CN112788563B - 轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法 - Google Patents

轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，本发明考虑了T2G通信模式与T2T通信模式共存情况下的联合通信模式选择和资源分配，使列车能够自适应地选择具有更好通信质量的通信模式，使列车能够在满足QoS要求的条件下自适应的选择通信模式，以确保每辆列车均在最佳信噪比下运行，本发明在通信模式选择的基础上，提出了一种基于拉格朗日对偶函数法的资源分配算法，通过该算法可获得列车在不同通信模式下的最优发射功率。此外，通过仿真结果表明，相比于其它资源分配算法，本发明提供的方法能明显提升***的信道容量。

Description

轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及一种轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法。
背景技术
随着城市化进程的不断加快，交通压力急剧增加。城市轨道交通作为人们出行的主要方式，越来越受到关注。基于通信的列车控制(communication-based train control,CBTC)***是利用车地双向通信确保城市轨道交通中列车高效、安全运行的关键***。在CBTC***中，通常采用无线保真(wireless fidelity,Wi-Fi)通信技术实现列车和轨旁设备之间及时、准确的信息交换。然而，随着城市轨道交通列车的提速以及智慧地铁对轨旁设备结构、***效率等提出的更严格的要求，Wi-Fi技术已无法满足未来城市轨道交通***的安全要求以及无线通信的用户服务质量(quality of service,QoS)。
与Wi-Fi技术相比，长期演进(long term evolution,LTE)***中的无线通信技术可以提供更高的数据传输速率和更低的***延迟，这引起了相关技术人员的广泛关注。国际铁路联盟在2010年明确指出，LTE***将被用作未来铁路专用无线通信的载体。作为LTE***中的直接通信技术，设备到设备(device-to-device,D2D)将在未来的移动宽带网络中扮演关键角色。由于D2D用户的发射器和接收器之间的距离相对较近，因此可以在低发射功率下获得更好的信道质量。
车车(train-to-train,T2T)通信作为车辆到车辆(vehicle-to-vehicle,V2V)通信的一部分，已经成为车辆通信***中一个活跃的研究领域。但是，目前关于T2T通信的研究主要集中在固定模式下的资源分配问题，没有考虑车地(Train-to-Ground,T2G)通信模式与T2T通信模式共存的情况，因此在实际应用中不能保证***的信道容量。
发明内容
为此，本发明的目的在于提出一种轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，以解决现有技术在实际应用中不能保证***信道容量的问题。
一种轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，所述方法包括：
步骤一，构建轨道交通无线通信网络中的车车通信***模型，其中，基站沿轨道线性分布，所述车车通信***模型中有V＝{1，2，…，M}个T2G通信用户，D＝{1，2，…，N}个T2T通信用户，V个T2G通信用户在蜂窝网络中使用K个独立的正交信道资源，在所述车车通信***模型中，使用列车x0的初始位置作为坐标原点，列车x0自左向右以速度v在基站覆盖范围内行驶，第n辆列车和基站之间的距离表示为：
Figure BDA0002893078710000021
式中，x代表基站的横坐标，y代表基站的纵坐标，L代表相邻列车之间的距离，hbs和htra分别代表基站处的天线高度和列车上的天线高度；
列车i和基站之间的信道增益gi，B表示为：
Figure BDA0002893078710000022
式中，G代表路径损耗常数，βi,B代表对数正态阴影衰落随机变量，ζi，B是小规模快速衰落功率分量，α是路径损耗指数，B表示基站；
步骤二，计算不同通信模式下列车的信噪比，其中，在T2G通信模式下，列车通过基站进行通信，T2G用户j的信噪比ξj，B的计算公式为：
Figure BDA0002893078710000031
式中，
Figure BDA0002893078710000032
表示在T2G通信模式下用户j的发射功率，gj，B表示列车j与基站间的信道增益，
Figure BDA0002893078710000033
表示高斯白噪声的噪声功率；
在T2T通信模式下，T2T通信用户j的信干噪比ξj的计算公式为：
Figure BDA0002893078710000034
T2G通信用户i的信噪比ξi的计算公式为：
Figure BDA0002893078710000035
式中，gj表示相邻T2T用户的信道增益，xi，j表示信道复用指示变量，
Figure BDA0002893078710000037
表示在T2T通信模式下T2G用户i的发射功率，
