CN106211339A - 车联网***中的资源分配的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车联网***中的资源分配的方法及***。所述方法，包括：1)确定在指定范围内的车辆用于发送心跳信息的数据传输速率和时隙数量；2)将所述数据传输速率和所述时隙数量广播给所述在指定范围内的车辆；3)所述车辆从全部可用时隙中随机选择等于所述时隙数量个时隙，以在所选择的时隙上以所述的信息传输速率发送所述车辆的心跳信息。在本发明中，不需要由基站针对每个车辆进行资源分配，车辆可以随机选择时隙资源进行信息发送，因而不需要在车辆与基站之间进行频繁的信息交互，避免消耗大量的通信资源。

Description

车联网***中的资源分配的方法及设备

技术领域

本发明涉及无线通信，尤其涉及车联网通信。

背景技术

车联网是智能交通***的重要组成部分，通过车辆与车辆之间的通信，能够使得驾驶员及时准确的了解视野以外的其他车辆的运行速度，状态，从而为安全驾驶提供保障。

目前车联网使用的是短距离通信协议(DSRC协议，又称为802.11p协议)，在该协议中，车辆通过CSMA/CA载波侦听干扰避免机制来竞争性地争用信道。换句话说，车辆通过监听信道闲或者忙的状况来竞争利用信道。当车辆监测到信道闲的时候，车辆取得信道信用权，将其当前的位置信息以广播的形式发送给周围的车辆；从而使得周围车辆能够及时获取该车的位置、速度、状态等信息。当车辆检测到信道忙的时候，采用选择某个随机退避时间窗，直到时间窗退避到0才进行信息发送。

在车联网***中，大多数消息是广播类消息，802.11p协议中广播类消息缺乏反馈信道，所以发送节点难以获得信息的覆盖率；发送端也不能根据反馈信息灵活的调整发送速率、发送功率等参数。

另一方面，随着LTE技术的发展，利用LTE来辅助车联网进行信道接入的方案也得到了关注。在这样的方案中，所有车辆接入LTE网络中，形成一种集中式的网络架构。LTE网络负责为车辆分配发送时隙或者频率资源并通知车辆，车辆在相应的时隙内或者频率资源上进行信息发送，将自己的位置、速度、状态等信息发送给周围车辆；集中式接入可以减少车车通信资源冲突，提高信息发送成功率。

但是这种集中式接入架构需要所有车辆都接入到LTE小区中，使得LTE基站负载很重。并且由于车辆与基站之间进行频繁的信息交互，因而需要消耗大量的通信资源。此外，由于车辆具有高动态性，车辆会在小区之间频繁进行切换，***开销很大。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种车联网***中的资源分配的方法，包括：

1)确定在指定范围内的车辆用于发送心跳信息的数据传输速率和时隙数量；

2)将所述数据传输速率和所述时隙数量广播给所述在指定范围内的车辆；

3)所述车辆从全部可用时隙中随机选择等于所述时隙数量个时隙，以在所选择的时隙上以所述的数据传输速率发送所述车辆的心跳信息。

优选地，根据所述方法，其中，所选择的所述时隙的数量为至少两个。

优选地，根据所述方法，其中步骤1)包括：

根据车流密度，确定所述数据传输速率和所述时隙数量。

优选地，根据所述方法，其中步骤1)包括：

1-1)设置数据传输速率的取值范围和搜索步长，以及时隙数量的取值范围和搜索步长；

1-2)根据所述取值范围和所述搜索步长，搜索在所述车流密度下满足信息覆盖率要求时的数据传输速率和时隙数量，

其中，所述信息覆盖率为在通信范围内的其他车辆成功接收到车辆发送的信息的平均概率。

优选地，根据所述方法，其中步骤1-2)包括：

1-2-1)设置所述信息覆盖率的最小值约束；

1-2-2)在满足所述约束的情况下，搜索在所述车流密度下使得时隙数量少的数据传输速率。

优选地，根据所述方法，其中所述信息覆盖率为：

其中，R_v为所述数据传输速率；k为所述时隙数量；λ为所述车流密度；R_th为所述心跳信息的最大发送距离；B_p是用于发送所述心跳信息的最大数据包大小；f为产生所述心跳信息的频率；B是通信带宽；r表示通信源节点与目的节点之间的距离；α为车辆通信的路径损耗因子；σ²表示通信链路中高斯白噪声的功率；T是解码信息所需要的最小信干噪比阈值，P_v是车车通信采用的发射功率；A是测定出的与路径损耗、发送端和接收端的增益相关的常数；C₁为取值固定的常数，其大小由积分式来表达。

