CN107786318A - 一种its带状蜂窝***带宽自适应分配的信令控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ITS带状蜂窝***带宽自适应分配的信令控制方法，路侧基站采用中心激励模型，沿着道路间隔分布，基站采用定向天线，面向道路一侧，使得基站信号覆盖密度更高以及能量更加集中；车辆向基站发送CCS信道信令请求，基站接收到请求后，为相应的车辆划分信道带宽并将其反馈给车辆，同时根据预测信息判决通信车辆之间的距离，如果车辆距离在IEEE802.11P协议通信范围内，车辆接收到相关信令后，采用直接的D2D通信方式；如果车辆距离超过了标准距离，则车辆间通信采用通过基站转发的信息模式。上述策略与方法能够提升ITS车联网通信***的信道容量、提高***的带宽利用率、进而增加***的用户数量，并且能够有效降低基站的功率损耗。

Description

一种ITS带状蜂窝***带宽自适应分配的信令控制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种智能交通***ITS车联网中自组协作通信***。

背景技术

在传统无线蜂窝移动通信***中，基站采用全向天线，信号以基站为中心向四周传播，呈面状覆盖区(即基站采用中心激励模型)；两个移动终端设备之间进行信息交互，一般都经历这样的过程：某移动终端向基站发送公共信道信令(CCS:Common ChannelSignaling)请求，基站接收请求后，为其划分相应信道带宽，并且返回给此移动终端，此后移动终端之间的数据业务通信均由通过基站划分的信道进行转接。引入本专利策略下带状蜂窝自适应分配的CCS信令控制方法，不仅能够降低基站的功率损耗，还能够增加基站能够容纳移动终端的数目，进而提升基站的能量与带宽利用效率。

本专利总体策略为：路侧基站采用定向天线(即面向道路一侧)，使用中心激励模型；在道路车辆之间距离在1～2km范围内(具体距离根据基站发送功率和不同信道环境而定)，基站和移动终端之间通信的只是信令信息(包括为移动终端划分带宽资源的信令信息)，移动终端之间的数据业务则利用设备到设备通信(D2D：Device-to-Device)技术进行交互；在道路车辆之间距离超过此范围的，则采用传统的基站转接信令信息与数据业务的方式，进行信息交互。

基于上述策略，本专利将D2D技术应用到智能交通***(ITS:IntelligentTransport System)中，提出了一种新型方法：一种基于ITS的带状蜂窝***带宽自适应分配的CCS信令控制方法。在该方法下，不仅能够将D2D技术与基站转接技术协同起来实现通信，还可以节约能源与提高带宽利用率，在ITS交通道路应用场景中，变得更加实用与高效。

发明内容

本专利的应用环境为道路交通中的智能车联网ITS***。在该***中，车辆通信信道的空间拓扑分布，相对传统“车辆-基站-车辆”模式下的网络空间拓扑分布，有着较大区别。主要区别有两方面：一方面是道路带状拓扑结构，限制了车辆运动范围与方向趋势以及基站信号的覆盖范围；另一方面，由于车联网的信道特点，使得车载移动终端相比于普通蜂窝网中的移动终端，具有相当的可预测性。这种可预测性，使得ITS下信道建模与***信道带宽资源分配的研究工作，比较普通的无线蜂窝移动通信网络，更具有挑战性。

目前，在无线蜂窝移动通信***中，通信信道模型研究与实际组网工程已经有了一些典型通信信道应用协议与数据传输调度方案，但在ITS网络应用中仍有不足之处，需要根据实际道路环境下的信道特点、车载用户终端的运动特性、基站功率限制以及有限频谱带宽资源等情况，进行合理的自适应带宽资源分配与带宽传输调度的策略优化。