Figure BDA0002893078710000036
表示在T2T通信模式下T2T用户j的发射功率，gi，j表示列车i与列车j之间的信道增益，gj，B表示列车j与基站之间的信道增益；
步骤三，利用步骤二计算的信噪比计算***信道容量，并将最大化***容量设置为优化目标，构建车车通信***中联合通信模式选择与资源分配的优化模型，其中，在该优化模型中，保证T2T通信用户的信干噪比的条件下，为每个T2T通信用户分配信道资源，XK是模式选择的指示矩阵，
xk＝[X1，X2，…，Xk，…，XK]，由模式选择算法确定，如果T2T通信用户满足信干噪比要求，则可获得信息传输所需的信道资源，定义XK＝1，如果T2T通信用户不满足信干噪比要求，则定义XK＝0，xi,j为信道资源复用指示变量，代表T2G通信用户i的信道资源被T2T通信用户j复用，如果信道被复用，则xi,j＝1，否则xi,j＝0，然后，通过优化用户的发射功率来最大化***信道容量；
步骤四，根据步骤三构建的优化模型，设置模式选择与资源分配算法，在模式选择算法中，根据不同通信模式的信道容量关系获得模式选择矩阵，并通过该矩阵，使列车自适应地选择通信模式，在确定列车的通信模式后，使用资源分配算法为列车分配信道资源。
其中，步骤三中，通过优化用户的发射功率来最大化***信道容量，其信道容量优化公式表示：
max{xkC1+(1-xk)C2}
约束条件1：1≤k≤K
约束条件2：
Figure BDA0002893078710000051
约束条件3：
Figure BDA0002893078710000052
约束条件4：
Figure BDA0002893078710000053
约束条件5：
Figure BDA0002893078710000054
约束条件6：
Figure BDA0002893078710000055
约束条件7：
Figure BDA0002893078710000056
其中，C1表示T2G通信的信道容量，C2表示T2T通信的信道容量，在上述约束条件中，K表示正交信道资源的数量，k表示第k个正交信道资源，约束条件3表示T2G通信用户信道资源只能被T2T通信用户复用一次，ξi，min表示T2G通信用户i的最低信噪比要求，ξj，min表示T2T通信用户j的最低信干噪比要求，
Figure BDA0002893078710000061
表示T2G通信模式下所有用户的最大发射功率，
Figure BDA0002893078710000062
表示T2T通信模式下所有用户的最大发射功率。
其中，步骤四具体包括：
步骤4.1，模式选择算法
不同通信模式下列车的发射功率都等于其最大值，T2G通信模式的信噪比和T2T通信模式的信干噪比都满足用户服务质量要求，根据模式选择算法为每种通信模式分配信道资源进行信息传输；
通过模式选择算法，得到模式选择矩阵，通过模式选择矩阵和信道容量优化公式，实现自适应模式选择，并将信道容量优化公式分解为两个子公式，第一个子公式表示为：
Figure BDA0002893078710000063
约束条件1：1≤k≤K
约束条件2：ξj，B≥ξj，min
约束条件3：
Figure BDA0002893078710000064
当***满足上述模式选择条件时，将信道资源分配给目标列车，并采用T2G通信模式；
第二子公式表示为：
Figure BDA0002893078710000071
约束条件1：
Figure BDA0002893078710000072
约束条件2：
Figure BDA0002893078710000073
约束条件3：
Figure BDA0002893078710000074
约束条件4：
Figure BDA0002893078710000075
当***满足上述模式选择条件时，将信道资源分配给目标列车，并采用T2T通信模式；
步骤4.2，最优功率分配算法
采用拉格朗日对偶方法，第一子公式的拉格朗日函数
Figure BDA0002893078710000076
表示为：
Figure BDA0002893078710000077
其中，λ表示拉格朗日乘子，λj表示功率
Figure BDA0002893078710000078
对应的拉格朗日乘子，μj表示信噪比ξj，B对应的拉格朗日乘子；
C1对应的对偶函数g(λ，μ)表示为：
Figure BDA0002893078710000081
C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数G(λ，μ)表示为：
Figure BDA0002893078710000082
通过使用卡罗需-库恩-塔克条件获得第一子公式和C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数的最优解，设第一子公式的最优解为
Figure BDA0002893078710000083
C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数的最优解为λ*和μ*，则对应的卡罗需-库恩-塔克条件表示为：
Figure BDA0002893078710000084
Figure BDA0002893078710000085
μ*(ξj，B-ξj，min)＝0
