CN103458523A - 一种车载通信***无线资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车载通信***无线资源调度方法，目的在于提供一种增加车载通信***整体性能，保证用户的公平性及不同业务的用户需求的调度方法，从而更好的提升车载***中不同车速车载设备(OBU)与路边设备(RSU)通信的公平性，确保各类车载通信业务的时延要求。包括步骤：路边设备判断车辆的状态信息，获得在激活状态下车辆的位置信息和运动信息，得到车载设备的速度优先级因子；由业务类型及其服务质量的要求获得车载设备的业务优先级因子；由车辆的位置信息得到每个车载设备和路边设备之间的信道质量，求得车载设备的实时传输速率，并通过车载设备的实时传输速率计算得出公平性优先级因子；根据调度算法，由速度优先级因子、业务优先级因子、公平性优先级因子得出车载设备的用户优先级，按优先级顺序传输数据，更新并记录平均传输速率；更新车辆信息及信道信息，持续调度过程至循环终止。

Description

一种车载通信***无线资源调度方法

技术领域

本发明涉及一种应用于车载通信***的无线资源调度方法，目的在于引入信道的时变特性和车辆的运动特性以及区分不同业务的服务质量要求，从而提高***的整体吞吐量，并保证公平性；适用于车载通信***中。

背景技术

传统的分组调度适用于对分组数据业务，针对分组到达时间间隔和分组长度的随机分布特点，从而对分组数据用户的业务来进行管理和调度，并由调度算法来具体决定分组传输的顺序与可使用的比特速率。同时，因为存在不断变化的无线信道衰落情况，需要考虑无线信道的时变特性，从而提高***的效率，包括***频率分集增益、时间分集增益和多用户分集增益。该项技术已成为当今各类通信***的核心技术。无论是何种移动通信***，调度算法的设计应充分考虑用户条件，并且兼顾到不同用户的公平性，以及对业务的区分度的服务质量要求要求QoS，比如分组时延和传输速率等。

在现有的车载通信***中，其采用的是IEEE 802.11标准中的基于竞争的DCF分布式协调功能，即载波侦听/碰撞避免CSMA/CA的方式，设计初期的目的是用于无线局域网等移动性较小的环境中，具体包括载波检测机制、帧间间隔和随机退避流程，在每个节点上使用CSMA机制的分布接入算法，并让每个站都通过对信道的竞争来获取发送权，而为了避免碰撞，当所有的站完成发送后，必须继续监听并等待一段时间间隔后才可发送下一帧，其中帧间间隔的长短由该站发送的帧的类型决定，高优先级的等待时间很短，可以较快获得发送权，而低优先级的会被推迟发送，当信道从忙转为空闲时，各个站点就需要进入争用窗口并计算随机退避时间后接入信道并占用信道资源，其中，IEEE 802.11使用二进制指数退避算法。当针对不同的车载通信业务时，采用设置不同的竞争窗口参量竞争窗口最小值CWmin和竞争窗口最大值CWmax的大小来加以区分，现有多数的针对车载通信***中资源调度模式的改进，主要都基于CSMA/CA方式，以调整竞争窗口相关的优先级设置来完成。

但是对于不断变化的车载通信无线信道的衰落，即时变的无线信道依然基于传统的802.11的调度方式，则没有充分考虑信道的具体情况，造成了整体***性能的削弱，并且对于不同运行速度的车辆间公平性因素也没有得到充分考虑，需要考虑车辆的相对位置和运行速度等因素，而且仅通过设置不同的竞争窗长最小值和最大值来区分业务等级，这样的设置并不能理想的保证业务的服务质量需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车载通信***的调度方法，不仅可以增加***整体性能，又能保证不同业务的服务质量需求，确保各类车载通信业务的时延要求，更好的提升***中不同行驶速度的车载设备OBU与路边设备RSU间通信的公平性。

