CN112087738B - 一种基于定位分区的v2v通信资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于定位分区的V2V通信资源分配方法，这个通信***的模型应用于城市道路交通场景，包括基站，若干蜂窝用户以及多个V2V用户。所述方法包括以下步骤：首先为蜂窝用户分配通信资源，然后建立资源分配矩阵，接着获取小区内所有蜂窝用户和V2V通信组的位置信息，划分区域，然后提出动态资源匹配协议：车辆如果需要通信，需要向基站申请通信的资源块，最后根据所述基于车辆的位置信息和分区信息分配资源池。本发明更符合V2V通信***的特点,并且算法复杂度低,反馈更快,能够节约大量时间。

Description

一种基于定位分区的V2V通信资源分配方法
技术领域
本发明涉及定位技术、无线通信资源分配和智能交通领域，更具体地，是一种基于定位分区的V2V通信资源分配方法。
背景技术
车用无线通信技术(Vehicle to Everything，V2X)技术，是智能交通***的关键技术之一。V2X技术主要分为三部分，即车辆间通信(Vehicle to Vehicle，V2V)、车辆与行人间通信(Vehicle to Pedestrian，V2P)和车辆与基础设施网络间通信(Vehicle toInfrastructure/Network，V2I/N)。当出现交通安全问题时，V2X可以以更低的时延和更高的可靠性来传递相关信息。
3GPP Release-12/13提出了D2D的通信模式，V2V通信场景和D2D相似，但也有区别。目前V2V相比较D2D的通信资源分配方法主要存在以下问题：
(1)车联网环境下，节点数量较多。传统的D2D资源分配算法都是基于信道状态信息(Channel State Information,CSI)可知的。***在每个资源调度周期内为用户分配资源，每个资源调度周期都要将V2V用户之间、所有蜂窝用户和所有V2V用户之间的CSI反馈给基站。由此可知，随着蜂窝用户和V2V用户的数量不断增多，***在给V2V用户进行资源分配时需要知道的信道状态信息不断增多，这会导致基站、需要更多次数的计算信道状态来为蜂窝用户和V2V用户匹配最合适的资源，这会导致基站和用户节点的能量不必要的损耗以及增加基站不必要的负载。同时过多是信道探测会导致算法复杂度增加，从而增加时延。
(2)高速移动环境下，移动节点不断地移动，V2V用户和蜂窝用户之间的通信资源切换十分迅速，这就需要更快的反馈。由于传统资源分配方法主要面向静态的场景，故导致测得的CSI很有可能是过时的CSI，这种算法准确性也不高；
(3)车联网环境下，链路中通信的信息大多数是交通信息类，而交通信息类具有频率高、数据量小等特点，故对节点的吞吐量要求可适当降低一些。
发明内容
本发明提供一种能够解决车联网环境下，节点数量多、变化快，需要快速反馈等问题的V2V通信资源的分配方法。
本发明的通信***的通信模型包括分配资源的基站、蜂窝用户以及若干个利用分配的资源进行通信的V2V通信组，每个通信组包括一个发射用户和一个接收用户，每个通信组只复用一个蜂窝资源，不同的通信组复用不同的通信资源，并提出了动态资源匹配协议(Dynamic Resource Matching Protocol,DRMP)，所述方法包括以下步骤：
步骤1.正常为蜂窝用户分配通信资源，并保证其通信质量；
步骤2.建立资源分配矩阵[xmn]M×N，初始化xmn＝0，对已经被分配的资源xmn＝1，其中M表示蜂窝用户编号，N表示V2V通信组编号；
步骤3.获取小区内所有蜂窝用户和V2V通信组的位置信息，划分区域，按照车辆复用位于基站对面的蜂窝资源的原则，建立可用的资源池；
步骤4.执行动态资源匹配协议(Dynamic Resource Matching Protocol,DRMP)。当V2V用户有通信需求时，会向基站发送资源请求；
步骤5.基站会找到对面区域合理可用的一些蜂窝资源并分配给该通信组，匹配成功后，资源分配矩阵xij＝1，并从可分配资源池里删除；
步骤6.车辆通信完毕，向基站发送资源利用完毕的信息，资源分配矩阵xij＝0，并放回可配分的资源池里。
最后通过比较V2V的吞吐量和算法的运行时间来体现算法的优越性。根据香浓定理，蜂窝用户和V2V用户吞吐量计算公式为：