根据卡罗需-库恩-塔克条件，最优功率表示为：
Figure BDA0002893078710000091
然后，通过一维线性搜索法获得最优功率集合：
Figure BDA0002893078710000092
式中，tk是搜索步长，
Figure BDA0002893078710000093
是梯度下降方向；
Figure BDA0002893078710000094
在T2G通信用户满足最小信噪比要求前提下，T2T通信用户复用T2G通信用户信道资源，此时，T2G通信用户的功率表示为：
Figure BDA0002893078710000095
Figure BDA0002893078710000096
由此得到T2G通信用户的最优发射功率为：
Figure BDA0002893078710000101
将T2G通信的最优发射功率引入第二子公式中，此时，第二子公式转换为：
Figure BDA0002893078710000102
式中，
Figure BDA0002893078710000103
Figure BDA0002893078710000104
此时，第二子公式对应的拉格朗日函数
Figure BDA0002893078710000105
表示为：
Figure BDA0002893078710000106
其中，λj表示功率
Figure BDA0002893078710000107
对应的拉格朗日乘子，μj表示信噪比ξj，B对应的拉格朗日乘子，ηj表示信道复用指示变量对应的拉格朗日乘子；
C2对应的对偶函数g(λ，μ，η)表示为：
Figure BDA0002893078710000111
C2对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数G(λ，μ，η)表示为：
Figure BDA0002893078710000112
此时，T2T通信用户的最优发射功率表示为：
Figure BDA0002893078710000113
式中，
Figure BDA0002893078710000114
然后，对实际信道资源进行分配，取拉格朗日函数式对xi,j的偏导数，代入最优发射功率
Figure BDA0002893078710000115
得：
Figure BDA0002893078710000121
式中，Hi，j为中间变量；
Figure BDA0002893078710000122
根据卡罗需-库恩-塔克条件，信道复用因子表示为：
Figure BDA0002893078710000123
其中，所述车车通信***模型中，列车和轨道旁控制器集成了区域控制器、列车自动监控和计算机互锁功能，且相邻列车通过T2T终端直接通信。
其中，所述车车通信***模型中，T2G通信用户的上行信道被T2T通信用户复用且只能复用一次。
根据本发明提供的轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，考虑了T2G通信模式与T2T通信模式共存情况下的联合通信模式选择和资源分配，能够使列车能够自适应地选择具有更好通信质量的通信模式，并在满足QoS要求的条件下自适应的选择通信模式，以确保每辆列车均在最佳信噪比下运行，本发明在通信模式选择的基础上，提出了一种基于拉格朗日对偶函数法的资源分配算法，通过该算法可获得列车在不同通信模式下的最优发射功率。此外，通过仿真结果可以看出，相比于其它资源分配算法，本发明提供的方法能明显提升***的信道容量。
附图说明
图1是车车通信***模型的示意图；
图2是T2T链路与T2G链路之间的干扰示意图；
图3是通信模式选择示意图；
图4是T2G通信模式中最优功率下的信道容量示意图；
图5是T2T通信模式中最优功率下的信道容量示意图；
图6是不同T2T通信列车距离下的信道容量示意图；
图7是不同距离下的信道容量示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例提供一种轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，包括步骤一至步骤四。
步骤一，构建轨道交通无线通信网络中的车车通信***模型。
构建的车车通信***模型如图1所示，为了降低轨道旁设备的复杂性，列车和轨道旁控制器集成了区域控制器(zone controller,ZC)、列车自动监控(automatic trainsupervision,ATS)和计算机互锁(computer interlock,CI)功能，每辆列车都可以通过列车控制模块中的车地T2G通信终端与轨道旁设备进行通信，轨道旁设备可以根据列车发送的路线信息直接控制道岔的旋转和打开。不仅如此，相邻列车还可以通过T2T终端直接通信，以传达关键信息，例如列车速度和位置。与传统的T2G通信相比，这种直接通信方法可以更及时地使列车运行更安全。区别于传统的蜂窝网络，在城市轨道交通***中，基站(basestation,BS)沿轨道线性分布，每个蜂窝小区中的列车数量有限。根据列车运行环境的特殊性，假设该网络中有V＝{1，2，…，M}个T2G通信用户，D＝{1，2，…，N}个T2T通信用户，V个T2G通信用户在蜂窝网络中使用K个独立的正交信道资源，T2G通信用户的上行信道被T2T通信用户复用且只能复用一次。