本发明的技术方案为：

一种ITS带状蜂窝***带宽自适应分配的信令控制方法，路侧基站采用中心激励模型，沿着道路间隔分布，基站采用定向天线，面向道路一侧，使得基站信号覆盖密度更高以及能量更加集中；基站信号覆盖区域和能量监测范围为正六边形区域，或者为等腰梯形区域；车辆向基站发送CCS信道信令请求，基站接收到请求后，为相应的车辆划分信道带宽并将其反馈给车辆，同时根据预测信息判决通信车辆之间的距离，如果车辆距离在IEEE802.11P协议通信范围内，车辆接收到相关信令后，采用直接的D2D通信方式；如果车辆距离超过了标准距离，则车辆间通信采用通过基站转发的信息模式。

进一步，由于ITS中车辆位置的可预测性与基站呈线性分布特性，相邻基站的信号覆盖范围并不完全是相互独立的，它们会有信号覆盖重合区域。

进一步，还包括当车辆从基站A驶向基站B时，在车辆即将驶入A与B的信号覆盖重合区域时，A将控制信令与信息业务发送给B，B根据A送达的内容，提前为车辆划分信道带宽资源，并将相应的CCS信令发送给相关车辆，此时A才能够中断向车辆发送CCS信令。

进一步，CCS信令传输步骤为：

步骤一、车载移动终端向基站接收端发送CCS信令请求和车辆实时信息，包括车辆位置、车辆所在车道、车辆速度、车辆加速度、车型、车牌号等实时信息；

步骤二、基站接收端接收到车载移动终端发来的消息，内部处理机根据车辆实时信息计算车辆之间的距离，然后判决车距和标准距离之间的关系；

步骤三、若车距小于标准距离，则车载移动终端数据业务采用D2D通信方式，信令业务通过基站转发；

步骤四、若车距大于标准距离，则车载移动终端所有业务均通过基站进行转发；

步骤五、基站内部处理机根据不同的通信方式为相应的车载移动终端划分信道带宽；

步骤六、基站将CCS信令消息返回给相应的车载移动终端；

步骤七、车载移动终端根据划分好的信道带宽以及通信方式开始信息交互；

步骤八、重复上述七个过程，确保车载移动终端之间通信的可靠性。

进一步，在车辆即将驶入A与B的信号覆盖重合区域时具体包括以下步骤：

步骤1、车辆向基站A发送CCS信令请求以及车辆实时信息，包括车辆位置、车辆所在车道、车辆速度、车辆加速度、车型、车牌号实时信息；

步骤2、基站A根据车辆实时信息，通过处理机预测车辆何时进入信号覆盖重合区域；

步骤3、基站A发送端向车辆返回CCS信令，同时基站A向基站B发送车辆实时信息；

步骤4、基站B接收端接收到基站A发送过来的车辆实时信息，预测车辆进入基站B信号覆盖区域的时间；

步骤5、基站B的处理机根据预测车辆进入基站B信号覆盖区域的时间，提前为车辆划分好信道带宽；

步骤6、基站B向车辆返回CCS信道信令信息，以及向基站A发送已经给车辆返回CCS信令信息；

步骤7、基站A收到基站B发送的反馈信息，中断向车辆返回CCS信道信令，并解除对此车辆划分的信道带宽的占用；

步骤8、若基站B未向基站A发送反馈信息以及没有向车辆发送CCS信道信令，则继续上述步骤1到步骤7的过程。

区别于无线蜂窝移动通信***，ITS自组织通信***具有这样的特点：车辆间的通信网络拓扑分布是沿着道路走向的(即带状分布)。传统蜂窝移动通信***的基站采用全向天线，以基站为中心，其信号覆盖范围呈面状(即基站采用中心激励模型)，如图1所示(图中，圆表示基站)。但ITS应用环境是道路，道路是近乎呈带状，并非蜂窝小区，因此在此基础上，基站沿着道路分布更加符合ITS的业务需求，如图2所示。

基站沿着道路分布，在一定程度上节约了带宽资源，但随着5G技术与应用的即将到来，对基站功率控制与带宽资源分配将会提出更高的要求。因此，基于图2，又提出一种改进的带状蜂窝移动通信***：路侧基站依旧采用中心激励模型，沿着道路间隔分布，但采用定向天线(即面向道路一侧)，这样沿着道路分布的基站所呈现的蜂窝移动通信***覆盖范围仍然为带状拓扑结构，如图3所示。

