張晨璐 李佳林 姜 煒 劉是梟

1(重慶郵電大學(xué) 重慶 400065) 2(維沃移動(dòng)通信有限公司 廣東 深圳 518049)

0 引 言

隨著合作和自主駕駛需求的增加，車載網(wǎng)絡(luò)的無線通信將發(fā)揮關(guān)鍵作用[1]。V2X作為5G未來智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，以低時(shí)延傳輸大數(shù)據(jù)、保障車輛之間通信的可靠性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注。近年來，人們開展了多項(xiàng)研究活動(dòng)，利用V2X通信功能，擴(kuò)大自動(dòng)駕駛汽車的識(shí)別范圍，從而使自動(dòng)駕駛更加安全、自然[2]。車輛在傳輸安全預(yù)警信息或其他多媒體業(yè)務(wù)時(shí)需要大量的頻譜資源，但頻譜資源是有限的，如何合理分配這些資源是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[3]提出了基于端到端(Device-to-Device，D2D)技術(shù)，充分考慮車聯(lián)網(wǎng)以及蜂窩網(wǎng)中信道受到的小尺度衰落對(duì)資源分配的影響，以蜂窩系統(tǒng)容量為目標(biāo)，將資源分配轉(zhuǎn)化成最優(yōu)化問題，利用二分圖最大匹配算法中的Hungarian算法進(jìn)行最佳資源分配；文獻(xiàn)[4]提出了基于流量模式和馬爾可夫決策過程(MDP)的語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募伤惴ǖ馁Y源分配方案；文獻(xiàn)[5]提出了一種基于穩(wěn)定匹配理論的改進(jìn)型交換匹配算法來分配資源;文獻(xiàn)[6-7]認(rèn)為L(zhǎng)TE-V2X的基于感知技術(shù)(mode-4)的資源分配方式可延用于無基站覆蓋下5G-V2X周期業(yè)務(wù)；文獻(xiàn)[8]為了減少D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的資源塊復(fù)用干擾，提出了一種最小干擾的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)雙跳D2D通信資源分配方法。

現(xiàn)有的大多數(shù)算法的重點(diǎn)為基站覆蓋下最小化總體傳輸功率或最大化數(shù)據(jù)速率以滿足QoS要求，對(duì)于資源碰撞和干擾方面未能提供一個(gè)較好的解決方案，且當(dāng)前學(xué)者對(duì)于無基站覆蓋情況下的資源分配研究較少。3GPP協(xié)議中雖規(guī)定了對(duì)于LTE-V2X無基站覆蓋下的用戶可采用自主資源選擇[9]，但隨著V2X技術(shù)與需求的不斷更新與演進(jìn)，LTE-V2X的資源分配方式并不適用于3GPP R15中定義的有關(guān)增強(qiáng)型V2X的業(yè)務(wù)模型以及時(shí)延要求，3GPP對(duì)于無基站覆蓋下的V2X的資源分配方式仍在討論中。

為了適應(yīng)3GPP R15下的V2X資源分配問題，并滿足低時(shí)延高可靠性的要求，本文提出一種在無基站覆蓋條件下基于車輛分簇的資源分配方式。對(duì)場(chǎng)景中所有車輛進(jìn)行分簇，根據(jù)車簇之間的相對(duì)位置進(jìn)行分組，在資源池中對(duì)不同組劃分不同的專屬資源，不同組之間的專屬資源進(jìn)行兩兩正交。每個(gè)簇中選擇一輛車為“頭車”，資源的調(diào)度決策者和協(xié)調(diào)者由簇內(nèi)“頭車”擔(dān)任。由于簇頭能夠?qū)崟r(shí)知曉簇成員的調(diào)度請(qǐng)求，其對(duì)簇成員內(nèi)一切信息有宏觀把控，因此能夠進(jìn)行合理的資源分配。此外，基于地理位置和行駛方向的分簇與資源劃分，在用戶數(shù)量較少時(shí)能夠從時(shí)隙上避免嚴(yán)重的碰撞問題；在用戶數(shù)量較多時(shí)能協(xié)調(diào)各用戶之間復(fù)用的干擾使其最小。

