一种基于交通流动态分组的lte-d2d车联网资源分配方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于交通流特征的动态分组资源分配方法，首先把V2V通信链路分为两种类型，一种是交通安全类，另一种是休闲娱乐类；再根据具体的交通流特征选择合适的分组数m值，分别对两种类型的V2V通信链路分组；然后在保证蜂窝用户自身通信质量的前提下，选择所对应通信容量效用值最大的蜂窝用户资源分配给V2V链路，每组内V2V通信链路复用相同的蜂窝用户资源。从仿真结果可以看出，本发明的方法虽然在通信容量效用值、成功获取通信资源的V2V链路数量上不及贪婪算法，但是比起随机分配算法还是有很大优势；此外，本发明的方法在运行时间与频谱效率上，要明显优于贪婪分配算法与随机分配算法，而这两个性能指标对于复杂多变的V2V通信链路环境和现如今频谱资源匮乏状态显得尤为重要。
【专利说明】
-种基于交通流动态分组的LTE-D2D车联网资源分配方法
技术领域
[0001] 本发明设及车辆通信技术领域，尤其设及一种基于交通流动态分组的LTE-D2D车 联网资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 车联网主要是指利用先进的传感器技术、网络技术W及计算机技术，对道路信息 W及交通信息进行全方位的感知，并且实现多个系统之间或者是多个用户之间的数据信息 交互与共享服务，从而解决人、车与道路等之间的协同交互问题，并且同时能够提供W交通 效率与交通安全为主的网络与应用服务。无线通信技术是车联网应用W及实现的基础。目 前应用于车联网通信当中的主要技术有基于IE邸802. Ilp的VANET技术W及基于LTE的复用 通信技术，其中VANET是一种移动自组织网络技术(Ad-hoc)，它主要是通过分配专用的通信 频段用于车辆互联通信，每个支持该技术的车辆都可W通过车载单元在专用频段上进行车 辆与车辆之间的通信(V2V) W及车辆与路侧单元之间的通信(V2I)，而其中的路侧单元与主 干网络相连，从而每个车辆节点所获得全方位的感知信息可W通过路侧单元向更广范围内 的车节点或者用户进行传递;而LTE是由3GPP组织所制定的通用移动通信系统技术标准的 长期演进，LTE系统引入了 (FDM等关键技术，在频谱效率W及数据传输速率上有了显著的提 高，系统容量W及覆盖面也得到了显著提升。此外，与W前的移动通信系统相比，LTE系统的 网络构架更加扁平化、简单化，减少了网络节点W及系统的复杂度，从而减少了系统时延， 同时也减低了网络的部署和维护成本。
[0003] 在传统的蜂窝网络通信系统中，任何两个用户要想实现通信，都必须要经过基站 的中转来完成，即使两个用户相距较近也须如此。而随着小区内用户数量的增加、通信业务 的增长，会使得基站的负载增大、频谱资源不足W及蜂窝用户的容量降低等。如果相距较近 的两个用户可W不通过基站的中转，直接通信那可能会带来使得基站的负载减少等优点， 基于此，在蜂窝网络通信引入D2D通信技术的想法随之产生。D2D通信并不是一种新的技术， 它仅是一种通信模式，比如较早就广泛使用的蓝牙技术等。在蜂窝网络中引入D2D通信技 术，在系统的控制下，允许设备之间通过复用小区资源直接进行通信看，而不再需要通过基 站的中转，因此在一定程度上可W减羟基站的负载，同时也能够在提高系统频谱效率、系统 容量等方面带来一些有益的影响。D2D通信有=种模式:①、蜂窝模式:D2D用户间相距超出 一定阔值范围，还是得通过基站转发的通信模式。②、正交模式:D2D用户的通信资源和蜂窝 用户的通信资源相互正交，即它们之间的通信没有同频干扰存在。③、复用模式:D2D用户通 过对蜂窝用户资源的复用来进行通信，此时，它们之间的通信会有同频干扰存在。
