一种在车联网中利用电视频段空白频谱的方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种在有车联网基站支持的车联网中利用 电视频段空白频谱资源进行数据通信的方法。
【背景技术】：
[0002] 车联网是一种在近年来新兴的无线网络模式。顾名思义，其目的在于为配备了无 线传输模块的汽车提供数据通信服务。一般而言，车联网可以分为有车联网基站支持和无 车联网基站支持这两种类型。前者可以通过车联网基站与车之间的通信为汽车用户提供高 速的因特网数据业务（例如：文件下载，视频流等），这里的车联网基站的功能与蜂窝网中 的基站或者无线局域网中的接入点的功能类似，即作为网关，一面通过有线网络连接到互 联网，另一面通过无线网络连接终端用户。后者可以以自组织网络的形式实现任意时刻任 意位置的车与车之间的通信，但由于不具备与因特网相连的能力，因此一般用于一些与行 车安全应用相关的本地信息的扩散（例如：车祸，交通拥塞等）。
[0003] 当前，已经存在几种潜在的实现车联网通信的方式。一是通过蜂窝网，尤其是4G 网络，来实现车的接入。然而，这种方式会使得本来就很拥挤的蜂窝网的使用体验进一步 恶化。二是通过现有的无线局域网，即WiFi相关技术。然而，车联网的一个重要特点是用 户（车）的移动速度很快，当采用WiFi的用户验证、连接和媒体介入控制协议时，会造成大 量的宝贵的数据传输时间的浪费，使得网络有效吞吐量下降。另外，WiFi工作的频段位于 2. 4GHz和5GHz，其高频率会导致网络覆盖范围小，其公共特性更会导致比蜂窝网更严重的 拥堵情况。三是通过车联网专属的频段。在美国，联邦通信委员会FCC为车联网业务划分了 75MHz的专用频段，又称专用短距离通信频段。但是，该频段位于5. 9GHz处，因此依然存在 覆盖范围小的问题。况且，其每个频道带宽仅为10MHz，因此更适合用来作为控制信道和一 些与安全相关的短小信息的传输，而不适合用于大容量互联网数据业务的传输。综上所述， 车联网作为未来互联网业务的一个新的增长点，需要具备更大的网络容量与更强的数据传 输能力。
[0004] 电视频段空白频谱指的是在现存的地面数字电视广播所使用的频段中存在的频 谱空洞，即在某些位置和某些时间，一些频率并没有被使用。随着认知无线电和动态频谱接 入技术的发展，无论是科研机构还是政府机关都越来越重视这部分珍贵的频谱资源的重复 利用。经测量表明，空白频谱一般有几十到上百MHz的带宽，并且其位于几十到几百MHz的 甚高频和特高频频段，具有优秀的覆盖和穿透能力。一般而言，通过次级接入的方式，能够 实现在不干扰首要用户（即数字电视用户）的情况下的空白频谱再利用。在美国、英国等 发达国家，政府已经开放了电视频段空白频谱的次级接入权，而我国也将于未来几年之内 出台同样的政策。
[0005] 虽然电视频段空白频谱可以用于任何无线业务的传输，但是将这部分频率资源用 于车联网业务更加合适。由上可知，该频段资源丰富且覆盖范围大，因此不具有上述潜在实 现方式的缺点。但是，电视频段空白频谱资源的空时变化特性在车的高速移动场景下会被 放大，因此为网络的资源分配带来挑战。在传统的资源分配方法中，资源都是静态不变的， 而在一般的动态频谱接入场景中，用户的移动性一般不大，即只考虑资源的时变特性，因 此，车联网中需要新的资源分配方法。在论文"InterplayBetweenTVWSandDSRC:Optimal StrategyforSafetyMessageDisseminationinVANET" 中，作者提出用电视频段空白 频谱来补足专有频段，从而保证安全相关的信息扩散。然而，作者只考虑了较小的信息的 传输，并且主要通过车与车之间的通信而非有车联网基站的通信。在论文"Modelingand analysisofdsa-basedvehicle-to-infrastructurecommunicationsystems'，中，作者利 用排队论来对车的机会式接入建模，然而其结果主要是从延时角度考虑，并没有针对网络 吞吐量进行设计。
【发明内容】