1 系統(tǒng)模型

本文考慮的是存在大密度V-UE用戶系統(tǒng)的無基站覆蓋場(chǎng)景，為了便于分析，以長(zhǎng)度不短于3 400 m的雙向三車道的高速公路為系統(tǒng)場(chǎng)景。V-UE在每條車道上以空間泊松點(diǎn)過程隨機(jī)生成,每個(gè)V-UE在自身最大通信范圍內(nèi)隨機(jī)選擇另一個(gè)V-UE為接收端，成為V2V對(duì)。場(chǎng)景中所有V-UE共享同一資源池，多用戶的資源分配考慮資源的復(fù)用，資源傳輸粒度在時(shí)域上為一個(gè)時(shí)隙(slot)或1 ms，頻域上為100個(gè)RB(Resource Block)，資源分配機(jī)制僅考慮時(shí)域上傳輸時(shí)隙的選擇，頻域上為一段連續(xù)的滿足承載數(shù)據(jù)需求的N個(gè)RB。

隨著V-UE數(shù)量的增多，在缺少基站對(duì)于整個(gè)資源占用信息的宏觀控制的情況下，過多的V-UE使用自主資源選擇則會(huì)造成大量的資源碰撞問題。由于頻譜資源的有限性和最大傳輸時(shí)延的限制，必會(huì)進(jìn)行資源的復(fù)用，則可能在同一個(gè)時(shí)刻多個(gè)V-UE會(huì)復(fù)用干擾較強(qiáng)的資源，導(dǎo)致接收機(jī)接收不成功而丟包，且V-UE的工作模式是半雙工的，不可能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，對(duì)于某些重要的SCI(Sidelink Control Information)信息監(jiān)聽不足，導(dǎo)致自主資源選擇時(shí)的錯(cuò)誤判斷。UE自主資源選擇示意圖如圖1所示。

2 基于車輛分簇的資源分配機(jī)制

為了解決上述問題，本文提出一種基于車輛分簇的資源分配方式。對(duì)場(chǎng)景中所有車輛進(jìn)行分簇，簇內(nèi)選擇一個(gè)合適的V-UE作為頭車來進(jìn)行對(duì)簇內(nèi)成員的資源分配，由于調(diào)度信息以及調(diào)度資源都會(huì)經(jīng)由簇頭發(fā)出，所有簇頭不用感知簇內(nèi)成員的SA信息即可知道簇成員的資源占用情況，進(jìn)而降低了SA感知失敗的概率。若接收V-UE與發(fā)射V-UE屬于同一簇的話，每次傳輸時(shí)，接收V-UE首先對(duì)自身無線環(huán)境進(jìn)行測(cè)量并匯報(bào)給頭車，讓頭車基于接收V-UE的干擾情況進(jìn)行資源協(xié)調(diào)。能否成為頭車取決于V-UE能力，本文假設(shè)在場(chǎng)景中所有V-UE都有能力成為頭車且遵循自愿原則，即頭車的選取是在簇中隨機(jī)的。詳細(xì)的分簇規(guī)則和資源分配機(jī)制如下：

1) 車輛分簇。如圖2所示，以場(chǎng)景中最左邊的車輛作為起始點(diǎn)，最右邊的車輛為終點(diǎn)，從起點(diǎn)開始每隔600 m確定一個(gè)范圍，直到這個(gè)范圍超過終點(diǎn)。在每個(gè)范圍的中心位置設(shè)置一個(gè)虛擬站點(diǎn)，每輛車根據(jù)自己的與各虛擬站點(diǎn)的歐氏距離選擇接入距離最近的虛擬站點(diǎn)，將同一個(gè)行駛方向上且屬于同一個(gè)虛擬站點(diǎn)下的車輛分至同一簇。

圖2 車輛分簇

假設(shè)場(chǎng)景中有X輛車，M代表車簇，車簇?cái)?shù)量為C，M={m1,m2,…,mC}，每個(gè)車簇的車的數(shù)量為X=xm1+xm2+…+xmc。

2) 資源池劃分與分配。將車簇根據(jù)地理位置歸為兩個(gè)車組，設(shè)為G1、G2：

(1)