[0004] 现在，V2V通信已经吸引了专家学者们的广泛关注，并且也激发了他们的研究兴 趣。其中，用于车与车之间的通信技术已经被广泛研究，比如车辆自组织网络(VANET)技术 W及对蜂窝资源进行复用通信等技术的提出与研究。现在应用于车辆自组织网络(VAWT) 中的MAC协议主要是基于载波监听多点接入/碰撞检测技术(CSMA/CD)的IE邸802.1 Ip协议。 而基于IE邸802. Ilp的VANET技术与基于蜂窝资源复用的D2D通信技术有着很大的不同。虽 然IEEE802.1Ip协议符合智能交通系统中的VANET的相关应用要求，但是由于路侧单元基础 设施不能进行广泛而渗透性地部署，因而其应用范围是很有限的，此外，车与路侧单元基础 设施之间的链路通信是短暂的、间歇性的。在实际交通应用中，即使是车与车之间的通信 (V2V)采用专用短程通信技术(DSRC)也不能很好地保证其可靠性与有效性。相反，如果车与 车之间能够复用蜂窝用户资源进行通信，将带来一些好处。LTE具有时延较小、传输速度快 等优点，而且由于现有移动通信基站的广泛部署，使得他们的覆盖面积广W及不需要再重 新部署路侧基础设施单元，从而其成本相对较低。当蜂窝网络资源被复用应用于车与车互 联通信中的时候，运就要求蜂窝通信系统要有更多的频谱资源、更高的系统容量W及更好 的信道质量等。在蜂窝系统中引入D2D通信，其主要的目的是为了提高频谱利用率与系统的 容量。D2D通信是指用户与用户之间直接进行信息的交互而不需要经过基站的中转，运样能 够增加用户之间的传输速率并且使得基站的负载得到减轻，同时使得系统容量也得到了提 升，此外由于不需要基站的中转，还能够减少用户之间的传输时延。
[0005] 支持D2D通信的用户通过复用蜂窝用户的资源进行直接通信，包括对上行链路资 源的复用与下行链路资源的复用。现在已提出的资源分配算法，主要都是采用集中控制的 方式。在资源分配的过程中，遵循蜂窝用户的优先级高于D2D通信用户的原则，即先给蜂窝 用户分配合适的资源，然后在保证蜂窝用户通信质量的前提下，去考虑D2D用户通信资源复 用的问题。现在基于蜂窝网络的D2D通信的资源分配问题已经进行了相应的研究，然而现存 的研究仅是考虑静态的场景，即蜂窝用户与D2D通信用户给定的情况下，怎么优化资源的分 配使得整个系统的干扰值尽可能的小、容量尽可能的大。D2D通信可W复用蜂窝用户上行链 路资源也可W复用其下行链路资源，由于不同的复用情况下，干扰的来源和大小也会有所 不同。为了最大化系统容量，并考虑到基站对来自D2D发射端的干扰的控制能力较强，大多 数研究都采用D2D用户复用蜂窝上行资源，并在此前提下研究最佳的资源复用方案。现有无 线资源分配技术主要是基于一种静态的网络环境下所得出的，即在所考虑的场景中，D2D用 户的数量、蜂窝用户的数量等大都是假设没有变化的或者变化很小的，同时也没有对D2D用 户的资源复用时间长短问题进行考虑，而复用时间的长短问题将对整个蜂窝资源的复用效 率产生较大的影响。常见的资源分配算法有遍历算法、贪婪算法等。遍历算法是W遍历系统 所有解方式求得系统容量最大值，分配资源，该算法需要获得系统内所有用户信道质量W 及干扰大小，同时迭代次数非常多，算法性能较差;贪婪算法是依次为D2D分配无线资源，选 择干扰最小的蜂窝用户复用资源，该算法求出的结果满足局部最大化，但是算法复杂度比 遍历算法复杂度低。
[0006] 现有D2D无线资源分配技术主要是基于静态网络通信环境进行的研究，而对动态 网络环境考虑较少，不如网络中的通信用户数量的动态变化W及D2D用户的复用时间长短 等问题考虑甚少。而车与车(V2V)之间的通信的问题是一个高动态的网络通信环境，因而现 有技术不能很好的应用于该问题当中。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于对基于LTE的V2V(VeMcle-t0-VeMcle)通信资源分配问题进 行研究，设计一种基于交通流动态分组的LTE-D2D车联网资源分配方法，在实现V2V通信的 情况下，尽可能的提高频谱资源利用率，同时使得更多的V2V链路能够得到无线频谱通信资 源。
[0008] 为达上述目的，本发明通过W下技术方案实现：