T2G链路、T2T链路和复用干扰如图2所示，x0和x1之间存在T2T通信，在x2和基站之间存在T2G通信，同时，x2和基站之间的通信信道被T2T通信用户x0和x1复用，在复用过程中，x2将对x0和x1产生干扰。在本***中，模型使用列车x0的初始位置作为坐标原点，列车自左向右以速度v在基站覆盖范围内行驶，可以将第n辆列车和基站之间的距离表示为：
Figure BDA0002893078710000141
式中，x代表基站的横坐标，y代表基站的纵坐标，L代表相邻列车之间的距离，hbs和htra分别代表基站处的天线高度和列车上的天线高度。
在本文中，列车i和基站之间的信道增益可以表示为
Figure BDA0002893078710000142
式中，G代表路径损耗常数，βi,B代表对数正态阴影衰落随机变量，ζi，B是小规模快速衰落功率分量，α是路径损耗指数，B表示基站。
步骤二，计算不同通信模式下列车的信噪比。
其中，该通信***中存在两种通信模式，一种是T2G通信模式，另一种是T2T通信模式。在T2G通信模式下，列车通过基站进行通信，当两列列车相距较远时，此模式比较适用，此时，T2G用户j的信噪比ξj，B可以表示为
Figure BDA0002893078710000151
式中，
Figure BDA0002893078710000152
表示在T2G通信模式下用户j的发射功率，gj，B表示列车j与基站间的信道增益，
Figure BDA0002893078710000153
表示高斯白噪声的噪声功率。
在T2T通信模式下，T2T通信用户通过复用的T2G通信用户的上行链路进行通信，因此在T2T通信用户和T2G通信用户之间将存在干扰。此时，T2T通信用户j的信干噪比ξj(信干噪比为考虑干扰下的信噪比)可以表示为
Figure BDA0002893078710000154
T2G通信用户i的信噪比ξi可以表示为
Figure BDA0002893078710000155
式中，gj表示相邻T2T用户的信道增益，xi，j表示信道复用指示变量，
Figure BDA0002893078710000156
表示在T2T通信模式下T2G用户i的发射功率，
Figure BDA0002893078710000157
表示在T2T通信模式下T2T用户j的发射功率，gi，j表示列车i与列车j之间的信道增益，gj，B表示列车j与基站之间的信道增益。
步骤三，利用步骤二计算的信噪比计算***信道容量，并将最大化***容量为优化目标，构建车车通信***中联合通信模式选择与资源分配的优化模型。其中，在保证T2T通信用户的信干噪比的条件下，为每个T2T通信用户分配信道资源。XK是模式选择的指示矩阵，xk＝[X1，X2，…，Xk，…，XK]，由模式选择算法确定。如果T2T通信用户满足信干噪比要求，则可以获得信息传输所需的信道资源，定义XK＝1。如果T2T通信用户不满足信干噪比要求，则定义XK＝0。xi,j为信道资源复用指示变量，代表T2G通信用户i的信道资源被T2T通信用户j复用，如果信道被复用，则xi,j＝1，否则xi,j＝0。然后，可以通过优化用户的发射功率来最大化***信道容量，信道容量优化公式可以表示为：
max{xkC1+(1-xk)C2}
约束条件1：1≤k≤K
约束条件2：
Figure BDA0002893078710000171
约束条件3：
Figure BDA0002893078710000172
约束条件4：
Figure BDA0002893078710000173
约束条件5：
Figure BDA0002893078710000174
约束条件6：
Figure BDA0002893078710000175
约束条件7：
Figure BDA0002893078710000176
其中，C1表示T2G通信的信道容量，C2表示T2T通信的信道容量，在上述约束条件中，K表示正交信道资源的数量，k表示第k个正交信道资源，约束条件3表示T2G通信用户信道资源只能被T2T通信用户复用一次，ξi，min表示T2G通信用户i的最低信噪比要求，ξj，min表示T2T通信用户j的最低信干噪比要求，
Figure BDA0002893078710000181
表示T2G通信模式下所有用户的最大发射功率，
Figure BDA0002893078710000182
表示T2T通信模式下所有用户的最大发射功率。显然，信道容量优化公式是非凸的，因此本发明将信道容量优化公式分解为两个子公式。
步骤四，根据步骤三构建的优化模型，设置模式选择与资源分配算法，以根据不同通信模式的信道容量关系获得模式选择矩阵，并通过该矩阵，使列车自适应地选择通信模式。
其中，在确保QoS的前提下，根据不同通信模式的信道容量关系获得模式选择矩阵，通过该矩阵，列车可以自适应地选择通信模式。然后，根据这两种通信模式，将信道容量优化公式分解为两个子公式，分别在T2G通信模式和T2T通信模式下最大化***的信道容量。由于信道容量优化公式中***的整体信道容量是将不同通信模式信道容量相加的，因此分解方法是可行的。
步骤四具体包括：
步骤4.1，模式选择算法
