［胡恒 張剛 張晨璐］

車車通信中一種基于資源池的資源分配機(jī)制

［胡恒 張剛 張晨璐］

車聯(lián)網(wǎng)即LTE-V2X已正式進(jìn)入3GPP Rel-14標(biāo)準(zhǔn)的制定中，其中車車通信是目前討論的重點(diǎn)。車車通信被認(rèn)為是可以基于D2D(Device-to-Device)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但在可靠性和時(shí)延特性的要求上更加嚴(yán)格，而D2D無線資源的分配是影響可靠性和時(shí)延的關(guān)鍵因素。因此，主要研究車車通信中資源池的設(shè)計(jì)問題。首先，分析了目前業(yè)界討論的設(shè)計(jì)方案。接著，提出了一種新的資源分配機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了車載終端在資源池中不經(jīng)過基站的調(diào)度前提下，盡可能避免資源的碰撞，更加合理的分配到資源的機(jī)制。最后，通過系統(tǒng)級平臺的仿真，對比該機(jī)制和現(xiàn)有機(jī)制，證明了該機(jī)制對車車通信系統(tǒng)性能的提升。

車車通信 資源分配 資源池 信道檢測機(jī)制

胡恒

碩士研究生，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,現(xiàn)于宇龍計(jì)算機(jī)通信有限公司行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部實(shí)習(xí)。

張剛

現(xiàn)重慶郵電大學(xué)副教授。主要研究方向包括混沌保密通信和微弱信號監(jiān)測。

張晨璐

現(xiàn)于宇龍計(jì)算機(jī)通信科技（深圳）有限公司擔(dān)任高級工程師。

1 引言

目前，國際上有關(guān)車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議已經(jīng)比較成熟的是電氣和電子工程師協(xié)會IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）提出的WAVE/DSRC（Wireless Access in Vehicular Environment/ Dedicated Short Range Communications）協(xié)議。但由于該協(xié)議底層采用的802.11p協(xié)議工作于非授權(quán)頻段等原因，使得整個(gè)系統(tǒng)對傳輸時(shí)延、時(shí)延抖動、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS）保證都與LTE系統(tǒng)的要求存在一定差距。于是3GPP在Release 14中立項(xiàng)研究車聯(lián)網(wǎng)（Vehicle-to-Everything, V2X）標(biāo)準(zhǔn)化，并分別對車車通信(Vehicleto-Vehicle, V2V）、車路通信(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)、車人通信(Vehicle-to-Pedestrian, V2P)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定。在3GPP RAN1小組的83次會議中，就V2X重點(diǎn)討論了3個(gè)問題：V2V的資源池設(shè)計(jì)和控制的問題；適應(yīng)高多普勒的DMRS信號設(shè)計(jì)問題；同步信號設(shè)計(jì)問題。

根據(jù)3GPP目前達(dá)成的一些共識，V2V技術(shù)將基于D2D技術(shù)（終端直通技術(shù)）實(shí)現(xiàn)。然而與D2D不同的是，V2V對時(shí)延性、可靠性等要求比D2D更加嚴(yán)格[1]，所以對V2V調(diào)度方式以及資源分配需要重新設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[1]提出，當(dāng)D2D通信用于V2V，由于V2V場景中信道變化很快，如果基站eNodeB (evolve Node B)采用短周期的無線資源管理（Radio Resource Management， RRM），用戶終端(User Equipment, UE)需要在每個(gè)傳輸時(shí)間間隔（Transmission Time Interval, TTI）給eNodeB反饋信道狀態(tài)信息（Channel State Information, CSI），這樣會造成極大的開銷，所以建議采用長周期的RRM，如幾百毫秒調(diào)度一次。

文獻(xiàn)[2]中建議用資源池的形式對車載終端V-UE (Vehicle-UE)進(jìn)行資源分配，并且要研究資源碰撞等問題。因此研究資源池的設(shè)計(jì)以及V-UE如何在資源池中選擇資源從而進(jìn)行沖突避免具有較大的意義。本文就此問題提出了一種資源分配機(jī)制。

1 目前的資源池分配機(jī)制問題

1.1 群小區(qū)架構(gòu)的資源池

文獻(xiàn)[3]介紹了關(guān)于資源池的概念，并提出了一種在群小區(qū)架構(gòu)中的預(yù)排序動態(tài)分配資源算法。該算法能使接入點(diǎn)(AP)儲存各天線單元和其他無線資源的使用情況，從而有效提高資源分配和調(diào)度的效率