路侧基站采用定向天线，相同基站工作频率与发射功率下，基站监测区域面积减小，这使得在基站监测范围内的功率和带宽资源更加集中。显然在基站带状分布并在道路两侧采用定向天线新的策略下，信道带宽利用率与基站范围的最大车载终端用户数(用户容量)，均能得到一定的提高与增加。

传统无线蜂窝移动通信***中，移动用户间通信的数据业务和信令业务都是通过基站转发的，通信过程为：车载发送终端向基站发送CCS信道信令请求，基站接收到信令请求后，为相应的车辆划分信道带宽资源；然后将相关的带宽分配信令转发给相应准备收发数据业务的车载终端；接着，车载发送终端开始向基站发送数据业务，最后基站将接收到的数据转发给相应的车载接收终端。

基于IEEE802.11P协议的高速数据速率特性与在ITS***中车辆运动方位具有可预测性的特点，本专利继续提出一种新的CCS信令传输方法：一种基于带状无线蜂窝移动通信***可预测的自适应分配CCS信令传输方法。该方法为：首先车辆向基站发送CCS信道信令请求，基站接收到请求后，为相应的车辆划分信道带宽并将其反馈给车辆，同时根据预测信息判决通信车辆之间的距离，如果车辆距离在IEEE802.11P协议通信范围(以下称为标准距离)内，车辆接收到相关信令后，采用直接的D2D通信方式；如果车辆距离超过了标准距离，则车辆间通信采用通过基站转发的信息模式，如图4所示。

特别的，由于ITS中车辆位置的可预测性与基站呈线性分布特性，所以，相邻基站的信号覆盖范围并不完全是相互独立的，它们会有信号覆盖重合区域。当车辆从基站A驶向基站B时，在车辆即将驶入A与B的信号覆盖重合区域时，A将控制信令与信息业务发送给B，B根据A送达的内容，提前为车辆划分信道带宽资源，并将相应的CCS信令发送给相关车辆，此时A才能够中断向车辆发送CCS信令。由此，实现了车辆通信在越区切换过程中的无缝链接，不会因为越区而中断车辆间的通信，同时也能够为A节省一定的带宽资源，如图5所示。

本发明考虑的有益效果是基于单个通信链路，采用的是移动通信***中的经典路径损耗模型，其链路衰落为：

其中L(d₀)为自由空间损耗，d₀是一个参考距离，在参考距离或接近参考距离的位置，路径损耗具有自由空间损耗的特点；d表示发射天线到接收天线间距离；n表示路径损指数，主要取决于传播环境；ζ₀表示由于阴影衰落产生的对数损耗衰落，服从零平均和标准偏差σ(dB)的对数正态分布。ITS中的车载载波频率为：f＝5.9GHz，D2D直通***的信道总带宽为200MHz。

显然，在采用以降低传输功率损耗与提高信道带宽利用率为目的的带状无线蜂窝***下，***所能容纳正常通信的车载终端数量得到了明显提高，同时基站的功率损耗也有所下降；进一步采用基于带状无线蜂窝***自适应分配CCS信令传输方法，***所能容纳车辆数量又得到提高，同时基站因转发信令信息和业务信息所损耗的功率更得到明显下降。将上述两种方法结合起来，发现在适当降低基站最大工作功率下，***所能容纳车辆数量与功率损耗相比较传统模式，仍然有着明显的改善。

本专利提出一种基于ITS带状蜂窝***中通信传输带宽自适应分配CCS信令方法，在车辆距离基站超过标准距离时，采用“车辆-基站-车辆”的转发模式；当车辆与基站的距离低于标准距离时，切换到本专利策略模式；并且在基站沿道路带状布设时采用定向天性覆盖。综上所述，上述策略与方法能够提升ITS车联网通信***的信道容量、提高***的带宽利用率、进而增加***的用户数量，并且能够有效降低基站的功率损耗。