令不同通信模式列车的发射功率都等于其最大值，T2G通信模式的信噪比和T2T通信模式的信干噪比都满足用户服务质量要求，根据模式选择算法为每种通信模式分配信道资源进行信息传输。
具体的，首先计算不同通信模式下每辆列车的信道容量
Figure BDA0002893078710000183
Figure BDA0002893078710000184
然后计算列车i与基站之间的信道容量
Figure BDA0002893078710000185
最后，通过对比不同通信用户的信道容量选择通信模式。
通过模式选择算法，可得到模式选择矩阵。由于公式(6)是两种通信模式的相加运算，通过模式选择矩阵和信道容量优化公式，可以实现自适应模式选择，并将信道容量优化公式分解为两个子公式，第一个子公式表示为：
Figure BDA0002893078710000191
约束条件1：1≤k≤K
约束条件2：ξj，B≥ξj，min
约束条件3：
Figure BDA0002893078710000192
公式(7)表示，当***满足模式选择条件时，将信道资源分配给目标列车，列车采用T2G通信模式。
第二个子公式可以表示为：
Figure BDA0002893078710000201
约束条件1：
Figure BDA0002893078710000202
约束条件2：
Figure BDA0002893078710000203
约束条件3：
Figure BDA0002893078710000204
约束条件4：
Figure BDA0002893078710000205
公式(8)表示，当***满足模式选择条件时，将信道资源分配给目标列车，列车采用T2T通信模式。
步骤4.2，最优功率分配算法
当***采用T2G通信模式时，信道容量优化公式可以表示为公式(7)。显然，目标函数是关于
Figure BDA0002893078710000206
的凹函数，并且该函数的可行域是凸集，因此，公式(7)可以表示为凸优化形式。本文采用拉格朗日对偶方法用于求解公式(7)，第一子公式的拉格朗日函数可以表示为
Figure BDA0002893078710000207
其中，λ表示拉格朗日乘子，λj表示功率
Figure BDA0002893078710000211
对应的拉格朗日乘子，μj表示信噪比ξj，B对应的拉格朗日乘子；
C1对应的对偶函数g(λ，μ)表示为：
Figure BDA0002893078710000212
C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数G(λ，μ)表示为：
Figure BDA0002893078710000213
通过使用卡罗需-库恩-塔克条件(KKT条件)获得第一子公式和C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数的最优解，设第一子公式的最优解为
Figure BDA0002893078710000214
C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数的最优解为λ*和μ*，则对应的卡罗需-库恩-塔克条件表示为：
Figure BDA0002893078710000215
Figure BDA0002893078710000216
μ*(ξj，B-ξj，min)＝0 (14)
根据卡罗需-库恩-塔克条件，最优功率可表示为
Figure BDA0002893078710000221
然后，可以通过一维线性搜索法可以获得最优功率集合。
Figure BDA0002893078710000222
式中，tk是搜索步长，
Figure BDA0002893078710000223
是梯度下降方向。
当***采用T2T通信模式时，信道容量优化公式可表示为公式(8)。显然，该公式(8)是混合整数非线性规划(mixed-integer nonlinear programming,MINLP)形式。由于公式(8)的约束条件1是离散约束，为了求解公式(8)，将变量xi,j放宽成连续变量，此时，约束条件1和约束条件2可以替换为
Figure BDA0002893078710000224
经过变量替换，公式(8)的可行域已经转化为凸集，信道容量优化公式变为凸优化形式，此时，第二子公式的拉格朗日函数可以表示为
Figure BDA0002893078710000225
对应的卡罗需-库恩-塔克条件可表示为
Figure BDA0002893078710000226
Figure BDA0002893078710000227
Figure BDA0002893078710000231
Figure BDA0002893078710000232
μ*(ξj-ξj，min)＝0 (23)
在T2G通信用户满足最小信噪比要求前提下，T2T通信用户复用T2G通信用户信道资源。此时，T2G通信用户的功率可以表示为
Figure BDA0002893078710000233
Figure BDA0002893078710000234
由此可以得到T2G通信用户的最优发射功率为
Figure BDA0002893078710000235
将T2G通信的最优发射功率引入公式(8)中，第二子公式可表示为
Figure BDA0002893078710000241