式中：index為車簇索引，n=1,2,…,C。對(duì)車輛分簇下組成的兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行資源池配置和資源的分配需要如下四個(gè)步驟：

(1) 初始化分配。場(chǎng)景下車輛分組完成，對(duì)兩個(gè)車組進(jìn)行資源池初始化配置。分配方法為根據(jù)兩個(gè)組內(nèi)所含的車輛數(shù)，在初始的資源選擇窗中按比例劃分專屬資源，并以該初始資源選擇窗的分配結(jié)果以資源選擇窗大小為周期進(jìn)行周期循環(huán)。

Nsw=max(transmission-delay)

(2)

資源選擇窗中各組資源確定后，對(duì)屬于G1和G2的時(shí)隙資源在時(shí)域上進(jìn)行兩兩正交。由于本文V-UE以空間泊松點(diǎn)過程進(jìn)行撒點(diǎn)且V-UE數(shù)量較多，兩個(gè)車組內(nèi)所含UE數(shù)量差距不大，進(jìn)而在資源選擇窗中分得的資源數(shù)量差距在1上下。為了保證時(shí)延的公平性(時(shí)域資源越靠后時(shí)延越大)，采用時(shí)域交叉的方式進(jìn)行資源劃分，如圖3所示。

圖3 資源劃分

圖3展示了初始化分配的時(shí)域模型，車簇下的兩個(gè)組進(jìn)行初始資源配置后，在當(dāng)前TTI下，不同車組下的車輛有業(yè)務(wù)包到達(dá)，在資源選擇時(shí)，不同車組下的車輛只能選擇那些屬于該車組的資源。

(2) 資源占用請(qǐng)求上報(bào)。車組以及不同車組的專屬資源劃分完成后，各車組里面的各車簇成員有數(shù)據(jù)需要發(fā)送需要資源占用時(shí)首先得向自己所在車簇的頭UE進(jìn)行上報(bào)，上報(bào)內(nèi)容包含簇成員自身ID、歷史干擾功率(Interference power，I-PR)。每個(gè)頭UE需要維護(hù)資源請(qǐng)求表格，對(duì)資源請(qǐng)求列表及相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，如表1所示。

表1 資源請(qǐng)求列表及上報(bào)信息

同一車組下不同車簇之間進(jìn)行信息交互，即車組1或2下的所有車簇之間交互自身簇成員在當(dāng)前時(shí)刻資源占用請(qǐng)求及相應(yīng)信息，交互后每個(gè)頭UE都有同組下所有請(qǐng)求資源的UE信息。

(3) 資源分類與選擇。根據(jù)步驟(1)中的初始資源選擇窗的分配結(jié)果，以初始資源選擇窗大小為周期對(duì)往后的資源進(jìn)行不同車組下的專屬資源分類，如圖4所示。

圖4 分組資源劃分

不同車組的專屬資源劃分完成后，由于非周期下包的到達(dá)時(shí)刻是不可估計(jì)的，頭UE無法根據(jù)歷史的一段干擾情況預(yù)測(cè)當(dāng)前或未來一段時(shí)隙資源上的干擾情況，所以我們針對(duì)不同業(yè)務(wù)模型(周期與非周期)，提出了不同的資源分配機(jī)制。

① 周期業(yè)務(wù)。若當(dāng)前每個(gè)車組內(nèi)請(qǐng)求資源占用資源的UE數(shù)量不大于資源選擇窗中的不同車組的專屬資源數(shù)量，則每個(gè)車組中的每個(gè)車簇內(nèi)頭UE在進(jìn)行資源分配時(shí)，將同簇成員之間采用時(shí)域正交的方式分配在不同的時(shí)隙資源上傳輸數(shù)據(jù)，而不同簇成員之間可以復(fù)用在同一時(shí)隙資源。若需求占用資源的成員數(shù)量大于資源選擇窗中所屬該組的時(shí)隙資源數(shù)量時(shí)，則對(duì)資源選擇窗中不同車組的所屬時(shí)隙資源進(jìn)行干擾預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果與設(shè)定的閾值對(duì)比，取資源選擇窗中預(yù)測(cè)值小于該閾值的且擁有最小干擾的時(shí)隙資源進(jìn)行復(fù)用。首先頭UE根據(jù)式(3)確定資源選擇窗中所有時(shí)隙資源的干擾情況。