[0009] -种基于交通流动态分组的LTE-D2D车联网资源分配方法，所述方法包括:在每一 个资源调度时隙内，首先按照通信的类型，把所有V2V通信链路分为两个类型：交通安全类 和休闲娱乐类，分别用集合Cl和集合C2来表示;然后获取车辆速度，根据所述速度判断当前 交通流形态，根据不同的交通流形态自适应地选择合适的分组数m值;利用所述m值对V2V通 信链路进行分组处理;分组之后，给每组V2V通信链路分配通信资源，在保证蜂窝用户自身 通信质量的前提下，选择所对应通信容量效用值最大的蜂窝用户资源分配给V2V链路，同一 组内的V2V通信链路复用相同的蜂窝用户资源。
[0010] 进一步地，所述给每组V2V通信链路分配通信资源，具体为:某组中共有k个V2V通 信链路，基站通过预测得到它们对资源使用的时间长度依次为tl，t2，t3. . .tk，每个V2V通信 用户的复用效用值为Ux，xG {1,2,3. . .k}:
[0011]
[0012]
[OOU]其中，&为V2V链路满足通信要求的干扰口限值，SINRix为第X个V2V通信链路复用 第i个蜂窝用户资源后的信干噪比值;Px为第X个V2V通信链路的发射端功率值大小，gxx为第 X个V2V链路本身的信道增益大小，Pj为同一组内其他V2V链路的发射功率值大小，扣X为第j 个V2V用户与第X个V2V用户之间的信道增益大小，No为加性高斯白噪声功率值大小;通过基 站所得到的每个V2V通信链路对蜂窝资源复用的时间，求出某组对不同蜂窝资源复用后的 通信容量效用值化：
[0014]
[001 引其中，iG{l，2,3 ...I Cavailable I }，tmax - ITiaX . .tk} ,Cavailable是可用来被 V2V通信复用的蜂窝用户集合，最终把通信容量效用最大值所对应的蜂窝资源分配给该组。
[0016] 进一步地，所述可用来被V2V通信链路复用的蜂窝用户必须要满足W下条件：
[0017]
[0018] 其中，|3〇为蜂窝用户的干扰口限值，口〇为蜂窝用户的发射功率值，旨8[为所对应蜂窝 用户到基站的信道增益大小，W为所对应组内的所有V2V用户对被复用蜂窝用户通信总的干 扰值，No为加性高斯白噪声的功率值大小。
[0019] 进一步地，所述分组数m值的选取与V2V链路通信申请数量成正相关。
[0020] 进一步地，当V2V链路的数量小于50时，分组数m值选择3;当V2V链路的数量为50到 80之间时，m值选择6;而当V2V链路数量为80到120之间时，m值选择9。
[0021 ] 进一步地，当交通流形态为饱和交通流时，分组数m值选择9;当交通流形态为非饱 和交通流时，分组数m值选择6;当交通流形态为稀疏交通流时，分组数m值选择3。
[0022]本发明的有益效果是:本发明的基于交通流动态分组的LTE-D2D车联网资源分配 方法应用于车联网中车与车(V2V)之间、车与基站(V2I)之间的信息传输与共享，通过LTE- D2D技术来搭建车联通信网络，然后通过本发明所提出的动态资源分配技术，结合交通流特 征，动态自适应性地给各对车与车(V2V)、车与基站(V2I)通信链路分配适当的LTE资源，使 得车与车(V2V)之间通过复用蜂窝用户的资源来进行复用通信，从而达到降低基站负载、提 高资源利用率W及系统通信容量的效果。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的方法所针对的车联网络模型示意图；
[0024] 图2是V2V链路分组过程示意图；
[0025] 图3是分组数m值对系统的影响；
[0026] 图4是不同算法下V2V链路通信容量效用值与Ad之间的关系；
[0027] 图5是不同算法下成功获取资源的V2V链路数量与Ad之间的关系；
[0028] 图6是不同算法的运行时间与Ad之间的关系；
[0029] 图7是频谱效率值与Ad之间的关系。 具体实施方案
