CN105025578A - 一种在车联网中利用电视频段空白频谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在车联网中利用电视频段空白频谱的方法，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，包括：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。

Description

一种在车联网中利用电视频段空白频谱的方法

技术领域：

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：

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)。

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。

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。

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“Interplay Between TVWS and DSRC:Optimal Strategy forSafetyMessage Dissemination in VANET”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“Modeling and analysisof dsa-based vehicle-to-infrastructurecommunication systems”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：

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。

本发明是通过以下技术方案实现的：

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：

第一步，基于频谱地理数据库的资源建模，具体如下：

11)车联网基站获取其覆盖范围内的空白频道信息；

12)计算空白频道信息的可用范围：

13)计算车所处位置能传输的数据，单位为bit，公式如下：

${\mathrm{\Ψ}}_{x_V}^v=\frac{\mathrm{\Δ}x\mathrm{\Δ}W}{v}{\log }_2(1+\frac{P_t}{P_L\left(\right|x_V-x_{RSU}\left|\right)P_N})$

其中v表示车的速度，Δx和ΔW定表示资源块在距离和频率上的尺寸，P_t表示发射功率，P_N表示噪声功率，P_L表示电磁波的传播损耗；

第二步，进行吞吐量最大化的资源分配，具体如下：

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；

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；

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。

所述的步骤23)具体包括以下步骤：

(i)将所有频道按照可用范围由小到大的顺序排列。

(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；

(iii)进行频道和子频率的分配：

首先，从排序后的车集合中按顺序每次选择一辆车；

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；

当所有车都完成上述分配过程之后，分配终止。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于以下几点：

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。

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。

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：

图1.基于频谱地理数据库的资源建模示意图，其中，图1a,为空白频道可用范围；图1b为空-频资源块的划分。

图2.空白频道资源分配示意图。

图3.资源分配流程图。

图4.实施例分配结果。

具体实施方式：

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。

第一步，基于频谱地理数据库的资源建模，具体如下：

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。

获得信息之后，通过将每个空白频道的可用范围与车联网基站所覆盖的路段进行交集运算，基站就可以利用所得到的“条带”将所有的空白频道在其覆盖路段的可用范围表现出来，如图1a所示。距离车联网基站越远，信号衰减的越强，车接收的信号的信噪比越低，即能传输的速率越低，如图1b中的传输速率曲线所示。

在具体实现上，一般将速率变化进行离散化处理，从而形成多个离散化速率，对应不同的信噪比区间，即公路上与基站距离不同的多个区间。因此，每个“条带”又可以被细分成一个个的空-频资源块，如图1b所示，在空间(横轴)上以Δx为单位将整个路划分成一个个小段，在频率(纵轴)上将一个频道以ΔW Hz的宽度划分成多个子频率，这样就生成了尺寸为Δx*ΔW的空-频资源块。每个资源块表示车在其所处位置能通过该资源块传输的数据，单位为bit，具体计算方式通过以下公式得出：

${\mathrm{\Ψ}}_{x_{V_i}}^v=\frac{\mathrm{\Δ}x\mathrm{\Δ}W}{v}{\log }_2(1+\frac{P_t}{P_L\left(\right|x_{V_i}-x_{RSU}|,f)P_N})---\left(1\right)$

其中v表示车的速度，f表示资源块所处的频道的频率，Δx和ΔW表示资源块在距离和频率上的尺寸，P_t表示基站发射功率，P_N表示噪声功率，P_L表示电磁波的传播损耗，与频率和车与车联网基站的距离有关(即车的位置与基站位置x_RSU的差)，具体可由一些现有的路径损耗模型得出。

第二步，吞吐量最大化的资源分配，具体如下：

1)根据第一步的结果，建立车与频道的二分图G(F,V,E)，如图2上部分所示。其中，F表示所有频道的集合，每个频道用二分图上侧的一个节点表示，V表示所有车的集合，每辆车用二分图下侧的一个节点表示，E表示二分图的边的集合，每条边表示某个车在当前分配周期内可以使用某个频道，即该车的当前位置在该频道的“条带”内。

2)计算每条边的收益u。因为频率资源分配以网络吞吐量最大化为目标，u可表示为某条边对应的车使用对应的频道的资源块能传输的数据。若某条边的两个顶点分别是车V_i与频率f_j，将车的位置速度v、频率f_j代入上面公式(1)即可得到该条边的收益u。