式中，
Figure BDA0002893078710000242
此时，式(27)对应的拉格朗日函数可以表示为
Figure BDA0002893078710000243
其中，λj表示功率
Figure BDA0002893078710000244
对应的拉格朗日乘子，μj表示信噪比ξj，B对应的拉格朗日乘子，ηj表示信道复用指示变量对应的拉格朗日乘子；C2对应的对偶函数g(λ，μ，η)表示为：
Figure BDA0002893078710000245
C2对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数G(λ，μ，η)表示为：
Figure BDA0002893078710000246
此时，T2T通信用户的最优发射功率表示为
Figure BDA0002893078710000251
式中
Figure BDA0002893078710000252
然后，对实际信道资源进行分配，取拉格朗日函数式(18)对xi，j的偏导数，代入最优发射功率
Figure BDA0002893078710000253
可得
Figure BDA0002893078710000254
式中，Hi，j为中间变量；
Figure BDA0002893078710000255
根据卡罗需-库恩-塔克条件，信道复用因子可以表示为
Figure BDA0002893078710000261
下面对本实施例提供的方法进行实验仿真对比分析
本实施例提供一些仿真结果以说明上述模型选择和功率分配方法的***性能。根据轨道交通列车的实际运行情况，结合相关技术，在城市T2T通信场景中采用Winner II路径损耗模型。由于两列相邻列车的速度相似且运动方向相同，本实施例中假设两列列车的相对速度为0，因此，可以忽略由T2T通信***上的速度差异引起的多普勒频移。为了简化模型，本实施例只考虑T2G通信用户的信道资源被T2T通信用户复用一次的情况。在实际运行过程中，与列车的制动和起步相比，平稳运行的时间占有很大的比例，因此不考虑列车制动产生的影响。此外，每辆列车上都可以同时使用T2G通信模式和T2T通信模式。表1中列出了主要的仿真参数。
表1主要仿真参数
Figure BDA0002893078710000271
模式选择算法根据列车数量的不同使列车自适应选择通信模式，选择结果如图3所示。在T2G通信模式下，随着列车数量的增加，***的总信道容量也在增加。在该通信模式下，T2T通信模式的列车与T2G通信模式的列车间距越来越大，这将导致两种通信模式的列车之间的干扰逐渐变小，从而总信道容量也将增加。从图3中可以看出，当小区中列车数量较少时，由于T2G通信模式的列车对T2T通信模式的列车造成较强的干扰，导致T2T通信模式的列车总信道容量小于T2G通信模式的列车的总信道容量。当小区中列车数量适中时，T2T通信模式的列车的总信道容量将大于T2G通信模式的列车。当列车数量增加到9辆时，此时，小区中列车密度非常大，T2T通信模式的列车受到的干扰也快速增加，此时，T2G通信模式的列车的总信道容量达到最大并且高于在T2T通信模式下的总信道容量。
如图4和图5所示，描述了通过资源分配算法对公式(6)和公式(7)进行求解，得到最优信道容量。由仿真结果可以直观的看出，与现有技术中的方案相比，在提升列车信道容量方面，本发明提出的方法获得的结果优于现有技术中的方案且十分接近最大信道容量。
如图6所示，直观的展示了在T2G通信列车带来的相同干扰下，T2T通信列车处在相同位置时，随着间距的不断变化，***的总信道容量的变化。随着T2T通信列车的间距越来越小，***的总信道容量越来越大。
***总信道容量随着T2T和T2G通信列车之间距离变化的关系如图7所示。在初始阶段，列车从基站的边缘运行到基站的中心。此时，当T2T通信列车重用T2G通信列车信道资源时，干扰很小，因此可以忽略由于T2T通信列车与T2G通信列车之间由于距离不同对***总信道容量大小造成的影响。随着列车与基站之间的距离越来越近，T2G通信列车对T2T通信列车的干扰越来越严重。当T2T通信列车与T2G通信列车之间的距离不断变小时，***的总信道容量在逐渐变大，这是因为，即使随着T2G通信列车与T2T通信列车之间的距离变小导致列车间的干扰变大，T2T通信技术产生的信道增益依然能够对列车总信道容量的提升有着很大的帮助。
综上，根据本实施例提供的轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，考虑了T2G通信模式与T2T通信模式共存情况下的联合通信模式选择和资源分配，能够使列车能够自适应地选择具有更好通信质量的通信模式，并在满足QoS要求的条件下自适应的选择通信模式，以确保每辆列车均在最佳信噪比下运行，本发明在通信模式选择的基础上，提出了一种基于拉格朗日对偶函数法的资源分配算法，通过该算法可获得列车在不同通信模式下的最优发射功率。此外，通过仿真结果可以看出，相比于其它资源分配算法，本发明提供的方法能明显提升***的信道容量。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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 (3)