[0030] 下面通过【具体实施方式】结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0031] 本发明所考虑的场景是单小区场景，如附图1所示，其中基站BS位于小区中屯、，蜂 窝用户随机分布在该小区范围内，一条径直的道路通过该基站所覆盖的区域，车辆W-定 的速度在该道路上行驶，假设该道路为单向车道。设该小区的半径为R.基站到道路的垂直 距离为D，道路在该小区覆盖区域的长度用L表示，可得L=2Di，其中
[0032] 在该系统模型中，V2V链路向基站申请通信资源是一个动态的过程，假设其服从泊 松分布。假设基站与每个用户都装配有全向天线，且每个用户都装有GPS设备，他们能够通 过该设备得到自己的位置信息，同时基站能够通过运些信息计算出用户之间的距离大小。 基站控制着整个小区内通信资源的分配，基本的通信资源分配单元为一个物理资源块 (PRB)。道路上相邻较近的两个车辆之间的通信链路称为V2V链路，它们通过对蜂窝用户的 资源进行复用通信，V2V链路能够对蜂窝用户的上行资源进行复用，也可W对其下行资源进 行复用，本发明考虑对上行资源复用的情况，此外不相邻车辆之间的多跳复用通信暂时不 在本发明考虑范围之内。一个物理资源块(PRB)只能分配给一个蜂窝用户使用，但是在保证 蜂窝用户通信质量的前提下，一个物理资源块(PRB)可W被尽可能多的V2V链路复用。此外， 本发明仅考虑小区内的干扰，小区间的干扰可W通过适当的功率控制技术与资源调度技术 得到有效地控制。小区内的干扰主要包括:①、蜂窝用户到V2V链路接收端之间的干扰。②、 V2V链路发送端到基站之间的干扰。③、V2V链路发送端到复用相同蜂窝资源的V2V链路接收 端之间的干扰。
[0033] 在上述信道模型中，基站与用户之间仅考虑基于距离的大尺度路径损耗，而用户 之间仅考虑斜坡路径损耗。对于蜂窝通信链路，基站BS与用户C之间的信道增益可W用下式 表不：
[0034]
(1)
[0035] LB,c = 128.1+37.61og2dB,c (2)
[0036] 其中，Lb,C为基站与蜂窝用户或者V2V链路发射端之间的大尺度路径损耗，dB,C为基 站到它们之间的距离大小，单位为km。对于用户之间的通信链路，信道增益可W用下式表 示：
[0037] G(d)=kcT (3)
[003引其中，d为两个用户之间的距离大小，a为路径损耗指数，k为一个常量系数。
[0039] 下面将对V2V用户进行分组处理，而每组中的V2V用户将对同一个蜂窝用户资源进 行复用，尽可能地使得更多的V2V用户获得通信资源、尽可能地提高资源利用率。与此同时， 必须要对它们之间的干扰进行优化控制，把干扰控制在一定范围内，使得V2V完成信息的传 输与共享。
[0040] 因为V2V链路的通信资源是通过复用蜂窝用户资源而得到的，所W势必会给整个 系统带来相应的干扰。蜂窝用户资源被V2V链路复用的前提是保证自己的通信不会受到致 命的影响，因而可W用来被V2V链路复用的蜂窝资源其实是很有限的。如果每个蜂窝用户的 资源只能被一个V2V通信链路复用，那么必定很难满足运么多V2V链路的通信申请要求的， 运就要求在保证蜂窝用户通信质量的前提下，一个蜂窝用户资源可W尽可能地被多个V2V 通信链路复用。为了尽可能地限制复用相同资源V2V通信链路之间的干扰，就应该把它们尽 可能地分开，使得它们之间的距离尽可能的远。在传统基于LTE的D2D通信场景中，要想使得 一个小区内D2D通信链路按照地理位置信息尽可能地分开来是很难做到的一件事情，因为 D2D通信链路是随机地分布在小区内；而V2V通信链路不同，在本发明所考虑的模型中，它们 都是位于道路上，而道路总是W-定宽度从基站所覆盖的小区中穿梭而过，运就为较准确 地得到车辆位置信息提供了很大的便利，也使得复用相同资源的V2V通信链路尽可能地分 开来成为可能。
[0041] 采用对V2V通信链路分组的方式来达成W上任务，即每一组内的所有V2V链路将对 同一蜂窝用户资源进行复用，并且把每组内的V2V链路尽可能地稀疏开来，W减少它们之间 的干扰。本发明考虑两类V2V通信用户，即交通安全类与休闲娱乐类，分别用集合Cl与集合C2 来表示。交通安全类通信的优先级要高于休闲娱乐类通信的优先级，即集合Cl中的用户先 于集合C2中的用户分配资源。