V2V場景分為兩類[2]，一類是基于Uu接口的V2V通信，即在基站覆蓋下實(shí)現(xiàn)基站與V-UE通信；一類是基于PC5接口的V2V通信，此接口可實(shí)現(xiàn)終端直通，甚至無需基站覆蓋?？梢娫赩2V場景中，尤其是第二類場景終端直通的情況下，讓AP記錄各個(gè)用戶的無線資源使用情況甚至反饋干擾情況給AP，實(shí)現(xiàn)難度很大且信令開銷會增大很多。

1.2 D2D資源分配機(jī)制

目前，3GPP TSG的RAN1工作組對資源分配的討論已經(jīng)在文獻(xiàn)[2]中達(dá)成了部分共識。但還有諸多問題亟待解決。

RAN1將D2D技術(shù)的資源分配方式作為V2V資源分配討論的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]給出了一種Release 12 的D2D的資源池設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

圖1 D2D資源池設(shè)計(jì)[4]

圖1 中，將D2D 的資源池以TDM的方式分為SA（調(diào)度信息）池和data（數(shù)據(jù)）池。一個(gè)周期內(nèi)有一個(gè)SA池和一個(gè)data池。一個(gè)V-UE如果有數(shù)據(jù)待發(fā)，則先在下一個(gè)周期的data池中選擇一段資源，然后在此周期的SA池中發(fā)送UE的調(diào)度信息，最后在選擇的資源上進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

此方案如果直接用于V2V中會出現(xiàn)以下幾個(gè)問題:

由于使用的資源池，UE沒有實(shí)時(shí)反饋CSI信息，基站無法輔助進(jìn)行data池中資源選擇，所以UE只能在data池中隨機(jī)選擇資源，這樣就很容易出現(xiàn)資源碰撞現(xiàn)象。V2V中對QoS要求比D2D高[1]，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致當(dāng)V-UE擁擠時(shí)，QoS急劇下降。

由于SA池和data池是以TDM的方式分開，這會導(dǎo)致V-UE發(fā)送存在最大一個(gè)周期的時(shí)延。這就意味著周期越大，時(shí)延也就越大。

1.3 V2V的傳輸模式

根據(jù)V2V的需求，文獻(xiàn)[2]中定義了兩種不同業(yè)務(wù)需求的傳輸模式：Periodic traffc（周期型傳輸）和Eventtriggered traffc（事件觸發(fā)型傳輸）。Periodic traffc，就是指SA信息和數(shù)據(jù)包是在一個(gè)周期內(nèi)會產(chǎn)生，目前文獻(xiàn)[2]中指定的參考周期是100 ms（也有500 ms的情況），一般是承載時(shí)延和QoS保證要求較低的業(yè)務(wù)，但數(shù)據(jù)量比較大，而且一般是時(shí)刻產(chǎn)生的，比如導(dǎo)航數(shù)據(jù)，位置信息以及娛樂服務(wù)等業(yè)務(wù)；Event-triggered traffc，就是指業(yè)務(wù)是突發(fā)性產(chǎn)生的，一般是一些緊急性業(yè)務(wù)，對此事件傳輸?shù)目煽啃院蜁r(shí)延要求會更高，比如剎車、事故等消息。

這樣的傳輸模式，對資源池的設(shè)計(jì)有了新的要求：

（1）如何使得資源池分別滿足不同的業(yè)務(wù)的需求。

（2）如何使周期型傳輸和事件觸發(fā)型傳輸共享相同資源池。

1.4 V2V資源池分配方式討論

文獻(xiàn)[5]給出了一種資源池的設(shè)計(jì)。如圖2所示，將SA池和data池用時(shí)分(TDM)形式分開。

圖2 一種V2V資源池設(shè)計(jì)方案[5]

該機(jī)制將SA池分為兩類，一類是為Periodic traffc數(shù)據(jù)分配資源的SA池，一類是為Event-triggered traffc數(shù)據(jù)分配資源的SA池，并用TDM形式區(qū)分。這兩種SA池都是周期性的，Periodic traffc的SA池的周期是Event-triggered traffc的SA池的幾倍，但它們調(diào)度的data池是共同的。例如，周期型的SA池在1 s內(nèi)出現(xiàn)一次，他可以分配下一個(gè)周期內(nèi)data池中的資源；而事件突發(fā)型的SA池的周期為100 ms，并且對當(dāng)前周期的data池中資源進(jìn)行分配。