Figure BDA0002691930390000021
Figure BDA0002691930390000022
其中，
Figure BDA0002691930390000023
和
Figure BDA0002691930390000024
为蜂窝用户和V2V用户发送端和接收端之间的信号与干扰加噪声比(Single to Interference plus Noise Ratio,SINR)，
Figure BDA0002691930390000025
和
Figure BDA0002691930390000026
为各自发送功率，gB表示蜂窝用户到基站的信道增益，gn为V2V用户之间的信道增益，hn,B表示V2V用户对基站的干扰信道增益，hm,n为蜂窝用户对车辆接受端的干扰信道增益，
Figure BDA0002691930390000027
为服从正太分布的加性高斯白噪声。
Figure BDA0002691930390000028
和
Figure BDA0002691930390000029
表示各自的吞吐量车辆，B表示信道带宽。
本发明是一种最小化资源分配时间为目标，同时保证蜂窝用户和V2V通信组的吞吐率的通信资源分配方法。保证蜂窝用户通信质量的前提下，尽量快速地为V2V通信组分配通信资源。相比于传统通信资源分配方法，本发明更适应V2V的通信场景，并且算法复杂度低，能够降低基站负载，节约基站的能源。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容,并且随着对本发明专利的更全面理解,本发明专利的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为本发明专利的通信资源分配方法场景图；
图2为本发明专利的通信资源分配方法的流程图；
图3为本发明专利通信***V2V通信组的平均吞吐率和数量的关系；
图4为本发明的V2V用户吞吐量的累积分布函数；
图5为本发明专利通信***的蜂窝用户平均吞吐率和V2V通信组数量的关系；
图6为本发明专利通信***的算法运行时间和V2V通信组数量的关系；
具体实施方式
为了加深对本发明专利的理解，下面将结合实施例对本发明专利作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明专利，并不构成对本发明专利保护范围的限定。
参阅图1，给出了V2V通信***的模型。在图中央是一座大楼，大楼被道路包围着，基站位于楼顶。大楼内外布满了蜂窝用户，这种通信场景在城市中很常见。V2V通信***传递的大多数是告警类信息，特点是比特数小，即时性较强，但存在干扰，所以用四条车道组成的正方形的对角线将基站的通信范围划分成四个区域。然后把蜂窝用户的通信资源进行分区分配，使蜂窝用户和V2V用户保持一定的距离。因此，V2V通信***就可以复用蜂窝用户的通信资源进行通信。
参阅图2为本发明通信资源分配方法的流程图。
一、准备阶段：
步骤1：为蜂窝用户分配通信资源；
步骤2：建立资源分配矩阵[xmn]M×N,其中M表示蜂窝用户编号，N表示V2V通信组编号
Figure BDA0002691930390000031
步骤3：采用GPS获取蜂窝用户和V2V用户的位置；
步骤4：以四条车道组成的正方形的对角线将基站的通信范围划分成四个区域。分区为的是更好的管理蜂窝用户的资源，使该区域的通信资源分配给基站对面的V2V用户；
二、动态资源匹配协议(Dynamic Resource Matching Protocol,DRMP)
步骤5：当车辆要进行通信时，向基站发送请求信息，请求分配一个资源池。
步骤6：进入动态资源匹配根据定位信息，找到V2V发送端与基站延长线附近的蜂窝用户，建立对面区域车辆可用的资源池(每个池内分配3个资源块)，分配给该车辆；
步骤7：车辆从资源池中取出一个资源块，向基站发出请求，验证该资源是否可用；
步骤8：基站判断申请的蜂窝用户资源是否已经分配，若未分配，则资源匹配；否则回到步骤7；
步骤9：若资源池内无可用资源，则有基站匹配一个可用资源。
步骤10：车辆通信完毕，向基站发送资源利用完毕的信息，资源分配矩阵xij＝0，并放回可配分的资源池里。