附图说明

图1是无线蜂窝移动通信***；

图2是新策略下路侧基站沿道路分布的移动通信***覆盖示意图；

图3是新策略下采用定向天线的带状蜂窝无线移动通信***覆盖示意图；

图4是新方法下带状无线蜂窝移动通信***中可预测分配CCS信令传输方法图；

图5是新方法下基站间具有预测性能的车辆越区切换通信方法图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

首先，采用降低传输功率损耗与提高信道带宽利用率为目的的带状无线蜂窝移动通信***。其中图1为一般模式下无线蜂窝移动通信***，其基站采用全向天线，以基站为中心，其信号覆盖范围呈面状(即基站采用中心激励模型)，该模型应用在ITS***中存在一些不足之处，因为ITS应用环境是道路，道路是近乎呈带状，并非蜂窝小区，这就造成了ITS***中非道路环境下能量资源浪费和无用的信号覆盖。因此在此基础上，基站沿着道路分布更加符合ITS的业务需求。

基于图1，提出一种改进的带状蜂窝移动通信***：采用基站沿着道路分布，而不是蜂窝小区式分布。对于蜂窝***，相邻的蜂窝小区不允许使用相同的频道，否则就会发生相互干扰(即同道干扰)，但是非相邻的蜂窝小区则可以公用同一个频段(即频率再用)。根据这一原理，改进后的带状蜂窝移动通信***的路侧基站是沿着道路放置，通常情况下三个基站之间就可以使用两种不同的频段。因此我们提出的这种改进的带状蜂窝移动通信***，与传统蜂窝小区相比，在一定程度上要节约了带宽资源。在ITS场景下，由于图2中的基站沿着道路分布，使得道路外的无效区域监测范围较图1要小，因此基站的平均信号覆盖率得到一定的提升以及基站监测路侧能量上有了进一步的降低。但随着5G技术与应用的即将到来，对基站功率控制与带宽资源分配将会提出更高的要求。这就迫使我们需要做出更进一步的完善。

因此，基于图2，我们又提出一种改进的带状蜂窝移动通信***：路侧基站依旧采用中心激励模型，且基站沿着道路间隔分布，但路侧基站采用定向天线(即面向道路一侧)，使得基站信号覆盖区域和能量监测范围由图2的正六边形区域变为一个等腰梯形区域(即面积为正六边形面积的一半)。如图3所示，虽然在带宽资源上图3较图2没有明显的改善，但是图3中基站的信号覆盖密度更高以及能量更加集中，而且这样沿着道路分布的基站所呈现的蜂窝移动通信***覆盖范围仍然为带状拓扑结构，依旧适用于ITS场景。

图3为新策略下采用定向天线的带状蜂窝无线移动通信***覆盖示意图，其中路侧基站采用定向天线，相同基站工作频率与发射功率下，基站监测区域面积减小，这使得在基站监测范围内的功率和带宽资源更加集中。根据描述连续通信***信道下，信号发射功率S，信道带宽W及信道的信息容量C关系的香农公式，如公式1：

C＝Wlog₂(1+S/N) (1)

其中，N为信道带宽W下所有白噪声之和，可以认为在W固定的情况下，N的数学期望为短期定值。显然，当信道带宽W与噪声功率N不变的情况下，同样的基站发送功率S下，由于带状无线蜂窝移动通信***覆盖范围减小，这样同样功率在更小的区域内，能量更加集中，所以，上述新策略下的通信***的信道容量C就会得到提升。

继续考察新策略下的信道带宽利用率η与基站范围内的能够正常通信的最大用户数N_max，设正常通信终端用户需要的信息平均速率为R_b，则有：

η＝C/W (2)

N_max＝C/R_b (3)

由上述公式(2)(3)，显然在基站带状分布并在道路两侧采用定向天线新的策略下，信道带宽利用率与基站范围的最大车载终端用户数(用户容量)，均能得到一定的提高与增加。

