（北京郵電大學(xué)無線理論與技術(shù)研究室，北京 100876）

V2V系統(tǒng)中半靜態(tài)資源分配算法的研究

顏留單，高月紅

（北京郵電大學(xué)無線理論與技術(shù)研究室，北京 100876）

本文主要研究在城鎮(zhèn)場(chǎng)景中，基于LTE的V2V通信系統(tǒng)在通信過程中的資源分配算法，搭建了系統(tǒng)級(jí)LTE-based V2V仿真平臺(tái)，對(duì)V2V系統(tǒng)資源分配算法進(jìn)行研究。同時(shí)對(duì)比動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，主要提出了基于單播、多播的半靜態(tài)調(diào)度算法。仿真結(jié)果表明，在單播和多播下的半靜態(tài)資源分配算法具有資源利用率高，系統(tǒng)吞吐量大等優(yōu)點(diǎn)。

V2V；資源分配；系統(tǒng)級(jí)仿真；半靜態(tài)調(diào)度

1 引言

中國(guó)已經(jīng)逐漸成長(zhǎng)為全球最大的汽車市場(chǎng)和全球最大的移動(dòng)互聯(lián)市場(chǎng)。越來越多的車輛以及不斷擴(kuò)大的交通網(wǎng)絡(luò)給社會(huì)生活增添了不少的便利。也給社會(huì)的發(fā)展帶來了一系列的問題，如何解決這些問題成為了當(dāng)務(wù)之急，只有通過對(duì)交通狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及對(duì)車輛自身狀況和周圍環(huán)境的不斷檢測(cè)，做到及時(shí)的調(diào)控，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)作的智能化控制，提高車輛對(duì)能源的利用率，從而減少對(duì)環(huán)境的影響?；谝陨弦?，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

由于LTE/LTE-Advanced技術(shù)具有容量大和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)廣泛采用LTE技術(shù)，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行V2V的研究具有較大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于LTE-Advanced通信系統(tǒng)，上下行速率分別為500 Mbit/s，1 Gbit/s，由于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的使用，提高了系統(tǒng)容量，改善了系統(tǒng)時(shí)延[1，2]。此外，LTE-Advanced系統(tǒng)加入了點(diǎn)到多點(diǎn)的多播服務(wù)，終端到終端（Device-to-Device，D2D）等新特性[3]，這為L(zhǎng)TE-Advanced系統(tǒng)提高頻率利用率以及為基于LTE的V2V系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)，本文在基于LTE的V2V通信系統(tǒng)上，提出了基于單播和多播的半靜態(tài)系統(tǒng)資源分配算法，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。

2 LTE-based V2V通信系統(tǒng)建模

為了滿足系統(tǒng)中盡可能多的用戶的業(yè)務(wù)需求，以及考慮不同用戶在不同業(yè)務(wù)上的服務(wù)質(zhì)量（QoS）上的區(qū)別，系統(tǒng)中的基站需要對(duì)上下行鏈路無線資源進(jìn)行調(diào)度。

限制LTE系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)量的一個(gè)重要因素是控制信息的不足，采用半靜態(tài)調(diào)度的方式可以很好地解決這一問題。在V2V系統(tǒng)下，由于V2V業(yè)務(wù)具有周期性觸發(fā)，通信數(shù)據(jù)小的特點(diǎn)，對(duì)于周期性的V2V業(yè)務(wù)周期為100 ms，數(shù)據(jù)大小最大為300 byte[4]。因此在理論上，對(duì)于V2V的數(shù)據(jù)采用半靜態(tài)調(diào)度能夠節(jié)省系統(tǒng)的信令開銷，從而能夠增加系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量[5]。在此基礎(chǔ)之上，利用V2V通信的距離限制，提出了改進(jìn)型的單播SPS調(diào)度算法。同時(shí)為了支持城鎮(zhèn)車輛密度大的場(chǎng)景，提出了基于多播的SPS調(diào)度算法。

2.1 基于位置控制的單播半靜態(tài)調(diào)度算法

在V2V系統(tǒng)中，車輛復(fù)用蜂窩網(wǎng)用戶所占有的頻譜資源從而實(shí)現(xiàn)車輛與車輛之間的直接通信?；緜?cè)調(diào)度算法首先給蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶進(jìn)行資源分配，然后再考慮V2V用戶資源復(fù)用。假設(shè)在此單小區(qū)中有M個(gè)VUE用戶， N個(gè)UE用戶，在此小區(qū)中需要發(fā)送消息的VUE（記為VUES）數(shù)量為Y（VUES，i表示Y個(gè)發(fā)送消息的VUE用戶中的第i個(gè)，i=1，2…Y），首先這Y個(gè)有V2V業(yè)務(wù)需求的VUES會(huì)在基站的輔助下將自己進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記之后自己的位置會(huì)被其他不發(fā)送消息的VUE感知，不發(fā)送數(shù)據(jù)的VUE記為VUER，會(huì)接收其他的VUES的信息，VUER個(gè)數(shù)為M-Y，（其中VUER，j表示不發(fā)送消息而接收消息VUE用戶中的第j個(gè)，j=1，2…M-Y）。此時(shí)M-Y個(gè)VUER會(huì)根據(jù)自己的位置坐標(biāo)遍歷所有的VUES，對(duì)他們之間的路徑損耗進(jìn)行估算。并且進(jìn)行排序，選取其中最強(qiáng)的鏈路，并且與之對(duì)應(yīng)的VUES建立連接。在M-Y個(gè)VUER遍歷完成以后，每個(gè)VUES都能得到一個(gè)集合{VUER}i，{VUER}i表示在當(dāng)前基站覆蓋范圍內(nèi)VUES，i需要進(jìn)行發(fā)送消息的通信的集合， 因?yàn)橛衁個(gè)VUES，所以{VUER}i集合的數(shù)量為Y。VUES，i需要復(fù)用LTE的上下行時(shí)隙的資源對(duì)集合中的VUER進(jìn)行資源分配。VUES，i與集合中的VUER的鏈路都是相對(duì)與其他VUES的強(qiáng)鏈路，這并不意味著每一個(gè)鏈路都是有效的。在V2V通信系統(tǒng)中，存在某些VUER雖然加入了VUES的集合，但是卻與相鏈接的VUES距離較遠(yuǎn)，不是V2V通信的有效鏈路，所以在進(jìn)行資源分配之前，要先從集合中除去這些VUER，并且得到新的VUES，i對(duì)應(yīng)的集合，集合表示與VUES，i相對(duì)應(yīng)建立連接的滿足距離在d以內(nèi)的VUER的集合。

