一种基于ITS中D2D通信模型的系统容量扩容方法与流程

本发明属于智能交通ITS技术领域，具体涉及一种基于ITS中D2D通信模型的系统容量扩容方法。

背景技术：

随着城市的发展，交通拥挤程度日益加重，仅仅依靠交通基础设施的建设，已经不能满足城市交通发展的信息化需求。近年来，世界发达国家都非常重视交通系统管理与控制技术的理论研究与系统开发，目的是希望运用融合了通信、自动化及计算机等技术的智能交通系统(ITS：Intelligent Transportation Systems)，来解决实际道路交通情况下的信息交互及安全控制等问题。

作为通信领域的一个新兴研究课题，运用新型蜂窝移动通信系统中的终端直通技术(D2D，Device-to-Device)，显然能够缓解道路交通中移动用户终端数目日益增加与频谱带宽资源的不可再生这两者之间的矛盾。在传统蜂窝移动通信系统中，两个移动终端设备之间的任何信息交互，必须要首先依赖于基站的调度与转发，主要是通过基站里的资源调度器来分配上下行信道带宽资源(包含频谱与时隙资源)来保证通信过程的进行。

对于移动通信系统来说，无线带宽资源的多用户分配可以是频域分配，也可以是时域分配；带宽资源还可以采用功率精确控制下的正交码字实现分配。但是，无线带宽资源终究是非常有限的，并且当前用户的数量正在持续不断高速增长，因而如何高效地利用有限的无线带宽资源来满足日益增长的用户需求，显然成为了各国各相关行业一起关注与研究的重要课题。

在一个多用户的移动通信网络系统中，在给定带宽条件下，不同的用户享受不同且相互独立的物理信道或逻辑信道，用户的移动性与当前所处的位置条件，导致一些用户获得比其他用户更好的通信信道条件。在满足同样服务质量QoS的要求下，显然拥有较好信道条件的用户，可以更高效的使用信道带宽资源。

在智能车联网络通信系统中，车辆通信信道的空间拓扑分布，与传统电信运营商建设的蜂窝移动网络中的信道空间拓扑分布，有着较大的区别。主要区别有两方面：一方面是道路的几何拓扑形状，限制了车辆的运动范围和趋势。另一方面车联网的信道特点，使得车辆移动终端比行人在一般的移动蜂窝网中，具有更快的移动性；这种快速变化的移动性，使得对于ITS下的信道建模与系统通信容量计算的研究工作，比较普通运营的蜂窝移动通 信网络，更具备挑战性。

综上所述，虽然目前在传统蜂窝移动网络的信道模型研究与实际组网工程中，已经有了一些学术与工程界公认的典型通信信道模型和数据传输调度方案，但这些模型不能完全直接运用于ITS的终端直通D2D的通信系统中，显然需要根据实际的道路环境下的信道特点与车载用户终端的实时运动特性，进行合理的信道的参数修正与带宽传输调度的策略优化。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明将D2D终端直通通信技术应用到智能道路交通信息交互系统中，提出了一种新型的方法，即为一种基于ITS中D2D通信模型的系统容量扩容方法，该方法能够使得D2D这项新型的协同又直通的通信技术，在ITS实际交通道路的实际应用场景中，变得更加普及与高效。在引入了本发明策略下的终端直通D2D技术之后，系统中两个移动终端可以不通过基站的转发而实现数据的直接收发。其总体策略为：在ITS应用环境中的D2D技术下，部分移动用户终端仍然通过基站转发的方式实现通信与交互；部分满足ITS优化通信系统模型条件下的车载移动用户终端，可以顺利通过终端直通D2D的技术方式，直接进行数据的通信与交互。满足ITS优化通信系统模型的具体条件为：首先通信系统采用路测基站RSU之间的协作传输调度方式，并且在任意双向车载用户终端之间信道条件良好(即满足相互传输距离较近，收发信号功率较高等条件)时，能够采用本专利后续所述的高效传输带宽调度策略；进而可以自适应的采用通信节点之间功率控制的通信系统容量分配方法。以达到在实际运用的ITS网络通信环境中，实现通信系统总容量增加与高效分配的目的。实现本发明的具体技术方案如下：

一种基于ITS中D2D通信模型的系统容量扩容方法，包括：路测基站之间进行协作信息传输调度与带宽资源分配的方法、以及对应的自适应信号功率控制的容量扩容方法；

所述路测基站之间进行协作信息传输调度与带宽资源分配的方法包括：将RSU协作通信应用到车联网系统中，通过RSU的回程级联，实现通信信道带宽资源的高效协同分配，在带宽资源分配过程中采用高效的传输调度协议；所述传输调度协议采用：当车辆节点迁出基站覆盖范围时，每个RSU能够及时释放相应的无线频谱带宽资源；当车辆节点迁入基站覆盖范围时，RSU预先保留将要切换到该车辆节点的频谱带宽资源；

所述自适应信号功率控制的容量扩容方法采用基于比特分配算法的离散功率分配方法，即根据子载波信道的实时状态，自适应的分配每个载波的比特速率，并采用对应的功率分配算法，自适应调整发射功率。