該機(jī)制存在以下幾點(diǎn)問題：

（1）目前, R12的D2D規(guī)定網(wǎng)絡(luò)可配置的最短SA周期是40，這是不足以滿足最低的延遲要求20。

（2）為了滿足時(shí)延要求而降低SA的周期會導(dǎo)致大量的信令開銷。

2 資源分配機(jī)制的設(shè)計(jì)

本文就Periodic traffc傳輸模型進(jìn)行研究，提出一種基于信道競爭的資源分配機(jī)制，從而使在基站分配資源池的情況下，V-UE在進(jìn)行Periodic traffc時(shí)，合理利用資源池中的資源。

參考上述文獻(xiàn)[5]提出的方案，我們可以讓Eventtriggered traffc和Periodic traffc共同使用data池中的資源，其中Periodic traffc以一定周期循環(huán)的使用的data池的資源。V-UE不是根據(jù)基站調(diào)度或者隨機(jī)選擇data池中的資源，而是根據(jù)信道競爭。本文以100 ms為例，在競爭周期內(nèi)Periodic traffc使用的資源以100 ms循環(huán)使用。

2.1 機(jī)制整體設(shè)計(jì)

圖3是本次機(jī)制的示意圖，將整個(gè)資源池以TDM的形式分為4大塊：信道競爭時(shí)間、Periodic traffc的SA池時(shí)間、Periodic traffc時(shí)間和Event-triggered traffc時(shí)間。綠色部分是信道競爭時(shí)間，褐色部分是Periodic traffc的SA池，黃色部分是Periodic traffc時(shí)間，灰色部分是Event-triggered traffc時(shí)間。

圖3 資源分配整體設(shè)計(jì)

信道競爭時(shí)間是讓每個(gè)有Periodic traffc業(yè)務(wù)需求的V-UE進(jìn)行信道競爭的時(shí)間，如圖3所示，這里的競爭時(shí)間可設(shè)置為1個(gè)TTI即1 ms，此TTI的周期假設(shè)是1 s。V-UE根據(jù)每個(gè)RB（Resource Block資源塊）所在的頻段（既12個(gè)子載波180k）在信道競爭時(shí)間內(nèi)獨(dú)立地進(jìn)行信道競爭。競爭結(jié)束后，根據(jù)每個(gè)頻段的競爭情況得出能夠占用的頻段，把這些頻段映射到隨后的data池中屬于Periodic traffc的資源里。

在Periodic traffc的SA池時(shí)間中，傳輸映射后得到的資源位置信息等調(diào)度信息。圖3假設(shè)此時(shí)間段占用一個(gè)TTI。

Periodic traffc時(shí)間和Event-triggered traffc時(shí)間是相互間隔的，圖3假設(shè)其時(shí)間比例是3 : 1。根據(jù)路段情況等因素，基站可以動態(tài)調(diào)整兩種不同業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)間。比如在事故易發(fā)路段或者某一路段的高峰期，基站可以將Event-triggered traffc的時(shí)間比例可以適當(dāng)增加，比如將時(shí)間比例設(shè)為1 : 1；當(dāng)路況很好的時(shí)候，可以將時(shí)間比例設(shè)置為5: 1，甚至更高。

對于Periodic traffc業(yè)務(wù)，V-UE在Periodic traffc時(shí)間內(nèi)根據(jù)調(diào)度信息在規(guī)定的資源位置進(jìn)行Periodic traffc數(shù)據(jù)傳輸。

對于Event-triggered traffc業(yè)務(wù)，由于其可靠性和時(shí)延要求較高，所以做出以下設(shè)計(jì)：V-UE先在每個(gè)TTI開始的一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行信道檢測，可以設(shè)置為34 μs。如果檢測結(jié)果是閑，則在此TTI進(jìn)行Event-triggered traffc傳輸；如果檢測到忙，則等到下一個(gè)TTI再開始進(jìn)行重新檢測，直到檢測到空閑時(shí)的TTI再進(jìn)行Event-triggered traffc傳輸。在Event-triggered traffc時(shí)間傳輸?shù)腅venttriggered traffc即包括SA信息也包括數(shù)據(jù)信息。

圖4是整個(gè)資源分配過程的流程圖。Event-triggered traffc的時(shí)候其實(shí)沒有判斷哪些TTI是Event-triggered traffc時(shí)間，而是在每個(gè)TTI開始的前34 μs進(jìn)行CCA檢測，判斷信道是否空閑。如果是信道忙，說明很可能是在Periodic traffc時(shí)間，因?yàn)镻eriodic traffc的資源分配的時(shí)候避開了Event-triggered traffc時(shí)間，所以如果檢測到信道閑，信道情況會比較好，保證了Event-triggered traffc的信道質(zhì)量，并且用這種方式也保證了Eventtriggered traffc的低時(shí)延要求。

