謝于晨

（江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院,江西 南昌 330200）

車聯(lián)網(wǎng)是移動通信網(wǎng)絡(luò)的研究熱點。在當(dāng)前5G環(huán)境下，車聯(lián)網(wǎng)面臨巨大的考驗，如海量接入需求、服務(wù)質(zhì)量的高要求、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾实取?/p>

隨著車輛數(shù)量增加及自動駕駛的發(fā)展，5G車聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求越來越多樣，其整體需求可概括為兩個方面：一是與交通安全相關(guān)的業(yè)務(wù)，即安全類業(yè)務(wù)[1]，該類業(yè)務(wù)主要涉及汽車行駛過程中可能遇到的安全問題，其優(yōu)先級別是最高的；二是與交通安全不相干的其他業(yè)務(wù)[2]，如交通效率類、娛樂生活類業(yè)務(wù)等，前一種需求的安全級別高于娛樂生活業(yè)務(wù)，但低于安全相關(guān)業(yè)務(wù)。為提高5G車聯(lián)網(wǎng)的整體信道傳輸速率，本文將根據(jù)三種不同類型的業(yè)務(wù)進行分級分片處理，以實現(xiàn)信道資源的自適應(yīng)分配。

1 5G車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

根據(jù)前面三種業(yè)務(wù)需求，研究中提出了一種側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)接入及資源管理方面的車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 5G車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

從圖1可以看到，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括四層，即應(yīng)用層、控制層、處理層、終端層?？刂茖佑扇舾珊昊荆∕BS）組成，主要完成資源分配、切片處理等工作；處理層由小基站（SBS）組成，主要完成數(shù)據(jù)處理等工作；應(yīng)用層完成三類業(yè)務(wù)的需求處理；終端層完成數(shù)據(jù)采集工作。

2 信道資源分配策略分析

2.1 問題分析

以高傳輸速率為目標(biāo)，在進行資源分配時，先要明確問題所在。從前面構(gòu)建的5G車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以看到，5G車聯(lián)網(wǎng)中有1個宏基站MBS和N個小基站SBS。在研究過程中，主要考慮處理層的資源分配。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的三類業(yè)務(wù)需求，研究中使用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)[3]將處理層分為三個切片，并以m∈｛1,2,3｝分別表示安全業(yè)務(wù)傳輸（車-車通信，V2V）、交通效率業(yè)務(wù)傳輸（車-基礎(chǔ)設(shè)施通信）和娛樂業(yè)務(wù)傳輸（車-基礎(chǔ)設(shè)施通信）。

假定車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中總用戶數(shù)量為I，系統(tǒng)帶寬分為J個資源塊（PRB），每個PRB帶寬為B，小基站N個，每個小基站都是單天線配置，且每個小基站的最大發(fā)射功率為Pn。同時，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)信道為衰落信道，其信道增益為載波分配因子，其值為1時表示載波已分配給當(dāng)前用戶，否則表示不分配當(dāng)前用戶。切片1為全雙工通信，考慮上下行雙向鏈路，切片2和切片3中為半雙工通信，只需考慮下行單向鏈路。

2.2 系統(tǒng)傳輸速率分析

在切片1（V2V通信）中，相鄰車輛使用端到端的直通方式傳輸，且采用SCMA編碼機制來相互發(fā)送安全業(yè)務(wù)消息，即切片1為SCMA與全雙工通信結(jié)合。根據(jù)SCMA機制及信道容量的定義可以得到切片1的速率為

切片2為交通效率業(yè)務(wù)，采用傳統(tǒng)OFDMA接入機制[4]，則有其速率為

切片3為娛樂相關(guān)業(yè)務(wù)，同樣采用OFDMA機制，則其速率為

研究中以提高系統(tǒng)的總速率為目標(biāo)，由前面可得到系統(tǒng)總傳輸速率為

為獲得盡可能大的傳輸速率，可以通過求解V最大值，以得到最優(yōu)的資源分配策略。接下來求解上式的最大值。

為便于簡化目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化求解，同時又能提高系統(tǒng)性能，這里引入一個常量F來解決非安全業(yè)務(wù)中收發(fā)雙方間的同頻干擾問題，即用F替換，則有

最后采用拉格朗日對偶下的迭代算法對系統(tǒng)的總傳輸速率V求解得到最優(yōu)分配方案。

2.3 拉格朗日求解

為求上式最優(yōu)解，這里首先寫出它的拉格朗日函數(shù)，表示如下：

其中，μn和αj分別為單基站總功率約束的拉格朗日乘子、資源塊總功率約束的拉格朗日乘子；βn,j和λn,i分別為PRB中用戶數(shù)量約束及SCMA編碼時碼本和有關(guān)的乘子向量；γ1,i和γ2,i為優(yōu)先級調(diào)節(jié)參數(shù)；ωn為資源塊速率約束的拉格朗日乘子；θn.j為非安全類業(yè)務(wù)正交性約束的乘子向量；σi為同頻干擾約束相關(guān)的乘子。