3)在上述二分图的基础上，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，如图2下部分所示，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，被分配的子频道的数目用c表示。要使得分配能够实现，要求同一个频道分配给不同车的子频道数目总和不超过其拥有的子频道总数。同时，分配的过程以网络吞吐量最大化为目标，即最大化所有在集合E′中的边的收益u与子频道数目c的乘积的总和。具体资源分配过程如下：

(i)将所有频道按照可用范围由小到大的顺序排列，即“条带”由短到长的顺序。

(ii)将所有车按照收益由大到小的顺序排列，具体如下：首先针对每个车，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。

(iii)进行频道和子频率的分配。其中，Fs表示每个频道包含的子频道数目。V和F表示按照前两步排序后的车和频道集合。Ri表示第i辆车需求的数据量大小。具体分配方式如下：从排序后的车的集合中按顺序每次选择一辆车。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。当所有车都完成上述分配过程之后，分配终止。

实施例

本实施例包括以下步骤：

第一步，基于频谱地理数据库的资源建模，具体如下：在本实施例中，做如下设定：车联网基站的覆盖范围为4000m，基站位于2000m处。其空白频道资源有3个，分别为509MHz，575MHz和635MHz，可用范围分别为[500,3500],[1000,3000],[1500,2500]。每个频道可用带宽为5.33MHz，包含35个子频道(即子频道宽度为5.33/35MHz)，空间颗粒度设为1m，不同速率的区间长度设为500m，每个区间内的信噪比用区间内的最小值表示。共有6辆车，当前位置分别位于800,1200,1600,2400,2800,3200，数据需求分别为10，20,30,30,20,10，单位为Mbit，速度均为60km/h。通过上述设定，代入公式(1)即可得每辆车使用每个频道的资源块可传输的数据bit大小。

第二步，吞吐量最大化的资源分配，具体如下：分配周期设置为1秒。在当前周期内，根据上述的空白频道可用范围和当前车的位置，得出每辆车可用频道的情况，并根据第一步的每辆车使用每个频道的资源块可传输的数据bit大小结果得出每条边的收益u，然后对每个车在其可用频道的收益u中选出最大的得到车的收益，以上步骤得到的二分图结果如图4上面的图所示，其中的边表示某辆车可以使用某个频道，车下面的数字即为车的收益，单位为Kbit。然后按照以下步骤进行资源分配：

(i)将所有频道按照可用范围由小到大的顺序排列。

(ii)将所有车按照收益由大到小的顺序排列。

(iii)按照图3所示的流程进行频道和子频率的分配，最终结果如图4下面的图所示，每条边表示将该频道的一些子频道分配给了某个车，分配的子频道数目标记在边上。当前设定下，第一辆车没有获得足够的资源来完成其需求，第6辆车没有获得任何资源。

Claims (4)

1.一种在车联网中利用电视频段空白频谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，基于频谱地理数据库的资源建模，具体如下：

11)车联网基站获取其覆盖范围内的空白频道信息；

12)计算空白频道信息的可用范围：

13)计算车所处位置能传输的数据，单位为bit，公式如下：

其中v表示车的速度，Δx和ΔW定表示资源块在距离和频率上的尺寸，P_t表示发射功率，P_N表示噪声功率，P_L表示电磁波的传播损耗；

第二步，进行吞吐量最大化的资源分配，具体如下：

21)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；

22)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；

23)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。

2.根据权利要求1所述的在车联网中利用电视频段空白频谱的方法，其特征在于，所述的步骤23)具体包括以下步骤：

(i)将所有频道按照可用范围由小到大的顺序排列。

(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；

(iii)进行频道和子频率的分配：

首先，从排序后的车集合中按顺序每次选择一辆车；

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；

当所有车都完成上述分配过程之后，分配终止。

3.根据权利要求1所述的在车联网中利用电视频段空白频谱的方法，其特征在于，所述的第一步中，采用空-频资源块的方式来表征频谱地理数据库在车联网基站覆盖范围内的信息，使得为高动态用户分配空间变化的资源变得可行。

4.根据权利要求1所述的在车联网中利用电视频段空白频谱的方法，其特征在于，所述的第二步中，将空白频道按照其可用范围由小到大进行排序，将车按照收益由大到小进行排序，然后进行资源分配，使得网络吞吐量近似达到最大化。