[0042] 为了更好地说明，假设所分得的组数为m，每一个V2V链路向基站申请通信资源时， 基站通过它们的地理位置信息W及先后申请的顺序，给每一个申请通信资源的V2V链路分 配一个序号。假设该序号为i，则可通过取余运算得到它所对应的组号。若所对应链路为交 通安全类，则它的组号为mod(i，m)+l;若所对应链路为休闲娱乐类，则它的组号为mod(i，m) +m+1。相应地序号为i+1的V2V链路的组号为mod(i+l，m)+l或者mod(i+l，m)+m+l。通过运样 分组之后，分配相同通信资源的V2V链路都分散开来，使得它们之间的干扰得到了较好的抑 审IJ。附图2表示V2V链路的分组过程，附图2所示分组数量m值为3,其中黑色的点表示第1组中 的V2V通信链路，灰色的点表示第2组中的V2V通信链路，白色的点表示第3组中的V2V通信链 路，而1，2，3. . . 9为基站给相应V2V通信链路所分配的序号值。
[0043] 下面将对本发明所设计的资源选择策略W及V2V链路分组数m值对系统性能的影 响进行了介绍与分析，最后对本发明所提出的基于交通流特征的动态分组资源分配机制进 行介绍。
[0044] 在对所有申请无线资源通信的V2V链路分好组之后，基站就按照一定的资源分配 算法给每一组分配相应的资源，假设V2V链路提出无线资源分配申请是一个泊松到达的过 程。不失一般性，仅对某一个调度周期内的某一组用户的资源选择进行具体讨论。对于一个 实际的蜂窝网络通信系统而言，移动通信用户进入某一个小区或者离开某一个小区都是一 种随机动态的过程，相应地它们待在小区内申请通信资源发起呼叫请求也是一种随机动态 的过程，因而每个V2V用户占用无线通信资源的时间也不尽相同，很显然每个V2V用户所占 用资源时间的长短将对资源的利用效率产生很重要的影响。不妨假设基站可W对每个V2V 用户对蜂窝用户资源的复用时间长短进行预测:对于语音信号的传输，假设其对资源复用 时间的长短服从均值为y的指数分布;而对于数据信息的传输，可W通过传输的数据信息量 的大小除W通信速率得到，用数学式子表示为s/r，其中S为要传输的数据信息量大小，r为 一个资源块可W达到的最大速率值。为了保证蜂窝用户通信不至于受到毁灭性的影响，在 V2V用户进行资源复用的时候，首先必须要保证被复用蜂窝用户的通信质量。设蜂窝用户的 干扰口限値为阶，则可W用来被V2V通信链路复用的蜂窝用户必须要满足W下条件：
[0045]
(4)
[0046] 其中，PO为蜂窝用户的发射功率值，gBC为所对应蜂窝用户到基站的信道增益大小， W为所对应组内的所有V2V用户对被复用蜂窝用户通信总的干扰值，No为加性高斯白噪声的 功率值大小，假设得到可W用来被V2V通信复用的蜂窝用户集合为Cavailableo
[0047] 不妨假设所讨论的组中一共有k个V2V通信链路，基站通过预测得到它们对资源使 用的时间长度依次为ti，t2，t3.. .tk，此外定义每个V2V通信用户的复用效用值为Ux，xG{l, 2,3...k}，用下式表示为：
[004引 巧） 「1 佩
[0049]
[0050] 其中，&为V2V链路满足通信要求的干扰口限值，SINRix为第X个V2V通信链路复用 第i个蜂窝用户资源后的信干噪比值;Px为第X个V2V通信链路的发射端功率值大小，gxx为第 X个V2V链路本身的信道增益大小，Pj为同一组内其他V2V链路的发射功率值大小，gjx为第j 个V2V用户与第X个V2V用户之间的信道增益大小，No为加性高斯白噪声功率值大小。此外， 通过基站所得到的每个V2V通信链路对蜂窝资源复用的时间，求出某组对不同蜂窝资源复 用后的通信容量效用値化：
[0化。
（7)
[0化^ 其中，1￡{1,2,3..」〔3￥3：1131)16|},1111331二1]1日又{11,12,13...如},巧终把通{曰谷里效用 最大值所对府的幢窝咨源A配鉛该组，完成该组V2V链路通信资源的选择，即最终所选择的 蜂窝资源；