圖4 資源分配流程圖

2.2 信道競爭模型設(shè)計(jì)

在非授權(quán)頻段上，有很多關(guān)于信道競爭機(jī)制的設(shè)計(jì)，比如WiFi、LAA[6]。本文根據(jù)V2V信道的特征，設(shè)計(jì)出一個(gè)適合本方案的可用于授權(quán)頻段的信道競爭機(jī)制。

在LAA中，退避時(shí)期的信道檢測（ECCA）時(shí)長為9 μs[7-8]，在本次的信道競爭模型中，信道檢測的時(shí)隙（slot）也規(guī)定為9 μs。這樣，在一個(gè)TTI中就有111個(gè)時(shí)隙。

如圖5所示，每個(gè)有Periodic traffc需求的V-UE都會在信道競爭時(shí)間內(nèi)進(jìn)行信道檢測，檢測的規(guī)則如下：

（1）設(shè)置一個(gè)開始檢測時(shí)間窗口（圖5選擇前50個(gè)slot為窗口大?。?。在此窗口內(nèi)，隨機(jī)選擇一個(gè)slot作為檢測的起始點(diǎn)。

（2）每個(gè)slot，V-UE都會在全頻段按RB所在頻段進(jìn)行檢測。也就是以180k為單位進(jìn)行檢測。檢測的方式和LAA中的ECCA相同[7]。

（3）在每個(gè)slot檢測完后，由于V-UE的單載波，所以根據(jù)全頻段檢測的情況，選擇連續(xù)空閑單位最多的那個(gè)頻段作為符合條件的頻段并進(jìn)行占用，占用的方式是在此頻段發(fā)射信號（已占用的頻段不需檢測，算作空閑）。

（4）如果發(fā)現(xiàn)符合條件的頻段和已占用的頻段大小一樣，則不切換發(fā)射頻段。如果發(fā)現(xiàn)比已占用的頻段大，則切換發(fā)射頻段。

（5）如果符合條件的頻段多于一個(gè)，其中有一個(gè)包含已占用頻段，則占用此頻段；如果符合條件的頻段都沒有包含已占用頻段，則從中隨機(jī)選擇一個(gè)頻段進(jìn)行占用。

圖5 信道競爭機(jī)制示意圖

2.3 資源映射關(guān)系設(shè)計(jì)

經(jīng)過信道競爭后，每個(gè)有Periodic traffc業(yè)務(wù)的V-UE會得到自己占用頻段，以全頻段帶寬為20 MHz為例，參與競爭的頻段按RB可分為100個(gè)。UE根據(jù)自己所這用的頻段在100個(gè)RB中的位置，映射到后面100內(nèi)屬于Periodic traffc的資源上，并且在1 s內(nèi)重復(fù)使用，如圖3所示。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1仿真平臺搭建

為了研究本文設(shè)計(jì)的資源分配機(jī)制性能，將該機(jī)制引入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)不需基站的實(shí)時(shí)調(diào)度，而是基于信道競爭來進(jìn)行對資源池內(nèi)的資源分配，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)資源分配的車車通信系統(tǒng)級仿真平臺。由于本次仿真基于LAA系統(tǒng)的CCA信道檢測，所以參數(shù)配置必須參考LAA仿真系統(tǒng)的參數(shù)配置，特別是CCA檢測的門限配置等參數(shù)，即參考3GPP研究報(bào)告TR36.889的仿真參數(shù)[9]。同時(shí)，由于是車車通信，所以必須也要按照V2X的仿真要求，例如信道建模，信道衰落以及移動模型等，所以也要參考3GPP研究報(bào)告TR36.885的仿真假設(shè)[2]進(jìn)行系統(tǒng)級仿真平臺搭建。

表1 系統(tǒng)級平臺仿真參數(shù)

仿真平臺的模塊包括參數(shù)初始化、網(wǎng)絡(luò)生成、路損計(jì)算、快衰模型生成、車輛移動模型、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收及性能結(jié)果輸出等。本平臺采用時(shí)間驅(qū)動的動態(tài)仿真機(jī)制，在競爭時(shí)間內(nèi)按照時(shí)間片工作（9 μs），更新信道檢測結(jié)果；在其他時(shí)間則按照時(shí)隙工作，計(jì)算接收成功或失敗。