1.一种轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，其特征在于，包括：
步骤一，构建轨道交通无线通信网络中的车车通信***模型，其中，基站沿轨道线性分布，所述车车通信***模型中有V＝{1，2，…，M}个T2G通信用户，D＝{1，2，…，N}个T2T通信用户，V个T2G通信用户在蜂窝网络中使用K个独立的正交信道资源，在所述车车通信***模型中，使用列车x0的初始位置作为坐标原点，列车x0自左向右以速度v在基站覆盖范围内行驶，第n辆列车和基站之间的距离表示为：
Figure FDA0003852223870000011
式中，x代表基站的横坐标，y代表基站的纵坐标，L代表相邻列车之间的距离，hbs和htra分别代表基站处的天线高度和列车上的天线高度；
列车i和基站之间的信道增益gi，B表示为：
Figure FDA0003852223870000012
式中，G代表路径损耗常数，βi，B代表对数正态阴影衰落随机变量，ξi，B是小规模快速衰落功率分量，α是路径损耗指数，B表示基站；
步骤二，计算不同通信模式下列车的信噪比，其中，在T2G通信模式下，列车通过基站进行通信，T2G用户j的信噪比ξj，B的计算公式为：
Figure FDA0003852223870000021
式中，
Figure FDA0003852223870000022
表示在T2G通信模式下用户j的发射功率，gj，B表示列车j与基站间的信道增益，
Figure FDA0003852223870000023
表示高斯白噪声的噪声功率；
在T2T通信模式下，T2T通信用户j的信干噪比ξj的计算公式为：
Figure FDA0003852223870000024
T2G通信用户i的信噪比ξi的计算公式为：
Figure FDA0003852223870000025
式中，gj表示相邻T2T用户的信道增益，xi，j表示信道复用指示变量，
Pi c表示在T2T通信模式下T2G用户i的发射功率，
Figure FDA0003852223870000026
表示在T2T通信模式下T2T用户j的发射功率，gi，j表示列车i与列车j之间的信道增益，gj，B表示列车j与基站之间的信道增益；
步骤三，利用步骤二计算的信噪比计算***信道容量，并将最大化***容量设置为优化目标，构建车车通信***中联合通信模式选择与资源分配的优化模型，其中，在该优化模型中，保证T2T通信用户的信干噪比的条件下，为每个T2T通信用户分配信道资源，XK是模式选择的指示矩阵，
xk＝[X1，X2，…，Xk，…，XK]，由模式选择算法确定，如果T2T通信用户满足信干噪比要求，则可获得信息传输所需的信道资源，定义XK＝1，如果T2T通信用户不满足信干噪比要求，则定义XK＝0，xi，j为信道资源复用指示变量，代表T2G通信用户i的信道资源被T2T通信用户j复用，如果信道被复用，则xi，j＝1，否则xi，j＝0，然后，通过优化用户的发射功率来最大化***信道容量；
步骤四，根据步骤三构建的优化模型，设置模式选择与资源分配算法，在模式选择算法中，根据不同通信模式的信道容量关系获得模式选择矩阵，并通过该矩阵，使列车自适应地选择通信模式，在确定列车的通信模式后，使用资源分配算法为列车分配信道资源；
步骤三中，通过优化用户的发射功率来最大化***信道容量，其信道容量优化公式表示：
max{xkC1+(1-xk)C2}
约束条件1∶1≤k≤K
约束条件2：
Figure FDA0003852223870000041
约束条件3：
Figure FDA0003852223870000042
约束条件4：
Figure FDA0003852223870000043
约束条件5：
Figure FDA0003852223870000044
约束条件6：
Figure FDA0003852223870000045
约束条件7：
Figure FDA0003852223870000046
其中，C1表示T2G通信的信道容量，C2表示T2T通信的信道容量，在上述约束条件中，K表示正交信道资源的数量，k表示第k个正交信道资源，约束条件3表示T2G通信用户信道资源只能被T2T通信用户复用一次，ξi，min表示T2G通信用户i的最低信噪比要求，ξj，min表示T2T通信用户j的最低信干噪比要求，
Figure FDA0003852223870000051
表示T2G通信模式下所有用户的最大发射功率，
Figure FDA0003852223870000052
表示T2T通信模式下所有用户的最大发射功率；
步骤四具体包括：
步骤4.1，模式选择算法
不同通信模式下列车的发射功率都等于其最大值，T2G通信模式的信噪比和T2T通信模式的信干噪比都满足用户服务质量要求，根据模式选择算法为每种通信模式分配信道资源进行信息传输；
通过模式选择算法，得到模式选择矩阵，通过模式选择矩阵和信道容量优化公式，实现自适应模式选择，并将信道容量优化公式分解为两个子公式，第一个子公式表示为：
Figure FDA0003852223870000053
约束条件1∶1≤k≤K
约束条件2：ξj，B≥ξj，min
约束条件3：