[0053]针对m值的选取问题，不失一般性，本发明对某组中的V2V链路总和通信容量效用 值与m值选取之间的关系进行了仿真实验，仿真参数如表4所示。通过适当m值的选取后，在 保证一定的通信质量的前提下，尽可能地提高频谱利用效率。在仿真实验中，假设V2V通信 链路数在1到400之间变化，而分组数m值为3到30之间变化，得到的仿真结果如附图3所示。
[0054] 从仿真实验结果可W看出，在所分的组数不多的情况下，随着V2V链路数量的增 多，总的通信容量效用值较早地就达到了最大值，而后再随着V2V链路数量的增加，其值很 快就降低了；而在所分的组数较多的情况下，随着V2V链路数量的增加，总的通信容量效用 值较晚才达到最大值，随后V2V链路数量的再增加，其值就呈现出下降的趋势。因而为了更 好地利用频谱资源，对于V2V链路通信申请的具体情况选择一个合适的分组数也是一个较 关键的问题。从结果可W看出，分组数m值的选取应该与V2V链路通信申请数量成正相关，即 申请数较多时，就应该选一个较大的m值，而在申请数量较少时，就应该选一个较小的m值。
[0055] 在本发明所考虑的双车道单向通行的模型中，一个调度周期内V2V链路最大的数 量值为120。从W上实验仿真结果可W看出，当V2V链路的数量小于50时，分组数m值选择3较 为适宜；当V2V链路的数量为50到80之间时，m值选择6较为适宜；而当V2V链路数量为80到 120之间时，m值选择9较为适宜，其关系可用如下表1所示。
[0化6] 亲1 V2V诵倍链路狱占 m丽晋估，巧的羊态 [0化7]
[005引接下来，将对道路上的交通流状态进行划分，其目的是使得本发明所设计的无线 资源分配算法争取能够根据实时交通流状态进行自适应的动态调整，从而使得无线资源尽 可能地被高效率复用通信。
[0059] 根据稳态交通流模型，每辆车的速度都一样且在一段范围内保持不变，运是在车 联网络研究中用得比较多的一种模型。此外，Grieenshields等人还提出了车辆密度与车速 之间的关系：
[0060] V = Vf(l-p/Pjain) (8)
[0061] 其中，P和V分别表示稳态情况下车辆的密度和速度，Vf为车辆自由行驶的时候所 对应的速度，即当道路上没有其他车辆时，车辆所能达到的最大速度，Pjam为道路严重拥堵 的时候车辆密度。为了使得资源分配在不同交通流环境中能够更有针对性和有效性、尽可 能地提高蜂窝用户资源的利用效率，根据表1中的结果，将交通流形态分为饱和交通流、非 饱和交通流和稀疏交通流运巧巾状态：
[0062] a)饱和交通流：当道路上的车辆数量很多时，申请通信的V2V链路数量也相应地会 很多。在运种状态下，车辆相距近、行驶速度慢，此时交通流形态相对稳定，我们把运种车流 形态称为饱和交通流。运种交通流基本上是发生在上下班高峰期、十字路口等交通繁忙的 时期或者路段。本发明认为当V2V通信链路数在80到120之间（由公式8计算可得，此时车速 不超过25km/h)时为饱和交通流状态。
[0063] b)非饱和交通流：当道路上的车辆数量不是很多时，申请通信的V2V链路数量也相 对较少。在运种状态下，车辆相距较大、行驶速度相对较快，车辆运动基本上不会受到相邻 车辆的影响或者影响较小，其车流密度可能会在一定范围内发生变化，但总体上来讲，保持 着一种较为平稳的状态，运是道路上所呈现最多的一种交通流形态，我们把运种车流形态 称为非饱和交通流。本发明认为当V2V通信链路数在50到80之间（由公式8计算可得，此时车 速在25km/h到65km/h之间）时为非饱和交通流状态。
[0064] C)稀疏交通流:有些时候或者有些道路上车辆数量不多，申请通信的V2V链路数量 少，此时车辆可W完全自由行驶，我们把运种车流形态称为稀疏交通流。本发明认为当V2V 通信链路数小于50时（由公式8计算可得，此时车速不低于65km/h)为稀疏交通流状态。其 中，交通流状态与V2V通信链路数之间的对应关系可W用如下表2所示。
[0065] 表2交通流状态与V2V通信链路数之间的关系
[0066]