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[0006] 本发明针对在车联网场景中如何高效的利用电视频段空白频谱这个问题，提供了 一种以网络吞吐量最大化为目标的资源分配方法。该方法考虑了资源的空时变化特性与车 的高速移动特性，通过频谱地理数据库的方法表征资源，然后按照一定的时间间隔将空白 频谱资源分配给其能够服务的车，并尽可能满足网络总吞吐量最大的目标。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0008] 本发明提供了一种在高速公路场景下（即线性拓扑），通过类似基站的车联网基 站，利用电视频段空白频谱为车提供互联网数据传输业务的频谱资源分配方法，包括两个 部分：基于频谱地理数据库的资源建模以及吞吐量最大化的资源分配。前者将资源的变化 特性具体表征出来，并以空-频资源块的形式呈现出来，保证了资源分配的可行性。后者通 过在时域和频域的划分，按固定的时间周期将子频道分给在其可用范围内的车，同时保证 网络吞吐量最大化的目标。具体包括如下步骤：
[0009] 第一步，基于频谱地理数据库的资源建模，具体如下：
[0010] 11)车联网基站获取其覆盖范围内的空白频道信息；
[0011] 12)计算空白频道信息的可用范围：
[0012] 13)计算车所处位置能传输的数据，单位为bit，公式如下：
[0014] 其中V表示车的速度，AX和AW定表示资源块在距离和频率上的尺寸，Pt表示发 射功率，口[^表不噪声功率，P表不电磁波的传播损耗；
[0015] 第二步，进行吞吐量最大化的资源分配，具体如下：
[0016] 24)建立车与空白频道的二分图G(F，V，E)，其中，F表示所有空白频道的集合，V 表示所有车的集合，E表示二分图的边的集合，每条边表示某个车在某个空白频道的可用范 围之内；
[0017] 25)计算每条边的收益u，即某条边的收益表示为其对应的车使用对应的频道能 传输的数据；
[0018] 26)根据G(F，V，E)得出最终的频率资源分配结果G' (F'，V'，E')，其中 F'，V'，E'分别为F，V，E的子集，F'表示实际分配结果中被分配的频道，V'表示实际 分配结果中获得资源的车，E'中的每条边表示将对应的频道中的某些子频道分配给对应的 车。
[0019] 所述的步骤23)具体包括以下步骤：
[0020] ⑴将所有频道按照可用范围由小到大的顺序排列。
[0021] (ii)将所有车按照收益由大到小的顺序排列，即在二分图G中从所有与其邻接的 边的收益u中选出最大的，作为该车的收益，然后将所有车按照收益由大到小的顺序排列；
[0022] (iii)进行频道和子频率的分配：
[0023] 首先，从排序后的车集合中按顺序每次选择一辆车；
[0024] 然后，从排序后的频道集合中按顺序检查每个频道：如果该频道能被该车使用且 该频道的子频率没被分配完，则将该车需要的子频率分配给它；如果该车需要的子频率多 于当前频道剩余的子频率个数，则先把当前频道的所有剩余子频率分配给该车，然后根据 该车剩余未满足的需求，检查频道集合中的下一个频道，并按照之前的流程为该车分配子 频率；反之，如果该频道的子频率能够满足该车，则开始进行下一辆车的分配；
[0025] 当所有车都完成上述分配过程之后，分配终止。
[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于以下几点：
[0027] 1.本发明实现了在车联网中高效利用电视频段空白频谱资源，并不会对首要的电 视用户产生干扰。通过基于频谱地理数据库的资源建模，形成了以空-频资源块为基本单 位的资源划分，使得网络资源分配更加容易并且能够克服资源的空时变化特性，因而具备 可行性。
[0028] 2.本发明考虑了不同位置的车具有不同传输速率的特性，其中的资源分配结果可 以近似达到网络吞吐量最大化，并通过低复杂度的启发式算法实现分配过程，具有较强的 实用性。
[0029] 3.根据本发明的资源分配方法得出的结果具备中长期的吞吐量公平性，保证了车 联网基站覆盖范围之内的车都会获得相近的传输数据量。
【附图说明】：
[0030] 图1.基于频谱地理数据库的资源建模示意图，其中，图la，为空白频道可用范围； 图Ib为空-频资源块的划分。
[0031] 图2.空白频道资源分配示意图。
[0032] 图3?资源分配流程图。
[0033] 图4?实施例分配结果。
【具体实施方式】：
[0034] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
[0035] 第一步，基于频谱地理数据库的资源建模，具体如下：
[0036] 资源分配以分配周期为最小单位来进行。在每个资源分配周期前，车联网基站与 频谱地理数据库的服务器进行通信，以获取在其覆盖范围内的空白频道信息。频谱地理数 据库存储了在每个地理位置的可用空白电视频道信息，当前有很多公司都已建立该数据 库，例如：谷歌，微软等。
[0037] 获得信息之后