为实现上述目的，本发明提供一种车载通信***的无线资源调度方法，其特征在于包含以下步骤：

1)路边设备判断车辆的状态信息，获得在激活状态下车辆的位置信息和运动信息，得到车载设备的速度优先级因子；

2)由车辆的激活状态生成其业务类型，按照业务的服务质量要求获得车载设备的业务优先级因子；

3)由车辆的位置信息和运动信息得到每个车载设备和路边设备之间的信道质量，求得车载设备的实时传输速率，并通过车载设备的实时传输速率计算得出公平性优先级因子；

4)根据调度算法，由速度优先级因子、业务优先级因子、公平性优先级因子得出车载设备的用户优先级，按优先级顺序传输数据，更新并记录平均传输速率；

5)更新车辆信息及信道信息，持续调度过程至循环终止。

本发明的方法还包括一个步骤：当接入车载通信网络的车载设备即用户离开路边设备的覆盖范围时，则注销该用户状态为0，取消反馈该无线链路下的信道条件，无需计算该用户的优先级，减少运算量，如果判断仍在该覆盖范围内，则该用户仍为激活状态1。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明的车载通信***调度方法整体流程图；

图2是不同车速车辆运行公平性示意图；

图3是车载***调度算法与CSMA/CA性能比较图；

图4是车载调度算法下各业务的性能图；

图5是公平性性能比较图；

具体实施方式

下面将对本发明的实施方式进行详细说明。图1是本发明的车载通信***调度方法整体流程图流程。该流程开始于步骤S101，将RSU的位置、发送功率P、高度、位置、覆盖范围等设定好，生成OBU数目K，同时设定仿真总时隙数即为循环迭代总次数N，噪声功率σ，信道带宽W。

然后，在步骤S102，根据车载设备初始数目K随机生成运动模型，具体包括在路边单元覆盖范围内的位置，包括x轴和y轴两个分量，车载设备的两个运动方向：正向与反向，以及车载设备的运动速度v，初始化车载设备为激活状态；根据位置信息得出并存储车载设备与路边单元的相对距离D用于S104进行无线信道大尺度衰落路径损耗的估计，为了确保不同车速的用户在同一区域内获得相对一致的服务量，引入了速度优先级因子V_i，为了避免速度优先级因子所占比重过大，设定V_i＝log(v)，计算并保存车载设备的速度优先级因子V＝log(v)用于调度算法S106中优先级的计算。

在步骤S103，由业务类型及其服务质量的要求获得车载设备的业务优先级因子。首先根据车载设备的激活状态与否随机生成不同的业务类型，结合实际的车载通信业务需求分别设置三类车载的业务应用Voice、Video、Best effort所能容忍的最大时延τ为80ms、280ms和5000ms，设置三类业务应用可容忍的最大超时分组比例δ为0.01，0.01，0.01，根据服务质量要求分别计算全部车载设备的业务优先级因子，其中第k个车载设备的业务优先级因子为a_k＝-log(δ_k)/τ_k；同时为每个车载设备用户设置业务数据缓存区，记录每个用户的业务数据缓存区队头时延，当某一用户被调度后则去掉其缓存区数组队首，后面缓存区队列的数据前向赋值。

完成上述步骤后，开始步骤S104，结合S102获得的路边设备和车载设备RSU-OBU的相对距离D，算出大尺度衰落的路径损耗模型为2次方衰减信道H1，即随机生成信道的小尺度瑞利衰落为H2，即可得到每个车载设备收到的路边设备的信号功率为P·H1_k·|H2_k|²，得出信噪比SNR后代入信道容量公式即可得S105步骤中的用户k的瞬时传输速率，即r_k＝W·log₂(1+SNR_k)，其中SNR_k＝P·H1_k·|H2_k|²/σ，σ为噪声功率，W为信道带宽，初始化时全部车载设备的平均传输速率R_k为1，算出用户k的公平性优先级因子为