本文以成功接收率（Packet Receive Ratio, PRR）作為性能指標(biāo)比較傳統(tǒng)D2D資源分配方式和本文設(shè)計(jì)的資源分配機(jī)制中Periodic traffc的性能。由圖3可以看到，Event-triggered traffc的信道和Periodic traffc的信道是獨(dú)立的，且Event-triggered traffc數(shù)據(jù)檢測到空間即發(fā)送，由于Event-triggered traffc傳輸?shù)氖且恍┚o急業(yè)務(wù)，到包率不可能很高，資源碰撞的不會很高，信道質(zhì)量一般優(yōu)于Periodic traffc。所以本文將Periodic traffc的信道狀態(tài)與傳統(tǒng)資源分配進(jìn)行比較，將Periodic traffc和Event-triggered traffc時(shí)間比例設(shè)為1 : 0，即沒有Eventtriggered traffc時(shí)間。

為了研究不同擁擠程度對機(jī)制新能的影響，根據(jù)TR36.885的仿真假設(shè)，對15km/h的場景，平均車間距為10.41m。于是分別設(shè)置了4m，10m，20m三種不同的平均車距來研究車輛密度，分別代表車輛密集、中等、稀疏場景，所對應(yīng)的車速分別是6km/h，15km/h，30km/h。另外，由于Periodic traffc的數(shù)據(jù)一般是周期性產(chǎn)生，如位置信息、導(dǎo)航信息等，所以本文采用在每個(gè)競爭時(shí)間內(nèi)，所有V-UE都會參與競爭，并且在每個(gè)Periodic traffc周期內(nèi)發(fā)送一個(gè)消息，一個(gè)消息占用連續(xù)的4個(gè)子幀（即4）。

3.2 仿真結(jié)果及分析

本文首先做了在密集場景的仿真。圖6是某一個(gè)周期內(nèi)，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的V-UE以傳統(tǒng)D2D的資源分配方式所使用資源的整體情況，圖7是在同樣的周期和區(qū)域內(nèi)的V-UE以本文設(shè)計(jì)的分配機(jī)制所使用資源的整體情況。

從圖6可以看出，由于使用D2D的分配方式， V-UE在一個(gè)data池的周期內(nèi)隨機(jī)選擇4個(gè)子幀，在整個(gè)周期內(nèi)的子幀使用次數(shù)的方差很大，超過5個(gè)V-UE同時(shí)使用的子幀數(shù)明顯較多，而有些子幀甚至沒有V-UE使用。從圖7可以看出，通過前期的資源競爭，同樣是沒有基站調(diào)度的情況下，V-UE選擇的資源池中的子幀情況明顯更加均勻，絕大部分子幀有3個(gè)V-UE同時(shí)使用，而且沒有任何子幀未被使用到。

圖6 密集場景下傳統(tǒng)D2D分配方案資源使用情況抽樣

圖7 密集場景下新分配機(jī)制資源使用情況抽樣

此外，因?yàn)槭褂昧诵诺栏偁?，圖7中使用相同子幀的UE之間干擾會相對較小，更加有利于降低干擾。

圖8是密集、中等和稀疏場景下，使用D2D分配方式和新分配機(jī)制對整個(gè)系統(tǒng)的PRR性能的影響。

圖8 不同車輛密度和資源分配機(jī)制的成功接收率

從圖中可以看出，在密集場景中，本機(jī)制的傳輸成功率明顯高于傳統(tǒng)D2D資源分配方案。而在相對稀疏的場景中，由于V-UE資源碰撞情況相對減少，傳輸成功率明顯提高，所以本機(jī)制對于傳統(tǒng)方案的傳輸成功率的優(yōu)勢相對減弱，但增益仍然顯著。所以本機(jī)制能夠減少車車通信中Periodic traffc的資源碰撞，從而提高其傳輸可靠性等性能。

4 結(jié)束語

本文基于3GPP的Release14提出的V2V技術(shù)的資源分配的問題，提出了一種不需基站實(shí)時(shí)調(diào)度，車輛通過信道競爭在資源池中選擇資源占用，并盡可能減少與周圍車輛資源碰撞的資源分配機(jī)制。并依據(jù)3GPP的研究報(bào)告TR36.885的仿真假設(shè)和要求，搭建MATLAB環(huán)境的系統(tǒng)級仿真平臺，并按照關(guān)于TR36.889的仿真要求實(shí)現(xiàn)信道競爭。通過對比傳統(tǒng)方案和本文提出的分配機(jī)制的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了在不同車輛密度下，該機(jī)制的提高系統(tǒng)整體的可靠性，對V2V通信的標(biāo)準(zhǔn)化研究具有較大的意義。

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