参阅图3为本发明的V2V用户平均吞吐量和V2V用户数量的关系。从图中可以看出，本发明提出的方法随着V2V链路数的增加，整个***的平均吞吐量略有降低，但总体平稳；而传统的贪婪算法随着V2V链路数的增加，整个***的平均吞吐率降低明显。所以结果证明本发明提出的通信资源分配方法对V2V吞吐率是有保证的。
参阅图4为本发明的V2V用户吞吐量的累积分布函数。从图中可以看出各个车辆吞吐量的分布，其中本文提出的资源分配算法V2V用户吞吐量大部分集中在2～4Mbps，而传统的贪婪算法的吞吐量整体上要比本文算法低一些，但是会有个别车辆存在高吞吐量现象，这是因为贪婪算法总是遵循局部最优原则，而不考虑整体性。本文算法更加顾及整体性。
参阅图5为本发明的蜂窝用户平均吞吐量和V2V用户数量的关系。从图中可以看出，本发明提出的方法随着V2V链路数的增加，整个***的平均吞吐率略有降低，整体维持在2.3～2.5Mbps；而传统的贪婪算法随着V2V链路数的增加，整个***的平均吞吐率降低明显。所以结果证明本发明提出的通信资源分配方法相比传统贪婪算法，根据不同车辆数量，蜂窝用户吞吐率提高约20～30％，对蜂窝用户吞吐率的影响较小。
参阅图6为本发明的通信资源分配方法的算法运行时间和V2V用户数量的关系。从图中可以看出，本发明提出的方法随着V2V链路数的增加，算法运行时间增加，总体在1.2～3.8ms之间；而传统的贪婪算法随着V2V链路数的增加，算法运行时间增加，但是明显高于本发明提出的方法，总体在3～5.8ms之间。所以结果证明本发明提出的通信资源分配方法在算法运行时间上明显短于贪婪算法，约缩短30％。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于定位分区的V2V通信资源分配方法，其特征在于，所述V2V通信***的通信模型，包括基站，蜂窝用户和V2V用户的分布，每对V2V用户包括一个发射用户和一个接受用户，每组V2V用户只复用一个蜂窝用户通信资源且一个蜂窝用户通信资源只被一组V2V用户复用；该方法通过蜂窝用户的地理位置和所在分区给V2V用户分配通信资源，并且使V2V用户和蜂窝用户在地理位置上相隔较远，解决V2V用户和蜂窝用户之间同信道干扰问题，并达到减少通信资源分配时间的目的；所述方法包括以下步骤：
步骤1.正常为蜂窝用户分配通信资源，并保证其通信质量；
步骤2.建立通信资源分配矩阵[xmn]M×N，初始化xmn＝0，对已经被分配的通信资源xmn＝1，其中M表示蜂窝用户编号，N表示V2V通信组编号；
步骤3.获取小区内所有蜂窝用户和V2V通信组的位置信息，划分区域，建立可用的资源池；
步骤4.执行动态资源匹配策略，当V2V用户有通信需求时，会向基站发送通信资源请求；
步骤5.基站会找到V2V发送端与基站延长线附近的蜂窝用户，建立对面区域车辆可用的资源池，进行通信资源分配，资源分配矩阵xij＝1，并从可分配资源池里删除；
步骤6.车辆通信完毕，向基站发送资源利用完毕的信息，资源分配矩阵xij＝0，并放回可配分的资源池里。
2.根据权利要求1所述的一种基于定位分区的V2V通信资源分配方法，其特征在于：所述步骤2中的资源矩阵为：X＝[xmn]M×N，
其中，
Figure FDA0003288827070000011
1≤m≤M，1≤n≤N。
3.根据权利要求1所述的一种基于定位分区的V2V通信资源分配方法，其特征在于：所述步骤3包括：
(1)采用GPS获取蜂窝用户和V2V用户的位置；
(2)以四条车道组成的正方形的对角线将基站的通信范围划分成四个区域；
(3)根据车辆位置信息，按照车辆复用位于基站对面的蜂窝资源的原则，建立可用的资源池。
4.根据权利要求1所述的一种基于定位分区的V2V通信资源分配方法，其特征在于：所述步骤4、步骤5包括：
动态资源匹配策略，其特征在于：
(1)当车辆要进行通信时，向基站发送请求信息，请求分配一个资源池；
(2)根据定位信息，找到V2V发送端与基站延长线附近的蜂窝用户，建立对面区域车辆可用的资源池，每个池内分配3个资源块，分配给该车辆；
(3)车辆从资源池中取出一个资源块，向基站发出请求，验证该资源是否可用；
(4)基站判断申请的蜂窝用户资源是否已经分配，若未分配，则资源匹配；否则回到(3)。
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