[0067] 下面将对本发明所提出的基于交通流特征的动态分组资源分配算法流程进行具 体介绍。在本发明中，每一个资源调度时隙内，首先按照通信的类型，把所有V2V通信链路分 为两个类型:交通安全类和休闲娱乐类，分别用集合Cl和集合C2来表示。假设车辆都装有速 度传感器，可W通过该传感器获得当前的车辆速度，通过该速度去判断当前交通流形态，根 据不同的交通流形态去自适应地选择合适的分组数m值，然后对V2V通信链路进行分组处 理。在分好组之后，就按照上面所介绍的资源分配方法给每组的V2V通信链路分配合适的通 信资源。所设计的资源分配算法详细流程可用如下表3所示。
[0068] 表3本发明所提无线资源分配算法流程
[0069]
[0070]
[0071] 本发明还对本发明所提出的基于交通流特征的动态分组资源分配算法进行了性 能上的评估。考虑到现有动态资源分配算法很少，只是把本发明所提出的算法与随机资源 分配算法W及贪婪资源分配算法进行了对比与分析。在仿真实验中，假设蜂窝用户W及V2V 链路通信申请都是服从泊松到达过程，其参数分别为心^。
[0072] 在性能仿真实验中，主要对成功获取资源的V2V链路通信容量效用值、成功获取资 源的V2V通信链路数量、算法运行时间W及频谱效率值运四个方面进行衡量与比较。主要仿 真实验参数如下表4所示。
[0073] 表4仿真实验参数
[0074] 123 如附阁4所不，它是某組中V2V链路通信
容量效用值与V2V链路通信申请泊松参数 入D之间关系的实验结果图。从数值上来看，本发明所提出的资源分配算法所得到的通信容 量效用值比贪婪算法要低不少，可是比随机分配算法所取得的通信容量效用值要高一些， 运在一定程度上是由于我们所提出的算法可W多个V2V链路复用同一个蜂窝用户资源而导 致同频干扰较大所引起。随着Ad取值的增大，其中贪婪算法的数值快速增大，而后趋向平 稳;随机分配算法在数值上一直处于平稳状态，运是因为该算法本来接入的V2V通信链路数 量就有限的缘故；而我们所提算法也一直处于平稳状态，运是由于本发明所提算法对分组 数m值进行了自适应动态调整的缘故。 2 如附图5所示，它是成功获取通信资源的V2V链路数量与V2V链路通信申请泊松参 数Ad之间关系的实验结果图。从数值上来看，我们所提出的资源分配算法成功获取资源的 V2V链路数量比贪婪算法少一些，但两者之间的差距很小，可是我们所提出的算法在数值上 比随机算法高出很多。此外，随着Ad值的增大，由于申请通信的V2V链路数量也增多，=种算 法成功获取通信资源的V2V链路数量值也相应地增大，而随机算法与另外两种算法的差距 也是越来越大。 3 如附图6所示，它是算法运行时间与V2V链路通信申请泊松参数Ad之间关系的实验 结果图。从数值上来看，本发明所提出的资源分配算法运行时间最短，而贪婪算法的运行时 间最长，运是因为贪婪算法每次分配资源的时候，都是尽可能地选择一个当前状态最好的 蜂窝用户资源分配给相应V2V通信链路;而本发明所提出的资源分配算法则是通过分组处 理，然后直接给每组分配一个合适的资源，每一组中有多个V2V通信链路存在，因而大大提 高了分配效率。此外，随着Ad值的增大，由于申请通信的V2V链路数量也增多，S种算法的运 行时间也都相应地变长，而它们之间的差距也越来越大。
[0078] 如附图7所示，它是频谱效率值与V2V链路通信申请泊松参数Ad之间关系的实验结 果图。从数值上来看，本发明所提出的资源分配算法的频谱效率值是最高的，且比另外两种 算法高出很多，而贪婪算法的频谱效率值最低。此外，它们的频谱效率值随着Ad的增大，变 化较小。
[0079] 综上所述，为了给基于LTE-D2D车联网络分配V2V通信资源，本发明设计了一种基 于交通流特征的动态分组资源分配方法，首先把V2V通信链路分为两种类型，一种是交通安 全类，另一种是休闲娱乐类;再根据具体的交通流特征选择合适的分组数m值，分别对两种 类型的V2V通信链路分组;然后在保证蜂窝用户自身通信质量的前提下，选择所对应通信容 量效用值最大的蜂窝用户资源分配给V2V链路，每组内V2V通信链路复用相同的蜂窝用户资 源。从仿真结果可W看出，本发明的方法虽然在通信容量效用值、成功获取通信资源的V2V 链路数量上不及贪婪算法，但是比起随机分配算法还是有很大优势;此外，本发明的方法在 运行时间与频谱效率上，要明显优于贪婪分配算法与随机分配算法，而运两个性能指标对 于复杂多变的V2V通信链路环境和现如今频谱资源匿乏状态显得尤为重要。