其次，我们采用基于带状蜂窝移动通信***可预测的自适应分配CCS信令传输方法。传统无线蜂窝移动通信***中，移动用户间通信的数据业务和信令业务都是通过基站转发的，通信过程为：车载发送终端向基站发送CCS信道信令请求，基站接收到信令请求后，为相应的车辆划分信道带宽资源；然后将相关的带宽分配信令转发给相应准备收发数据业务的车载终端；接着，车载发送终端开始向基站发送数据业务，最后基站将接收到的数据转发给相应的车载接收终端。

基于IEEE802.11P协议的高速数据速率特性与在ITS***中车辆运动方位具有可预测性的特点，本发明继续提出一种新的CCS信令传输方法：一种基于带状无线蜂窝移动通信***可预测的自适应分配CCS信令传输方法，如图4所示。在ITS场景下一个基站的内部，一般情况下CCS信令传输步骤为：

步骤一、车载移动终端向基站接收端发送CCS信令请求和车辆实时信息(车辆位置、车辆所在车道、车辆速度、车辆加速度、车型、车牌号等实时信息)；

步骤二、基站接收端接收到车载移动终端发来的消息，内部处理机根据车辆实时信息计算车辆之间的距离(下面简称车距)，然后判决车距和标准距离之间的关系；

步骤三、若车距小于标准距离，则车载移动终端数据业务采用D2D通信方式，信令业务通过基站转发；

步骤四、若车距大于标准距离，则车载移动终端所有业务均通过基站进行转发；

步骤五、基站内部处理机根据不同的通信方式为相应的车载移动终端划分信道带宽；

步骤六、基站将CCS信令消息返回给相应的车载移动终端；

步骤七、车载移动终端根据划分好的信道带宽以及通信方式开始信息交互；

步骤八、重复上述七个过程，确保车载移动终端之间通信的可靠性。

特别的，由于ITS中车辆位置具有可预测性以及基站沿着道路近乎呈线性分布的特点，所以相邻基站的信号覆盖范围并不完全是相互独立的，它们会有信号覆盖的重合区域。图5为新方法下基站间具有预测性能的车辆越区切换通信的方法图。在车辆从基站A驶向基站B的过程中，在车辆即将驶入A与B的信号覆盖重合区域时，该方法的具体步骤为：

步骤一、车辆向基站A发送CCS信令请求以及车辆实时信息(车辆位置、车辆所在车道、车辆速度、车辆加速度、车型、车牌号等实时信息)；

步骤二、基站A根据车辆实时信息，通过处理机预测车辆何时进入信号覆盖重合区域；

步骤三、基站A发送端向车辆返回CCS信令，同时基站A向基站B发送车辆实时信息；

步骤四、基站B接收端接收到基站A发送过来的车辆实时信息，预测车辆进入基站B信号覆盖区域的时间；

步骤五、基站B的处理机根据预测车辆进入基站B信号覆盖区域的时间，提前为车辆划分好信道带宽；

步骤六、基站B向车辆返回CCS信道信令信息，以及向基站A发送已经给车辆返回CCS信令信息；

步骤七、基站A收到基站B发送的反馈信息，中断向车辆返回CCS信道信令，并解除对此车辆划分的信道带宽的占用；

步骤八、若基站B未向基站A发送反馈信息以及没有向车辆发送CCS信道信令，则继续上述步骤一到步骤七的过程。

由此，利用ITS的可预测性，实现了车辆通信在越区切换过程中的无缝链接，不会因为越区而中断车辆间的通信，同时也能够为A节省一定的带宽资源(步骤七)，如图5所示。

而由上述公式(1)(2)(3)，显然在采用基于带状蜂窝移动通信***可预测的自适应分配CCS信令传输方法后，信道带宽利用率与基站范围的最大车载终端用户数(用户容量)，均能得到一定的提高与增加。

综上所述，本专利提出一种基于ITS带状蜂窝***中通信传输带宽自适应分配CCS信令方法，在车辆距离基站超过标准距离时，采用“车辆-基站-车辆”的转发模式；当车辆与基站的距离低于标准距离时，切换到本专利策略模式；并且在基站沿道路带状布设时采用定向天性覆盖。综上所述，上述策略与方法，能够有效地提升ITS车联网通信***的信道容量、提高***的带宽利用率，进而增加***的用户数量，并且能够有效降低基站的功率损耗。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种ITS带状蜂窝***带宽自适应分配的信令控制方法，其特征在于，