Figure FDA0003852223870000054
当***满足上述模式选择条件时，将信道资源分配给目标列车，并采用T2G通信模式；
第二子公式表示为：
Figure FDA0003852223870000061
约束条件1：
Figure FDA0003852223870000062
约束条件2：
Figure FDA0003852223870000063
约束条件3：
Figure FDA0003852223870000064
约束条件4：
Figure FDA0003852223870000065
当***满足上述模式选择条件时，将信道资源分配给目标列车，并采用T2T通信模式；
步骤4.2，最优功率分配算法
采用拉格朗日对偶方法，第一子公式的拉格朗日函数
Figure FDA0003852223870000066
表示为：
Figure FDA0003852223870000067
其中，λ表示拉格朗日乘子，λj表示功率
Figure FDA0003852223870000071
对应的拉格朗日乘子，μj表示信噪比ξj，B对应的拉格朗日乘子；
C1对应的对偶函数g(λ，μ)表示为：
Figure FDA0003852223870000072
C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数G(λ，μ)表示为：
Figure FDA0003852223870000073
通过使用卡罗需-库恩-塔克条件获得第一子公式和C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数的最优解，设第一子公式的最优解为
Figure FDA0003852223870000074
C1对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数的最优解为λ*和μ*，则对应的卡罗需-库恩-塔克条件表示为：
Figure FDA0003852223870000075
Figure FDA0003852223870000076
μ*(ξj，B-ξj，min)＝0
根据卡罗需-库恩-塔克条件，最优功率表示为：
Figure FDA0003852223870000081
然后，通过一维线性搜索法获得最优功率集合：
Figure FDA0003852223870000082
式中，tk是搜索步长，
Figure FDA0003852223870000083
是梯度下降方向；
Figure FDA0003852223870000084
在T2G通信用户满足最小信噪比要求前提下，T2T通信用户复用T2G通信用户信道资源，此时，T2G通信用户的功率表示为：
Figure FDA0003852223870000085
Figure FDA0003852223870000086
由此得到T2G通信用户的最优发射功率为：
Figure FDA0003852223870000091
将T2G通信的最优发射功率引入第二子公式中，此时，第二子公式转换为：
Figure FDA0003852223870000092
式中，
Figure FDA0003852223870000093
Figure FDA0003852223870000094
此时，第二子公式对应的拉格朗日函数
Figure FDA0003852223870000095
表示为：
Figure FDA0003852223870000096
其中，λj表示功率
Figure FDA0003852223870000097
对应的拉格朗日乘子，μj表示信噪比ξj，B对应的拉格朗日乘子，ηj表示信道复用指示变量对应的拉格朗日乘子；
C2对应的对偶函数g(λ，μ，η)表示为：
Figure FDA0003852223870000101
C2对应的带约束条件的拉格朗日对偶函数G(λ，μ，η)表示为：
Figure FDA0003852223870000102
此时，T2T通信用户的最优发射功率表示为：
Figure FDA0003852223870000103
式中，
Figure FDA0003852223870000104
然后，对实际信道资源进行分配，取拉格朗日函数式对xi，j的偏导数，代入最优发射功率
Figure FDA0003852223870000105
得：
Figure FDA0003852223870000111
式中，Hi，j为中间变量；
Figure FDA0003852223870000112
根据卡罗需-库恩-塔克条件，信道复用因子表示为：
Figure FDA0003852223870000113
2.根据权利要求1所述的轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，其特征在于，所述车车通信***模型中，列车和轨道旁控制器集成了区域控制器、列车自动监控和计算机互锁功能，且相邻列车通过T2T终端直接通信。
3.根据权利要求1所述的轨道交通车车通信中通信模式选择与资源分配方法，其特征在于，所述车车通信***模型中，T2G通信用户的上行信道被T2T通信用户复用且只能复用一次。
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