(3)

為了使I-PR結(jié)果更加準(zhǔn)確，進(jìn)行時(shí)隙資源I-PR計(jì)算時(shí)僅對(duì)當(dāng)前資源窗中滿足映射條件的歷史時(shí)隙才進(jìn)行計(jì)算。映射關(guān)系如下：

(4)

I-PRExcellent={slot|I-PRtotal≤threshold}slot∈I-PRtotal

(5)

resource=min(I-PExcellent)

(6)

預(yù)測(cè)的資源選擇窗中每個(gè)時(shí)隙資源的I-PR值，可能會(huì)出現(xiàn)沒有滿足閾值要求的時(shí)隙資源，此時(shí)，可以3 dBm為步長(zhǎng)來增加閾值直至至少出現(xiàn)一個(gè)時(shí)隙資源滿足低于閾值要求。為了避免存在強(qiáng)干擾資源導(dǎo)致門限值無限制調(diào)整進(jìn)而將強(qiáng)干擾資源標(biāo)記為滿足要求的時(shí)隙資源，因此本文將門限值限定在一個(gè)區(qū)間之內(nèi)，當(dāng)某個(gè)V-UE閾值超出這個(gè)區(qū)間就說明在當(dāng)前資源選擇窗中該V-UE的專屬資源里沒有可以復(fù)用的資源了，就算復(fù)用也會(huì)導(dǎo)致自身丟包甚至影響其他V-UE。此時(shí)該V-UE的頭UE則在當(dāng)前資源選擇窗中的非所屬該V-UE專用資源中隨機(jī)選擇一個(gè)分配給該V-UE(例如：車組1中車輛使用車組2的時(shí)隙資源)。

Step1初始化復(fù)用閾值為Reuse-threshold=0。

Step2初始化沖突次數(shù)conflict-num=0。

Step3對(duì)資源選擇窗中每個(gè)時(shí)隙資源進(jìn)行遍歷，同簇下沖突干擾判決：

form=1:length(UE-IDn)

conflict-num=conflict-num+1

end

end

end

end

Step4根據(jù)沖突干擾判斷結(jié)果進(jìn)行資源選擇或更改復(fù)用閾值繼續(xù)判決：

增加復(fù)用閾值：

Reuse-threshold=Reuse-threshold+1

并重新執(zhí)行Step1-Step4

esle

end

(4) 半雙工問題避免。由于非周期業(yè)務(wù)下的資源選擇機(jī)制的Step3中已經(jīng)存在對(duì)半雙工問題的解決方案，所以此處不再繼續(xù)闡述。這里主要針對(duì)周期業(yè)務(wù)下的半雙工問題提出解決方案。在完成當(dāng)前資源占用請(qǐng)求V-UE的時(shí)隙資源分配之后，頭UE檢索自身資源請(qǐng)求列表中TX的RX-ID，經(jīng)過一系列判決決定是否執(zhí)行式(7)-式(8)，詳細(xì)流程如圖5所示。

(7)

(8)

圖5 解決車輛半雙工問題流程

3 仿真分析

對(duì)每種業(yè)務(wù)下的資源分配方式進(jìn)行多次仿真，對(duì)仿真結(jié)果取統(tǒng)計(jì)平均值避免結(jié)果的偶然性，詳細(xì)的仿真參數(shù)假設(shè)見表2。

表2 仿真假設(shè)

對(duì)單播-周期業(yè)務(wù)的平均PRR評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6所示，單播-周期業(yè)務(wù)的平均PIR評(píng)估結(jié)果如圖7所示，單播-非周期業(yè)務(wù)的平均PRR評(píng)價(jià)結(jié)果如圖8所示，單播-非周期業(yè)務(wù)的平均PIR評(píng)估結(jié)果如圖9所示。