进一步地，所述基于比特分配算法的离散功率分配方法包括如下步骤：

a.设通信系统信号总带宽为B，划分为n＝1,2,.....,N，共N个子载波，因此每个载波带宽为Δf＝B/N，表示第k个信号在第n个子载波上的发射功率，对应的信道衰落系数为则第k个信号的功率分配向量为

b.令每个子载波的噪声功率为σ²，则单个载波信噪比SNR为：

$v_n^k=\frac{P_n^k\·{\left(h_n^k\right)}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}$

C.根据香农定理，则每个子载波的信道容量为：

$r_n^k={\mathrm{\Δflog}}_2(1+v_n^k)$

d.在给定系统发射总功率为P_max约束条件下，即系统需要满足最优功率分配的值为：

$\mathrm{\Δ}f\underset{N}{\Σ}{\log }_2\[1+\frac{P_n^k\·{\left(h_n^k\right)}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}\];$

e.采用自适应信号功率控制的功率注水法求解，得到第k个信号的最优子载波发射功率为：

$P_{n,opt}^k=max\{\frac{1}{N}\[\underset{N}{\Σ}\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left(h_i^k\right)}^2}+P_{max}\]-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left(h_n^k\right)}^2},0\}$

下标opt表示最优子载波，i∈[1,N]；子载波信道实时状态越好，则分配功率越多；反之，如果信道条件很差，则不分配功率，即功率为0；

f.为了充分利用信道带宽，进行自适应的功率注水，对所有子载波迭代地分配功率。

进一步地，所述通信信道带宽资源协同分配的具体实现包括：

首先，基于车辆速度和位置信息的变化，每个RSU预测其覆盖范围内网络拓扑结构的变化情况，并且预测与其关联的即将从覆盖范围内离开的通信节点情况；

然后，将这种预测通过回程网络，传递给相邻的RSUs，使其他的RSUs都能可靠的预测到哪些车辆节点能够进出其范围。

进一步地，所述信息传输调度协议由调度阶段T_sc与传输阶段T_tr构成。

本发明的有益效果：

1、将ITS中D2D技术的优化模型与对应通信系统容量的扩容方法应用于智能交通系统，在提高频谱资源的利用率方面有着显著的优势，并且还能减轻基站的工作负荷，增加 基站的用户容量。

2、本专利针对车联网中道路的带状结构、空间车辆分布状况与信道特性状况，提出了一种动态自适应频谱带宽资源调度方式。相比于其他方式，在信道容量一定的情况下，减小了信号发送功率，从而降低了信号发送速率，相应增加了通信系统容量。

附图说明

图1是无RSU协同合作的通信调度方案传输框架；

图2是改进后的适合车联网道路环境的协同优化通信调度方案传输框架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

在ITS的终端直通D2D的带宽资源复用通信系统中，D2D通信系统分配多少带宽给D2D用户，主要是是由附近的基站BS或路测设备RSUs来决定的。因此，本发明体现了一种以确保固有用户正常通信为前提的动态频谱资源调度与管理方法。针对车联网D2D直通自组通信系统的网络特性，提出了一套新型的简单高效的D2D通信系统模型的技术方案，主要内容有如下两个方面：(1)有利于路测基站之间进行协作信息传输调度与带宽资源分配的方法；(2)基于上述车载节点特性与自适应信号功率控制要求的通信容量扩容方法。下面分别说明。其中，通信容量扩容方法的实现条件为：ITS中的通信系统模型需要满足所述传输调度与带宽资源分配的方法。

(1)有利于路测基站之间进行协作传输调度与带宽资源分配的方法

区别于传统移动蜂窝网络，基于“背景技术”中所述的两个主要的区别，ITS车联网自组通信系统显然还具备如下3个具体特点：

1)在直线道路场景中，每个远端通信基站模块(RSU)通常只有两个相邻RSUs；

2)较高的车速导致带状ITS通信网络中的信道频率快速切换；

3)车载节点的运动位置比普通移动用户更加具备可预测性。

根据这些显著特征，本发明将RSU协作通信的思想应用到车联网系统中，通过RSU的回程级联方法，实现通信信道带宽资源的高效协同分配。

首先，基于车辆速度和位置信息的变化，每个RSU预测其覆盖范围内网络拓扑结构的变化情况，并且预测与其关联的即将从覆盖范围内离开的通信节点情况。

然后，这种预测通过回程网络，传递给相邻的RSUs，使其他的RSUs都能可靠的预测到哪些车辆节点能够进出其范围。

在带宽资源分配过程中，在每个带宽资源块(resource block)受到的干扰取决于系统 时间与空间的相关特性，选择合理的方式共享资源块，将获得更大的网络吞吐量及更高的频谱利用率。因此，高效的传输调度策略显得非常重要。

如图1所示，为传统的D2D带宽资源块传输调度策略：当车辆终端从一个基站BS的覆盖范围移动到另一个，对应了两个BS之间的切换，经历了一个切换周期T_sw。切换完成后，车辆终端仍然继续使用在交接时分配到的新的无线带宽资源，这段时间为第一传输周期T_ft。如果车辆终端还需要实现相互的信息传输时，则需要一个特殊的调度周期T_sc。经历了调度周期后，是信息数据传输周期T_tr。此后，车辆节点会交替经历T_sc与T_tr，直到离开当前基站的信号覆盖范围并进入下一个大的切换周期。