优选地，根据所述方法，其中，所述全部可用时隙的数量为：

优选地，根据所述方法，其中步骤1)还包括：

根据通信环境，调整所述数据传输速率和所述时隙数量。

优选地，根据所述方法，其中步骤1)还包括：

根据时间段，调整所述数据传输速率和所述时隙数量。

并且，本发明还提供了一种在车联网***中进行资源分配的设备，包括：

用于确定用于发送在指定范围内的车辆的心跳信息的数据传输速率和时隙数量的装置；

其中，所述时隙数量用于从全部可用时隙中随机选择等于该时隙数量个时隙，以在所选择的时隙上以所述的数据传输速率发送所述车辆的所述心跳信息；以及

用于将所述数据传输速率和所述时隙数量广播给所述在指定范围内的车辆以用于发送所述车辆的心跳信息的装置。

以及，一种用于车联网中的车辆进行通信的***，包括：

基站，其用于确定在指定范围内的车辆用于发送心跳信息的数据传输速率和时隙数量，并将所述数据传输速率和所述时隙数量广播给所述车辆；

车辆，其用于以所述数据传输速率发送所述车辆的心跳信息，并且从全部可用时隙中随机选择等于所述时隙数量个时隙，以在所选择的时隙上以所述的信息传输速率发送所述车辆的心跳信息。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一、不需要由基站针对每个车辆进行资源分配，车辆可以随机选择时隙资源进行信息发送，因而不需要在车辆与基站之间进行频繁的信息交互，避免消耗大量的通信资源。

二、在满足通信质量的情况下，优化了车车通信的数据发送速率和发送的次数，使得车辆可以通过多次重传以及优化了的数据发送速率，来保证通信的整体传输成功率。

三、能够进一步地根据实时的车流量来设置车车通信的数据发送速率、以及分配给车辆的时隙数量，从而根据即时的车流量及环境状况，适应性地保证信息发送的可靠性。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1示出了现有技术中车联网***的场景图；

图2是针对数据传输速率与信息传输中断概率的仿真结果图；

图3是针对数据传输速率与重传次数的仿真结果图；

图4是本发明的方案与现有技术在中断概率上的仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

图1示出了现有技术中车联网***的场景图。为了保证交通安全，车联网应当使得各个车辆能够共享他们的交通状况。如图1所示，在一个车联网***中包括：车辆、路边基站、数据中心。

其中，车辆是需要了解交通状况的主体。参考图1，车辆既能够通过“车路链路”(以闪电形状标注)与路边基站通信；还能够通过“车车链路”(以辐射的虚线标注)与周围的车辆通信，从而向周围的车辆共享其自身的位置、速度、加速度、运行朝向等信息，这些信息通常作为一辆车的心跳信息被周期性地发送给周围的车辆。

在现有技术中，为了完成上述车联网通信，通常由基站针对小区下的每个车辆进行时隙资源的分配，其将相同数量的时隙资源不重复地分配给各个车辆，例如通常会为每个车辆都分配一个时隙资源并且为每个车辆分配的时隙资源都不相同。车辆利用所分配的时隙资源进行通信，并在进行通信时采用固定的速率向周围的车辆发送心跳信息。

然而，发明人认为在上述现有技术中存在以下缺陷：

由于需要通过小区的基站进行时隙资源分配，因而所有车辆都必须接入小区，这使得基站负载很重。并且，进行这样的时隙资源分配，使得车辆与基站之间必须进行频繁的信息交互，从而消耗大量的通信资源。另一方面，随着车辆的移动，进行通信的车辆会在小区之间进行频繁地切换，从而进一步增大了***的开销。而采用固定速率发送数据无法适应各种不同的环境状况，从而无法保证在极端情况下(例如车流高峰、或者严重影响传输效果的暴雨天气)的信息发送的可靠性。

造成上述缺陷的原因在于：在现有技术中普遍存在这样的固有认知，认为为了避免小区下车辆信息发送时之间的干扰必须为每个车分配不同的时隙，而这样的分配方案需要统一地管理，因而需要有基站集中分配时隙资源。

然而，车联网并不同于普通的无线通信网络***，在车联网中进行通信的车辆是高度动态的。如果每当车辆进入到(或者离开)小区，都需要小区的基站对时隙资源进行重新分配，那么会对***造成非常大的负担，尤其是在车流量变化速度快的情况下。