圖6 周期業(yè)務(wù)-平均PRR

圖7 周期業(yè)務(wù)-平均PIR

圖8 非周期業(yè)務(wù)-平均PRR

圖9 非周期業(yè)務(wù)-平均PIR

由圖6可見，在10 ms的傳輸時(shí)延和較低的6 ms傳輸時(shí)延中，本文機(jī)制在平均PRR方面比mode-4機(jī)制表現(xiàn)更優(yōu)，其原因在于將資源池劃分為兩個(gè)專屬資源池，將互相之間距離較遠(yuǎn)的車簇規(guī)定共用同一專屬資源。該種資源池劃分方式本身就將存在距離較近的干擾概率進(jìn)行了降低處理，再者以頭車分配資源的特性減少了SA感知的失敗概率，便能夠更加準(zhǔn)確知曉V-UE占用和被預(yù)留的時(shí)隙資源，進(jìn)而在歷史的干擾測(cè)量中獲得較為準(zhǔn)確的干擾值，在采取資源復(fù)用時(shí)將干擾較小的資源進(jìn)行復(fù)用。另外在mode-4機(jī)制中某些半雙工問題的V-UE不能將數(shù)據(jù)包傳出，且又由于是周期性的業(yè)務(wù)，則造成一個(gè)包都未能傳輸成功，一旦超過傳輸最大時(shí)延時(shí)就會(huì)造成丟包。這種情況車簇調(diào)度機(jī)制很好地避免了半雙工問題，對(duì)收包率的提升也有一定幫助作用。

由圖7可見，在平均PIR方面，同樣在10 ms時(shí)延和6 ms時(shí)延，車簇的資源分配方式的性能要好于mode-4。分析原因是由于平均PIR統(tǒng)計(jì)的為每個(gè)V-UE在仿真中所有成功接收的包之間的時(shí)間間隔，則每個(gè)UE至少有兩個(gè)包要傳輸成功才能參與統(tǒng)計(jì)，從平均PRR的情況可以得知，車簇機(jī)制比mode-4機(jī)制收包率整體要高不少。所以收包率提升了，前后包接收時(shí)間間隔也會(huì)降低，那么在平均PIR的方面本文機(jī)制仍有所優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)的是系統(tǒng)的時(shí)延容忍，說明本文機(jī)制較mode-4更能體現(xiàn)低時(shí)延特性。

由圖8可見，在非周期業(yè)務(wù)中，由于在20 ms的較寬裕的傳輸時(shí)延當(dāng)中，V-UE總能找到合適的資源進(jìn)行傳輸，本文機(jī)制相較隨機(jī)選擇在接收機(jī)處于較近的位置時(shí)平均PRR差異不是特別明顯，但隨著接收機(jī)距離越來越遠(yuǎn)，隨機(jī)資源選擇的性能逐漸劣于本文。其原因在于在中遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，由于受大尺度衰落的影響，本身信號(hào)質(zhì)量已經(jīng)不好，若此時(shí)接收機(jī)周圍存在強(qiáng)干擾的話，則會(huì)導(dǎo)致接收端接收失敗，而本文提出的車簇資源分配能夠避免盡量避免這種強(qiáng)干擾。在10 ms較低傳輸時(shí)延要求中，每個(gè)V-UE必須在較短的時(shí)間里找到資源傳輸，而每個(gè)TTI的多個(gè)V-UE要傳輸數(shù)據(jù)包，則會(huì)造成大量的資源碰撞，復(fù)用的資源會(huì)有較強(qiáng)的干擾，本文機(jī)制較隨機(jī)資源選擇有所增益，其原因仍然是針對(duì)資源池對(duì)不同車組的專屬資源劃分減少了近距離的發(fā)射V-UE之間干擾的出現(xiàn)和頭UE對(duì)當(dāng)前資源請(qǐng)求情況對(duì)接收端存在影響的TX-VUE分不同時(shí)隙發(fā)包，并且對(duì)V2V通信中半雙工導(dǎo)致的問題進(jìn)行適當(dāng)處理。