1）問題分解。將問題分解為2個部分：先固定拉格朗日乘子，求出最大值；再利用梯度法改變拉格朗日乘子，依次求出拉格朗日乘子時所有最大值的最小值，用公式表示即為

同時使用對偶分解，將上式分解為與拉格朗日乘子相關(guān)的子問題。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真環(huán)境搭建

為驗證策略的有效性，根據(jù)前面提出的資源分配策略要求，以MATLAB為平臺搭建如下的仿真測試環(huán)境：假定該測試場景中用戶數(shù)有12個；信道模型為瑞利衰減信道，衰減因子為2，噪聲功率設(shè)置為–131 dB；子載波的帶寬為19.5 kHz；小基站（SBS）數(shù)量為1～6個，其功率閾值為4 W；資源塊（PRB）數(shù)為1～6個，其功率閾值為0.8 W。

3.2 仿真及結(jié)果分析

本次仿真測試將從三個方面進行，即干擾溫度對系統(tǒng)性能的影響、不同接入策略下的性能比較以及不同算法處理下性能的比較。

（1）驗證在多用戶環(huán)境下干擾溫度常量F與資源塊對系統(tǒng)總速率的影響。假定干擾溫度F分別為0.1、0.3、0.6、0.8、1，經(jīng)過仿真得到如圖2所示結(jié)果。

圖2 干擾溫度F與資源塊變化時對系統(tǒng)總速率的影響

在圖2中，從縱向看，PRB數(shù)相同時，干擾溫度越大，系統(tǒng)總傳輸速率越小；從橫向看，干擾溫度F一定時，資源塊數(shù)量增加，則系統(tǒng)總速率將隨之增加，資源塊數(shù)少時增加幅度大，當(dāng)資源塊數(shù)一定時，系統(tǒng)總傳輸速率會隨著干擾溫度的增加而下降，說明干擾溫度對系統(tǒng)總速率有抑制作用，故而可以得到干擾溫度對系統(tǒng)總體性能產(chǎn)生抑制性的影響。

（2）各種通信機制的性能比較。課題研究中所提的車聯(lián)網(wǎng)中，切片1的車-車通信采用SCMA接入機制結(jié)合全雙工傳輸方式。為了驗證本研究提出的通信機制的性能是否優(yōu)于傳統(tǒng)機制，這里將其與半雙工下的SCMA接入、半雙工下的OFDMA接入兩種方案進行仿真比較。本次比較將從資源塊（PRB）數(shù)變化的角度去觀察，如圖3所示。

圖3 PRB變化時三種技術(shù)方案性能比較

從圖3可以得到，資源塊數(shù)上升，三種方案的系統(tǒng)總速率都有所增長，但是本研究所提的“SCMA＋全雙工技術(shù)”方案系統(tǒng)總速率總是優(yōu)于其他兩種方案，從而可以得出結(jié)論：5G車聯(lián)網(wǎng)中采用SCMA+全雙工技術(shù)，其對系統(tǒng)總速率的影響要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方案。

（3）不同策略的性能比較。這部分將所提出的拉格朗日對偶處理的資源分配策略與載波隨機分策略、功率平均分配策略進行了比較，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種算法下資源塊變化時對總速率的比較

通過觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，不同分配策略下系統(tǒng)總速率都會隨著資源塊PRB的增加而增加，但PRB數(shù)目相同時，本研究所提的拉格朗日對偶算法策略系統(tǒng)總速率要大于載波隨機分配和功率平均分配策略，即基于拉格朗日對偶的分配策略在提高系統(tǒng)總傳輸速率方面要優(yōu)于其他兩種處理方案。

本次仿真過程都是以系統(tǒng)的總速率為目標(biāo)，分別從不同方面對研究所提方案與傳統(tǒng)方案做了對比。通過比較分析可以看出，研究所提基于拉格朗日對偶的SCMA+全雙工方案在提高系統(tǒng)速率上效果是顯而易見的，也就說明其對提高系統(tǒng)性能是有一定優(yōu)勢的。

4 結(jié)語

隨著5G的廣泛應(yīng)用，5G+車聯(lián)網(wǎng)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文搭建了5G車聯(lián)網(wǎng)下的組網(wǎng)模型，以網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、SCMA與OFDMA相結(jié)合的接入技術(shù)為核心，以優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸速率為出發(fā)點，提出了一種5G環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)信道資源分配策略，并從不同方面給出仿真結(jié)果，通過分析可以得出，本策略對于系統(tǒng)資源能做到合理化分配，對系統(tǒng)傳輸速率的提升有一定作用。5G車聯(lián)網(wǎng)除了高速率需求外，還有眾多需求有待解決，為此，5G新技術(shù)將給車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來更進一步的飛躍。