并且，由于现有技术没有建立起车流密度与通信速率之间的关系，所以很难根据车流密度来调整传输速率。

针对上述缺陷，发明人提出了一种基于LTE广播的多次随机重传机制，从而进行车车资源分配。仍然参考图1，在本发明中，车辆通过“车路链路”接收来自基站的广播信息，并通过“车车链路”告知周围车辆其自身的心跳信息。与现有技术不同的是，在本发明中的基站并不是向各个车辆单播分别为它们分配了哪个(或哪些)时隙资源，而是替代地将用于车联网的决策(例如，用于车车通信的数据传输速率，以及在在一段时间内车辆可以用来发送心跳信息的时隙数量)广播给小区中的全部车辆。由此，使得车辆可以根据接收到的决策，进行车车通信。

为了产生上述用于车联网的决策，可以通过数据中心搜集在一段时间内车流密度的信息，并对所搜集的信息进行分析处理。这样做的好处在于，可以针对即时的车流密度而产生专门的应对决策。那么即使在不同时间段小区的车流量变化很大(例如，上下班高峰、或夜间)，也能够动态地给出相适应的决策。

进一步地，还可以通过上述用于车联网的决策将优化了的通信参数提供给车辆。例如，在上下班高峰时或者暴雨天气等影响通信质量的环境中，适当提高车辆传输数据的速率(例如高于平均平均数据传输速率)，这样可以在一定程度上增加***可用时隙数目，尽管单次传输成功率下降，但是通过多次重传，可以有效的保障信息发送的可靠性。又例如，在非通信高峰时，适当降低车辆传输数据的速率(例如低于平均数据传输速率)以提供相对较高的通信质量。

可以看出，虽然在本发明中由车辆随机选择时隙进行信息发送，因而有可能出现两辆(或多辆)车在同一个时隙发送心跳信息从而造成干扰的现象，但是由于每个车辆可以使用多个时隙进行重传，所以本发明可以通过多次传输来提高整体上的信息发送成功率以避免干扰带来的传输成功率低的问题。

实施例

下面通过实施例来具体介绍本发明的方法。

1.根据车流密度，产生决策。

如前文所述，为了制定决策，***需要获取车流密度，并且可以通过获取不同时间段的车流密度以有针对性地指定决策。下面将具体解释如何根据车流密度，产生根据本发明的决策。

假设，在一条公路上的各个车道的总的车流密度为λ(即在全部车道上，每米共存在有λ个车辆)，车车通信的心跳信息的数据包大小为不超过B_pbyte，车辆产生新的心跳信息包的频率为fHz,(例如，f＝10Hz，则车辆产生心跳信息的周期为1/f＝100ms)，心跳信息的发送距离为不超过R_th米，***可用车车通信的总带宽为BMHz。

在本发明的决策中，我们需要确定车车通信所采用的数据传输速率以及分配给车辆的时隙数量。这里为了产生本发明的决策，仅需采集车流密度信息(λ)即可，上述其他信息(例如数据包的大小、通信范围、信息包发送频率等)是根据所采用的协议而确定的。

用R_vbps/Hz来表示车辆进行信息发送的速率。那么发送单个数据包所需要消耗的时间可以被表示为并且在整个数据包的生命周期内，最多可用的时隙个数N为次。

用k来表示分配给车辆的时隙数量，即每个车辆可以从N个可用时隙资源中随机地选择k个时隙以用于发送心跳信息。为了评定其他车辆可以成功接收到来自信息源车辆(源节点车辆)的信息的能力，我们定义了“信息覆盖率”。信息覆盖率为：距离源节点车辆范围R_th内的其他车辆成功接收到源节点车辆发送的信息的平均概率。

发明人根据上述假设推导出了信息覆盖率C的表达式，使得C可以被写成数据发送速率R_v、时隙数量k、以及车流密度λ的表达式，即：

其中，r表示通信源节点与目的节点之间的距离；α为车辆通信(即车车通信)的路径损耗因子，用于在通信***中表示信号传播过程中衰减程度与距离关系的因子，不同环境下的信号衰减的程度不相同；σ²表示通信链路中高斯白噪声的功率，其大小等于高斯白噪声功率谱密度与带宽的乘积；T是解码信息所需要的最小信干噪比阈值，根据香农公式其大小为当信干噪比大于该阈值T时，信息可以成功解码；P_v是车车通信采用的发射功率；A是与路径损耗、发送端和接收端的增益相关的常数，其大小可以通过现有技术进行测定或计算而获得；_C1为取值固定的常数，其大小由积分式来表达。

在本发明中期望可以获得最大的信息覆盖率，因此需要求解使得C最大时的R_v和k，即

给定一个R_v，可以计算出最多可用的时隙个数则此时信息发送次数k的取值范围为1到N。

求解上述的方法，可以是在R_v和k的取值范围内进行遍历搜索。例如，将R_v的搜索范围和步长设置为[0.01:0.1:10](因为频谱效率通常小于10bps/Hz，因此可以将10设置为搜索R_v所采用的最大值，并相应地将0.01设置为搜索所采用的最小值，将0.1设置为搜索步长)，将k的搜索范围和步长设置为[1:1:N]，以确定使得C最大时的最佳发送速率(R_v)和重传次数(k)。