圖9為本文機(jī)制與隨機(jī)資源分配在平均PIR下的性能對(duì)比，隨機(jī)分配比本文機(jī)制在20 ms的較寬裕的傳輸時(shí)延中性能較好。分析原因是：本文機(jī)制目的為尋找碰撞較少和干擾較小的資源，由于資源選擇窗為時(shí)間滑窗，每次滑窗會(huì)在資源選擇窗末尾出現(xiàn)空載的時(shí)隙資源，那么會(huì)優(yōu)先選擇空載的時(shí)隙資源傳輸，為了保證傳輸?shù)目煽啃远鵂奚藭r(shí)延，所以平均PIR比隨機(jī)分配較差。隨著傳輸時(shí)延的降低，在傳輸時(shí)延10 ms的情況下本文機(jī)制較隨機(jī)分配有所增益，隨機(jī)分配由于不確定性在較低的傳輸時(shí)延情況下會(huì)造成資源的碰撞或選擇了那些干擾較強(qiáng)的資源而造成了丟包，而本文機(jī)制旨在碰撞避免和選擇干擾較小的資源，丟包的概率較小，從而平均PIR上比隨機(jī)分配有增益。關(guān)于10 ms時(shí)延下的平均PIR評(píng)估圖中隨機(jī)資源選擇與本文出現(xiàn)交點(diǎn)的原因是：非周期業(yè)務(wù)的來包時(shí)刻不固定為10+exp(10)，在對(duì)隨機(jī)資源選擇機(jī)制進(jìn)行仿真時(shí)來包時(shí)刻要普遍比車簇資源分配早，所以起點(diǎn)要比車簇低，但性能劣于車簇就出現(xiàn)了交叉。

移動(dòng)性考慮是下一個(gè)研究點(diǎn),但對(duì)于車隊(duì)場(chǎng)景來說，車隊(duì)內(nèi)車輛都是勻速運(yùn)動(dòng)，所以移動(dòng)性問題并不會(huì)對(duì)本文算法性能造成任何影響。對(duì)于其他場(chǎng)景，本文對(duì)不同算法進(jìn)行了多次仿真,每次仿真撒點(diǎn)獨(dú)立,取總的仿真結(jié)果均值進(jìn)行了算法之間性能評(píng)估,多次仿真下的多次撒點(diǎn),無疑也進(jìn)行了移動(dòng)性驗(yàn)證。本文算法為半靜態(tài)調(diào)度,在LTENR V2X中，SPS(Semi-Persistent Scheduling)周期大概為1 s，我們以一個(gè)SPS周期(1 000 ms)為仿真時(shí)長(zhǎng)對(duì)本文算法進(jìn)行評(píng)估,仿真中道路上車輛均為120 km/h即0.033 m/ms,每一次仿真下來,車輛僅移動(dòng)0.3 m。所以每次仿真中,車輛移動(dòng)的距離并不會(huì)影響車輛在本次仿真中分配資源,下一個(gè)SPS周期到來時(shí),頭車又將會(huì)根據(jù)車輛的歸屬運(yùn)用本文算法進(jìn)行資源分配。

4 結(jié) 語

本文提出了一種車輛分簇的資源分配方式。該方式根據(jù)車簇的地理位置為不同車簇劃分專屬資源，基于UE的感知技術(shù)，由原來的每個(gè)UE感知更改為每個(gè)車簇中的簇頭感知并擔(dān)任資源分配角色，這樣的好處是頭車不僅知道自身能量感知范圍內(nèi)的UE的歷史資源占用信息，且可實(shí)時(shí)知曉自己車簇中簇成員的資源占用信息。根據(jù)簇成員的實(shí)時(shí)請(qǐng)求信息，判斷出屬于該車簇中的資源池中那些干擾較強(qiáng)的資源并排除，實(shí)時(shí)地進(jìn)行資源協(xié)調(diào)，能夠很好地將互相之間干擾很強(qiáng)UE在時(shí)延允許范圍內(nèi)分不同時(shí)隙發(fā)包并解決半雙工引起的問題。通過在較高和較低的傳輸時(shí)延要求的條件根據(jù)業(yè)務(wù)模型進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果表明：本文機(jī)制隨著傳輸時(shí)延要求的減少相比LTE-V2X現(xiàn)有資源分配機(jī)制表現(xiàn)更好，既保證了V2X下的高可靠性，又達(dá)到了低時(shí)延傳輸?shù)囊蟆?/p>