用于后续过程中调度算法的计算。

在步骤S106，即完成最关键的优先级计算和比较，根据调度算法，对于第n个调度单元将速度优先级因子、业务优先级因子、公平性优先级因子带入下式，即得用户i在第n个调度单元中的优先级为Q_i，n＝a_i，n·f_i，n·V_i，n，则该信道的调度目标即为J＝arg max{Q_i，n}。

进行步骤S107时，则根据S106中的优先级顺序，依次按照时分多址技术TDMA方式分配时隙，完成数据传递。然后根据更新公式对平均传输速率进行更新

其中当且仅当t时刻k用户被调度到时才根据上式在t+1时刻进行平均传输速率更新，否则

T为更新时间窗口参数，T越大，则吞吐量越大，但所需等待时间更长。

由于速度优先级因子的引入，则可极好的提高图2场景中A车和B车服务的公平性，保障离开区域的车辆B也可获得与A同样的服务质量。

最后，进行步骤S108时，在迭代过程中，每次经过调度单元的循环后，重新返回步骤S202计算每个车载设备与路边单元的相对位置，判断是否仍在路边单元的覆盖范围内，若不在覆盖范围内则置该车载设备为注销状态，若在覆盖范围内则车载设备为激活状态，更新车辆的运动位置和信道信息，并继续对其完成调度过程；调度算法迭代时，判断是否到达迭代次数N，到达则结束循环；到达迭代次数或者全部车辆均为注销状态时结束调度过程。通过所记录的平均传输速率和存储的时延数组，计算得出***总的吞吐量和各业务的时延分布曲线及公平指数，其计算式为通常采用的Raj Jain公平指数：

$F\left(K\right)=\frac{{\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^K{R}_i\right)}^2}{K{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^K{R}_i^2}$

其中K为用户数量，R_i为用户i的平均传输速率，当公平指数F越大时，***的公平性越好，当用户归一化速率相等时则F＝1。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式和附图，但是本技术领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

下表1为仿真***参数。

表1***参数

RSU高度	1.5m
		RSU覆盖范围	200m
RSU发送功率	44.8dBm
		噪声功率	9dB
时隙长度	13μs
		更新时间窗	20ms
车辆速度范围	5-50m/s
		信道带宽	10MHz

图3为采用两种不同的资源调度方式下***吞吐量性能比较图，随着发送数据包的增加，由于本文所提出的调度算法更好的采用了信道时变特性，选择了信道质量更高的用来传输，因此获得了总体性能的提升。

图4示出了车载调度算法下区分各业务的性能图，如图所示Voice业务、Video业务和Best effort业务对于时延的要求都得到了保证，分别小于100ms，300ms和500ms，取得了比较满意的业务服务质量要求。

图5所示表达出在综合考虑***平均传输速率和运动模型公平性后，总的***公平性指标的提升，优于CSMA/CA的方式。

Claims (6)

1.一种车载通信***的无线资源调度方法，其特征在于包含以下步骤：

1)路边设备判断车辆的状态信息，获得在激活状态下车辆的位置信息和运动信息，得到车载设备的速度优先级因子；

2)由业务类型及其服务质量的要求获得车载设备的业务优先级因子；

3)由车辆的位置信息得到每个车载设备和路边设备之间的信道质量，求得车载设备的实时传输速率，并通过车载设备的实时传输速率计算得出公平性优先级因子；

4)根据调度算法，由速度优先级因子、业务优先级因子、公平性优先级因子得出车载设备的用户优先级，按优先级顺序传输数据，更新并记录平均传输速率；

5)更新车辆信息及信道信息，持续调度过程至循环终止。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于路边设备判断车辆的状态信息，获得在激活状态下车辆的位置信息和运动信息，得到车载设备的速度优先级因子的步骤包括以下步骤：

1)根据车载设备初始数目K随机生成运动模型，具体包括在路边设备覆盖范围内的位置：包括x轴和y轴两个分量，车载设备的两个运动方向：正向与反向，以及车载设备的运动速度v，初始化车载设备为激活状态；