然而，遍历搜索需要很高的运算量，为了降低***复杂度，可以在满足所设定的信息覆盖率约束的条件下，选择较小的数据传输速率R_v和相对应的重传次数k。这是由于为了保证车联网的安全，交通***通常会对信息覆盖率有约束，一般要求在通信范围内的车辆成功接收到信息的概率达到99％及以上。并且，由于较大的重传次数k对发送端装置复杂度提出了较高的要求，为了方便实现和应用，可以设置相对较小的k。同时，发明人发现一般的较小的R_v对应于较小的k。因而为了降低复杂度，可以在搜索时设置较小的R_v，并在满足信息覆盖率约束的条件下，相对地计算出一个较小的k值。

例如，可以将C的最小值设置为99％以作为信息覆盖率的约束，从R_v的范围中选择一个较小的值，并根据上述公式计算出相对应的k。

2.将产生的决策通过基站广播给车辆。

在上述步骤中，计算出了车辆与车辆间进行信息发送的速率和用于车辆发送心跳信息的时隙次数。由此，可以将计算出的结果作为决策，通过基站以广播的形式发送给车辆。

3.车辆根据决策的参数，进行信息发送。

在收到来自基站的决策后，车辆可以根据决策的参数信息，在每个心跳信息的生命周期1/f内，可以随机的从N个可用时隙资源中选择k个，并在这k个时隙资源上重复发送该心跳信息。

这里进行随机选择的优点在于不需要集中分配，因而更加容易实现这样的方法。如果分配时隙，那么就需要知道其他车辆的时隙分配情况，从而增加了决策的复杂度。

实验对比

为了验证本发明的效果，发明人进行了模拟仿真试验，所采用的参数如表1所示。

表1***仿真参数

下面通过图2和图3，来具体分析本发明的效果。

图2给出在不同车车信息传输速率条件下对应最优重传次数(见图3)时的信息传输中断概率，这里的中断概率等于1减信息覆盖率C。从图2中可以看出，***也存在最优的车车信息发送速率，当速率达到最优值时，信息中断概率最低，此时***信息传输覆盖率(等价于信息传输可靠性)达到最优。当车辆平均间距较小的时候，该最优值不明显；随着车辆间距的增大，***速率最优值逐步显现。其中平均车间距等于车流密度的倒数，即1/λ。当车辆间距为200米的时候，传输速率的最优值大约为1.5Mbps(即图中读数0.15Mbps/Hz乘以10MHz的带宽)，此时的中断概率最小，其大小约为4×10^-5，而当***速率小于或者大于1.5Mbps时，***的中断概率高于4×10^-5。由此可见，优化速率可以很好地提高信息传输的可靠性。

图3给出了不同速率条件下，为了达到最大的信息覆盖率所对应的最优重传次数。从图中可以看到，随着数据速率的增加，***可用时隙资源增大，可重传次数增加。从图2中可以看到，多次随机重传可以有效的降低中断概率，存在最优的信息发送速率能够最大化信息覆盖率。在相应的信息发送速率下，通过图3也可以获取最优的信息发送次数。例如，当车间平均距离为100米时，从图2中可以看到最优的信息发送速率为2Mbps，此时根据图3可以看出该信息发送速率所对应的最优发送次数为20次。可以看出，随着重传次数的提高，车辆之间的相互干扰也在逐渐增加，存在能够使得信息覆盖率最大的最优重传次数和最优发送速率。

为了证明本发明方案的有效性，选取了两种典型方案进行对比。传统方案1是让车辆在所有可用时隙中随机选择一个时隙，并在该时隙上进行一次信息发送，类似于DSRC随机竞争接入机制。该方案的主要优点是能够能适应高动态网络环境，实现简单，简称为随机选择方案。方案2是基于LTE完全控制的排它性资源分配算法，在该方案中，假定LTE***知道所有车辆的位置信息，并根据位置信息进行资源分配。***为每个车辆分配一个时隙资源，并且在通信范围内的车辆使用不同的时隙资源，所有资源被均匀的使用，避免了随机选择过程中的冲突和整个网络中资源分布不均匀导致的局部干扰恶化，称为基于LTE方案。为了进行公平的对比，传统方案1与传统方案2完全使用小区下的所有时隙资源。假定在信息传输范围内的车辆数目为N，则这N个车辆均分整个100ms时隙资源，***中时隙数目等于信息传输范围内车辆数目，所以每辆车只进行一次车车信息发送。同时，为了降低本文提出方案的***实现复杂度，仿真中将多次重传次数约束在10次以内。