路侧基站采用中心激励模型，沿着道路间隔分布，基站采用定向天线，面向道路一侧，使得基站信号覆盖密度更高以及能量更加集中；基站信号覆盖区域和能量监测范围为正六边形区域，或者为等腰梯形区域；

车辆向基站发送CCS信道信令请求，基站接收到请求后，为相应的车辆划分信道带宽并将其反馈给车辆，同时根据预测信息判决通信车辆之间的距离，如果车辆距离在IEEE802.11P协议通信范围内，车辆接收到相关信令后，采用直接的D2D通信方式；如果车辆距离超过了标准距离，则车辆间通信采用通过基站转发的信息模式。

2.根据权利要求1所述的一种ITS带状蜂窝***带宽自适应分配的信令控制方法，其特征在于，由于ITS中车辆位置的可预测性与基站呈线性分布特性，相邻基站的信号覆盖范围并不完全是相互独立的，它们会有信号覆盖重合区域。

3.根据权利要求1所述的一种ITS带状蜂窝***带宽自适应分配的信令控制方法，其特征在于，还包括当车辆从基站A驶向基站B时，在车辆即将驶入A与B的信号覆盖重合区域时，A将控制信令与信息业务发送给B，B根据A送达的内容，提前为车辆划分信道带宽资源，并将相应的CCS信令发送给相关车辆，此时A才能够中断向车辆发送CCS信令。

4.根据权利要求3所述的一种ITS带状蜂窝***带宽自适应分配的信令控制方法，其特征在于，CCS信令传输步骤为：

步骤一、车载移动终端向基站接收端发送CCS信令请求和车辆实时信息，包括车辆位置、车辆所在车道、车辆速度、车辆加速度、车型、车牌号等实时信息；

步骤二、基站接收端接收到车载移动终端发来的消息，内部处理机根据车辆实时信息计算车辆之间的距离，然后判决车距和标准距离之间的关系；

步骤三、若车距小于标准距离，则车载移动终端数据业务采用D2D通信方式，信令业务通过基站转发；

步骤四、若车距大于标准距离，则车载移动终端所有业务均通过基站进行转发；

步骤五、基站内部处理机根据不同的通信方式为相应的车载移动终端划分信道带宽；

步骤六、基站将CCS信令消息返回给相应的车载移动终端；

步骤七、车载移动终端根据划分好的信道带宽以及通信方式开始信息交互；

步骤八、重复上述七个过程，确保车载移动终端之间通信的可靠性。

5.根据权利要求3所述的一种ITS带状蜂窝***带宽自适应分配的信令控制方法，其特征在于，在车辆即将驶入A与B的信号覆盖重合区域时具体包括以下步骤：

步骤1、车辆向基站A发送CCS信令请求以及车辆实时信息，包括车辆位置、车辆所在车道、车辆速度、车辆加速度、车型、车牌号实时信息；

步骤2、基站A根据车辆实时信息，通过处理机预测车辆何时进入信号覆盖重合区域；

步骤3、基站A发送端向车辆返回CCS信令，同时基站A向基站B发送车辆实时信息；

步骤4、基站B接收端接收到基站A发送过来的车辆实时信息，预测车辆进入基站B信号覆盖区域的时间；

步骤5、基站B的处理机根据预测车辆进入基站B信号覆盖区域的时间，提前为车辆划分好信道带宽；

步骤6、基站B向车辆返回CCS信道信令信息，以及向基站A发送已经给车辆返回CCS信令信息；

步骤7、基站A收到基站B发送的反馈信息，中断向车辆返回CCS信道信令，并解除对此车辆划分的信道带宽的占用；

步骤8、若基站B未向基站A发送反馈信息以及没有向车辆发送CCS信道信令，则继续上述步骤1到步骤7的过程。