如图2所示，为本发明提出了改进后的适合车联网道路环境的协同优化通信调度策略。当车辆节点迁出基站覆盖范围时，每个RSU能够及时释放相应的无线频谱带宽资源；当车辆节点迁入基站覆盖范围时，RSU预先保留将要切换到该车辆节点的频谱带宽资源。

因此，与上述传统的D2D直通通信系统的带宽资源块传输调度策略不同的是，包含了回程网络的级联RSU车联网的情况下，没有必要处理复杂的切换过程，即本发明提出的车联网条件下的资源调度协议仅由一个调度阶段T_sc与传输阶段T_tr构成。显然新的带宽资源块传输调度策略，具有更高效的频谱带宽资源利用效率，更有利于ITS环境下通信系统容量扩增。

(2)基于车载节点特性与自适应信号功率控制的通信容量扩容方法

现代的移动通信系统中的无线资源主要分为四大类型：能量资源、时间资源、频率资源和空间资源。能量资源包括信号的功率与能量。通信系统对于上、下行信道的分配准则不同，上行要满足系统链路间相互干扰最小，又能正常工作的分配准则；而下行要满足发射总功率最小和链路间相互干扰最小的分配准则。在自组协同资源分配的D2D/ITS网络中，显然，更重要的是要求网络总功率最小。

无论是功率自适应还是速率自适应，均属于链路自适应，且它们都是实现链路自适应的一种主要手段，其目的都是为了扩大在链路中传送数据业务的容量并提高传送数据的质量。

下面对发明专利中的自适应信号功率控制的容量扩容方法，作如下说明：

香农理论认为，对于通信系统直接进行发送信号总功率注水，能够扩大信道容量。但由于实际车载移动ITS系统都是离散多载波形态，因此需要采用离散功率分配方案。本发明提出了基于比特分配算法的离散功率分配方案，即根据子载波信道的实时状态，自适应 的分配每个载波的比特速率，并采用对应的功率分配算法，自适应调整发射功率。又因为信息比特率与功率分配具有紧密相关性，因此往往进行两者的自适应联合分配，所以我们称为自适应信号功率控制算法，其功率控制策略与系统容量扩容方法的理论推导如下：

a.设通信系统信号总带宽为B，划分为n＝1,2,.....,N，共N个子载波，因此每个载波带宽为Δf＝B/N。表示第k个信号在第n个子载波上的发射功率，对应的信道衰落系数为则第k个信号的功率分配向量为

b.令每个子载波的噪声功率为σ²，则单个载波信噪比SNR为：

$v_n^k=\frac{P_n^k\·{\left(h_n^k\right)}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}---\left(1\right)$

c.根据香农定理，则每个子载波的信道容量为：

$r_n^k={\mathrm{\Δflog}}_2(1+v_n^k)---\left(2\right)$

d.在给定系统发射总功率为P_max约束条件下，即系统需要满足最优功率分配的值为：

e.采用自适应信号功率控制的功率注水法求解，可以推导出，第k个信号的最优子载波发射功率为：

$P_{n,opt}^k=max\{\frac{1}{N}\[\underset{N}{\Σ}\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left(h_i^k\right)}^2}+P_{max}\]-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left(h_n^k\right)}^2},0\}---\left(3\right)$

其中，下标opt表示最优子载波，i∈[1,N]。

上述注水方案表明，子载波信道实时状态越好，则分配功率越多；反之，如果信道条件很差，则不分配功率，相当于放弃了这个载波，功率为0。为了充分利用信道带宽，需要进行自适应的功率注水，对所有子载波迭代的分配功率。

发明创新点的效果

最后，验证该算法的有益效果，考虑单个通信链路，采用移动通信系统中的经典路径损耗模型，其链路衰落值为：

L(dB)＝[32.4+20log₁₀(d)+20log₁₀(f)] (4)

载波频率为：f＝5.9GHz，D2D直通系统下行信道总带宽为200MHz。

具体实施例

根据上述自适应信号功率控制算法，通过基于LINUX系统下的NS-3开源仿真平台的建模与计算，当路测或基站天线功率的覆盖范围为200m，共有级联路测或基站10个，对应车载移动网络长与宽为2000m(长)---20m(宽)路段，采用D2D直通系统的协同优化通信调度策略和自适应信号功率控制的容量扩容方法，D2D直通链路的发射功率为20dBm，其他非直通通信链路为40dBm，可以计算获得，能容纳的车辆数量从50台增加到80台，说明本发明的调度与扩容策略很好的降低了信号发射功率，优化了ITS的网络容量，这对车联网系统中资源的高效利用有深远的影响。

综上，本发明提出一种基于ITS中D2D通信模型的系统容量扩容方法，在车辆距离基站较远时，工作在低功率模式下，采用简单的资源调度策略，当车辆与基站的距离较小时，切换到本发明模式，采用优化的资源调度策略与功率控制下的系统容量扩展方法。

文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。