从图4中首先可以看出，随机选择方案与基于LTE方案相比较，信息传输可靠性较低，主要是因为在进行时隙资源选择中采用随机选择，发生冲突的概率大，而基于LTE方案中的排它性资源分配，不会发生冲突，因此可靠性高。根据本发明的方案的信息传输中断概率随着车车之间间距的增大而迅速下降，***中断概率始终保持在10^-2以下，有效的保障了车联网***信息传递的高可靠性。本发明的方案性能优于传统方案主要是两方面原因，第一，本方案进行多次重传，从图4中可以看出，方案1和方案2的性能与车辆密度关系不大，这主要是因为方案1和2都采用单次信息发送。尽管方案1和方案2每次以较低的速率进行信息发送，并且方案2对资源分配进行了排它性分配，但是由于无线信道的随机性，仍然很难保障信息传输可靠性。第二，本发明的方案对车车之间的信息发送速率和重传次数进行了优化，通过速率优化，可以有效的避免随机时隙选择中的冲突概率，通过重传次数的优化控制整个***中的干扰状况。尽管传统方案1和2中信息传输速率也会根据车流密度进行了变化，但是这种变化是出于最大化时隙资源利用率的目的，而非最大化信息传输覆盖率。所以，本发明提出的机制可以有效的保障车联网***中车车信息传输的可靠性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管上文参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种车联网***中的资源分配的方法，包括：

1)确定在指定范围内的车辆用于发送心跳信息的数据传输速率和时隙数量；

2)将所述数据传输速率和所述时隙数量广播给所述在指定范围内的车辆；

3)所述车辆从全部可用时隙中随机选择等于所述时隙数量个时隙，以在所选择的时隙上以所述的信息传输速率发送所述车辆的心跳信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所选择的所述时隙的数量为至少两个。

3.根据权利要求2所述的方法，其中步骤1)包括：

根据车流密度，确定所述数据传输速率和所述时隙数量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤1)包括：

1-1)设置数据传输速率的取值范围和搜索步长，以及时隙数量的取值范围和搜索步长；

1-2)根据所述取值范围和所述搜索步长，搜索在所述车流密度下满足信息覆盖率要求时的数据传输速率和时隙数量，

其中，所述信息覆盖率为在通信范围内的其他车辆成功接收到车辆发送的信息的平均概率。

5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤1-2)包括：

1-2-1)设置所述信息覆盖率的最小值约束；

1-2-2)在满足所述约束的情况下，搜索在所述车流密度下使得时隙数量少的数据传输速率。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述信息覆盖率为：

其中，R_v为所述数据传输速率；k为所述时隙数量；λ为所述车流密度；R_th为所述心跳信息的最大发送距离；B_p是用于发送所述心跳信息的最大数据包大小；f为产生所述心跳信息的频率；B是通信带宽；r表示通信源节点与目的节点之间的距离；α为车辆通信的路径损耗因子；σ²表示通信链路中高斯白噪声的功率；T是解码信息所需要的最小信干噪比阈值，P_v是车车通信采用的发射功率；A是测定出的与路径损耗、发送端和接收端的增益相关的常数；_C1为取值固定的常数，其大小由积分式来表达。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述全部可用时隙的数量为：

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中步骤1)还包括：

根据通信环境，调整所述数据传输速率和所述时隙数量。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中步骤1)还包括：

根据时间段，调整所述数据传输速率和所述时隙数量。

10.一种在车联网***中进行资源分配的设备，包括：

用于确定用于发送在指定范围内的车辆的心跳信息的数据传输速率和时隙数量的装置；

其中，所述时隙数量用于从全部可用时隙中随机选择等于该时隙数量个时隙，以在所选择的时隙上以所述的信息传输速率发送所述车辆的所述心跳信息；以及

用于将所述数据传输速率和所述时隙数量广播给所述在指定范围内的车辆以用于发送所述车辆的心跳信息的装置。

11.一种用于车联网中的车辆进行通信的***，包括：

基站，其用于确定在指定范围内的车辆用于发送心跳信息的数据传输速率和时隙数量，并将所述数据传输速率和所述时隙数量广播给所述车辆；

车辆，其用于以所述数据传输速率发送所述车辆的心跳信息，并且从全部可用时隙中随机选择等于所述时隙数量个时隙，以在所选择的时隙上以所述的信息传输速率发送所述车辆的心跳信息。