2)根据2)得出的位置信息计算并存储车载设备与路边设备的相对距离D，用于进行无线信道大尺度衰落估计，同时计算并保存车载设备的速度优先级因子V＝log(v)应用于调度算法。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于由业务类型及其服务质量的要求获得车载设备的业务优先级因子的步骤如下：

1)根据车载设备的激活状态随机生成不同的业务类型，结合实际的车载通信业务需求分别设置三类车载的业务应用Voice、Video、Best effort所能容忍的最大时延τ为80ms、280ms和5000ms，设置三类业务应用可容忍的最大超时分组比例δ为0.01，0.01，0.01，根据服务质量要求分别计算全部车载设备的业务优先级因子用于调度算法计算优先级顺序，即有第k个车载设备的业务优先级因子为a_k＝-log(δ_k)/τ_k；

2)为每个车载设备用户设置业务数据缓存区，记录每个用户的业务数据缓存区队头时延，当某一用户被调度后则去掉其缓冲区数组队首，后面缓存区队列的数据前向赋值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于由车辆的位置信息得到每个车载设备和路边设备之间的信道质量，求得车载设备的实时传输速率，并通过车载设备的实时传输速率计算得出公平性优先级因子的步骤如下：

1)结合获得的路边设备和车载设备的相对距离D，算出大尺度衰落的路损模型为2次方衰减信道H1，即

2)随机生成信道的小尺度瑞利衰落为H2，即可得到每个车载设备收到的路边设备的信号功率为P·H1_k·|H2_k|²，得出信噪比SNR后代入信道容量公式即可得用户k的瞬时传输速率，即r_k＝W·log₂(1+SNR_k)；其中SNR_k＝P·H1_k·|H2_k|²/σ，σ为噪声功率，W为信道带宽，初始化时全部车载设备的平均传输速率R_k为1，算出用户k的公平性优先级因子为

用于调度算法的计算。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于根据调度算法，由速度优先级因子、业务优先级因子、公平性优先级因子得出车载设备的用户优先级，按优先级顺序传输数据，更新并记录平均传输速率的步骤如下：

1)根据调度算法，对于第n个调度单元将速度优先级因子、业务优先级因子、公平性优先级因子带入下式，即得用户i在第n个调度单元中的优先级为Q_i，n＝a_i，n·f_i，n·V_i，n，则信道的调度目标即为J＝argmax{Q_i，n}，得到用户的优先级顺序后，再依次按照时分多址TDMA的方式分配时隙，完成数据传递；

2)然后根据更新公式对平均传输速率进行更新

其中当且仅当t时刻k用户被调度到时才根据上式在t+1时刻进行平均传输速率更新，T为更新时间窗口参数，T越大，则吞吐量越大，但所需等待时间更长。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于更新车辆信息和信道信息，持续调度过程至循环终止的步骤如下：

1)在迭代过程中，每次经过调度单元的循环后，重新计算每个车载设备与路边设备的相对位置，判断车载设备是否仍在路边设备的覆盖范围内，若不在覆盖范围内则置该车载设备为注销状态，则无需对该车辆的业务进行调度，若在覆盖范围内则仍为激活状态，继续进行调度，并更新车辆信息和信道信息；

2)调度算法迭代时，判断是否到达迭代次数N，到达迭代次数或者全部车辆均为注销状态时结束调度过程则结束循环；通过所记录的平均传输速率和存储的时延数组，计算得出***总的吞吐量和各业务的时延分布曲线及公平指数，其计算式为通常采用的Raj Jain公平指数：

$F\left(K\right)=\frac{{\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^K{R}_i\right)}^2}{K{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^K{R}_i^2}$

其中K为用户数量，R_i为用户i的平均传输速率，当公平指数F越大时，***的公平性越好，当用户归一化速率相等时则F＝1。

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