表示所有待发送数据包的一跳路径集合，对每一个一跳路径，首先判断该路径的目的节点是否是源节点集A的元素，若不是，则证明该目的节点在此阶段不存在半双工下同时收发导致的丢包问题，无需进行任何处理；若是，则将该条路径存入集合F_later中，并将该路径的权重设为0，即此路径不参与后续的匹配过程。当求解完优化问题后，对任意k，比较F_later中对应目的节点离最终目的节点的距离与M中c_k离最终目的节点的距离，当可以满足设备半双工约束时，选择较小的路径作为数据包k的最终路径，更新M。

5.根据权利要求1所述的一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，其特征在于，所述在S3、步骤中，将中继节点集合中充当了源节点/目的节点的设备移除，得到新的中继节点集合B′_M＝B_M-B_M∩(A_M∪C_M)，这被称为可行中继节点集合；而B″_M＝B_M∩(A_M∪C_M)被称为重复中继节点集合。用B′_M和M作为两个顶点集构建二分图，用θ_n,m指示中继节点b_n,b_n∈B′_M到(a,c)_m，(a,c)_m∈M是否匹配成功，θ_n,m＝1表示匹配成功，而θ_n,m＝0表示没有。任意两个顶点之间的权重设为：

其中，

表示源节点a、中继节点b_n和目的节点c之间存在通信路径。该优化问题可建模为

s.t.θ_n,m∈{0,1}

类似段间路由求解算法，上述优化问题可通过经典的匈牙利算法或KM算法进行求解。根据求得的θ_n,m取值可以得到匹配成功的源节点和目的节点组合的集合为M′，未匹配成功的集合为M″＝M-M′。

6.根据权利要求1所述的一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，其特征在于，所述在S3、步骤中，如果重复中继节点集合B″_M中的设备参与匹配，而与其冲突的(a,c)不参与匹配时，匹配成功的路径总数有可能会增加。基于此，所提方案针对该情况的处理过程如下。对

其与B″_M的交集只可能有三种情况，即0，1，2。这里用三个等级来描述。等级0表示无交集，等级1表示交集是a节点或者c节点，等级2表示a节点和c节点都在B″_M中。显然，等级越高的(a,c)″_m退出匹配，即更新M为M＝M-{(a,c)″_n}，而将其影响的中继节点加入匹配，即B′_M＝B′_M+{a,c}且B″_M＝B″_M-{a,c}，有较大的概率会增加匹配成功的路径总数。因此，在所提方案中，从M″中等级最高的(a,c)″_m开始，更新M，B′_M和B″_M，然后求解对应的优化问题，若成功匹配的路径数变多，则按这一次的结果继续迭代；若变少或没有变化，则退回上一步，选择等级次高的(a,c)″_m，更新M，B′_M和B″_M，求解对应的优化问题。当迭代次数大于阈值后，停止更新，选择匹配成功路径数最多的结果作为最终匹配结果

7.根据权利要求1所述的一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，其特征在于，所述在S4、步骤中，由于Sidelink节点采取SC-FDMA多址方式，因此需要对每条链路分配连续的PRB，为保证数据包在接收端可以正确解码，每个PRB上的SINR都应高于门限，根据数据包需求不同，应为其分配不同的PRB数目以支持其有效传输。

在此基础上，所研究的资源分配问题可被建模如下：

s.t.C1:

C2:

C3:

A_k＝1

C4:A_k∈{0,1}

C5:

其中，

表示第k个数据包需要的PRB数，

和

为两个二进制变量，用来表示连续PRB的约束，

和

表示第一跳链路和第二跳链路的信干噪比，γ_th表示信干噪比门限。

8.根据权利要求1所述的一种面向Sidelink标准的联合路由与资源分配方法，其特征在于，所述在S4、步骤中，约束条件C1表示不同的数据包会被分配不同数目的PRB，C2表示为每个数据包传输所分配的PRBs是连续的，C3保证了数据包的传输质量，C4和C5对二进制变量A_k和

进行约束。第一跳链路和第二跳链路的信干噪比分别为：

其中，h_k,1和h_k,2分别表示数据包k的第一跳链路和第二跳链路上的信道增益，P是设备在每个PRB上的发射功率，h_l,k,1和h_l,k,2分别表示数据包l第一跳发送节点与数据包k的中继节点之间的信道增益和数据包l第二跳链路上中继节点与数据包k的目标节点之间的信道增益，N₀表示高斯白噪声的功率。

Images