[0080] W上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于运些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护犯i围。
【主权项】
1. 一种基于交通流动态分组的LTE-D2D车联网资源分配方法，其特征在于:所述方法包 括:在每一个资源调度时隙内，首先按照通信的类型，把所有V2V通信链路分为两个类型:交 通安全类和休闲娱乐类，分别用集合Cl和集合C2来表示;然后获取车辆速度，根据所述速度 判断当前交通流形态，根据不同的交通流形态自适应地选择合适的分组数m值;利用所述m 值对V2V通信链路进行分组处理;分组之后，给每组V2V通信链路分配通信资源，在保证蜂窝 用户自身通信质量的前提下，选择所对应通信容量效用值最大的蜂窝用户资源分配给V2V 链路，同一组内的V2V通信链路复用相同的蜂窝用户资源。2. 根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于:所述给每组V2V通信链路分配通 信资源，具体为:某组中共有k个V2V通信链路，基站通过预测得到它们对资源使用的时间长 度依次为ti，t2，t3.. .tk，每个V2V通信用户的复用效用值为ux，xe α，2,3.. .k}:其中，βι为V2V链路满足通信要求的干扰口限值，SINRix为第X个V2V通信链路复用第i个 蜂窝用户资源后的信干噪比值;Ρχ为第X个V2V通信链路的发射端功率值大小，gxx为第X个 V2V链路本身的信道增益大小，pj为同一组内其他V2V链路的发射功率值大小，gjx为第j个 V2V用户与第X个V2V用户之间的信道增益大小，No为加性高斯白噪声功率值大小;通过基站 所得到的每个V2V通信链路对蜂窝资源复用的时间，求出某组对不同蜂窝资源复用后的通 信容量效用值化：其中，iE{l,2,3..」Cavailable I } , tmax 二 max { , ?3 . . . tk} , Cavailable 是可用来被 V2V 通 信复用的蜂窝用户集合，最终把通信容量效用最大值所对应的蜂窝资源分配给该组。3. 根据权利要求2所述的资源分配方法，其特征在于:所述可用来被V2V通信链路复用 的蜂窝用户必须要满足W下条件：其中，β〇为蜂窝用户的干扰口限值，P0为蜂窝用户的发射功率值，gBC为所对应蜂窝用户 到基站的信道增益大小，W为所对应组内的所有V2V用户对被复用蜂窝用户通信总的干扰 值，No为加性高斯白噪声的功率值大小。4. 根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于:所述分组数m值的选取与V2V链路 通信申请数量成正相关。5. 根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于：当V2V链路的数量小于50时，分组 数m值选择3;当V2V链路的数量为50到80之间时，m值选择6;而当V2V链路数量为80到120之 间时，m值选择9。6. 根据权利要求1所述的资源分配方法，其特征在于：当交通流形态为饱和交通流时， 分组数m值选择9;当交通流形态为非饱和交通流时，分组数m值选择6;当交通流形态为稀疏 交通流时，分组数m值选择3。
【文档编号】H04L29/08GK105979598SQ201610506093
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】杨志华, 李国治, 陈守凤
【申请人】哈尔滨工业大学深圳研究生院