根據(jù)V2V業(yè)務(wù)的特性，我們將半靜態(tài)調(diào)度與V2V通信相結(jié)合。假設(shè)VUES，i對(duì)應(yīng)的集合中的數(shù)目為Pi，半靜態(tài)的調(diào)度周期為T（單位：ms）。VUES，i此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)小基站，需要對(duì)集合內(nèi)的Pi用戶進(jìn)行下行資源分配。一般情況下，調(diào)度周期的值可以自定，由于集合中的數(shù)目需要為每個(gè)VUER分配一個(gè)時(shí)隙，所以T≥Pi。

每個(gè)VUER的分配的時(shí)隙間隔為：

其中“[]”表示向下取整。

圖1 VUES,i調(diào)度p時(shí)隙說明

根據(jù)我們基于位置控制的半靜態(tài)調(diào)度算法，雖然V2V系統(tǒng)中存在多個(gè)VUES，i通信集合，但是在每個(gè)時(shí)隙，每個(gè)VUES，i只會(huì)復(fù)用一個(gè)UE時(shí)隙的資源，可以得到：

式中：RDC，j—— 場(chǎng)景1下，蜂窩網(wǎng)絡(luò)第j個(gè)UE所能達(dá)到的速率；

RVUES，j(K)——在場(chǎng)景1下，第i個(gè)VUES在復(fù)用K個(gè)資源塊所能達(dá)到的速率，K的大小與系統(tǒng)帶寬有關(guān)；

N表示蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)，Pi表示VUES的個(gè)數(shù)。

2.2 基于距離控制的多播組劃分半靜態(tài)調(diào)度算法

考慮到在車輛密度大的城鎮(zhèn)街道環(huán)境中，仍然可能出現(xiàn)資源分配不足的情況，于是提出了基于距離控制的多播組劃分的半靜態(tài)調(diào)度算法。因?yàn)閂UES，i在與VUES建立連接的時(shí)候，已經(jīng)知道{VUER}di集合中所有VUER的坐標(biāo)，要在集合{VUER}di繼續(xù)劃分，可以根據(jù)距離的遠(yuǎn)近劃分服務(wù)群組，假設(shè)群組中的VUER個(gè)數(shù)最大為L(zhǎng)，那么可劃分為G個(gè)群組：

其中“{}”符號(hào)表示是向上取整。

考慮半靜態(tài)周期對(duì)于群組數(shù)目的限制，所以L的取值應(yīng)該使G≤T。

{VUER}di被劃分成3個(gè)群組，將{VUER}di劃分的群組表示為{VUER，g}di，g=1，2…G。通過指數(shù)有效信噪比映射（EESM），可以計(jì)算出反映信道狀態(tài)的有效信噪比。信噪比SINRi表示采用正交頻分復(fù)用下第i個(gè)子載波上的信噪比。則通過EESM處理，將多個(gè)子載波上的信噪比等效為在加性高斯白噪聲信道上的有效信噪比SINReff：

其中SINRi表示線性指標(biāo)值表示的第i個(gè)子載波上的信噪比；

K表示分配的資源塊中包含的子載波的數(shù)量；

β表示與MCS對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

其中“[]”表示向下取整。

VUES，i對(duì){VUER，g}di的調(diào)度與時(shí)隙相對(duì)應(yīng)，即只有在對(duì)應(yīng)的調(diào)度時(shí)隙時(shí)，才對(duì)相應(yīng)的{VUER，g}di進(jìn)行調(diào)度，假定每個(gè)時(shí)隙設(shè)定為1 ms。在一個(gè)半靜態(tài)周期內(nèi)每個(gè){VUER，g}di只會(huì)被調(diào)用一次，直到下一個(gè)調(diào)度周期開始，才會(huì)繼續(xù)為{VUER，g}di分配資源。整個(gè)LTE系統(tǒng)所能達(dá)到的速率為RD：

式中：VUEDC，j——場(chǎng)景1下，蜂窩網(wǎng)絡(luò)第j個(gè)UE所能達(dá)到的速率；

——在場(chǎng)景1下，第i個(gè)分組在復(fù)用K個(gè)資源塊所能達(dá)到的速率，K的大小與系統(tǒng)帶寬有關(guān)；

N表示蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)，G表示分組的個(gè)數(shù)。

3 V2V仿真系統(tǒng)

對(duì)于V2V通信系統(tǒng)而言，構(gòu)建如圖3所示V2V通信系統(tǒng)仿真場(chǎng)景。

場(chǎng)景圖中有7個(gè)小區(qū)，分為21個(gè)扇區(qū)，分布在9個(gè)街區(qū)中。圖中綠色點(diǎn)代表車輛的初始分布，表示車輛的位置。街區(qū)長(zhǎng)度為433 m，寬度為250 m，街區(qū)分為雙向4車道，道路寬度為20 m，每條街道寬度為3.5 m，行人道寬3 m。

3.1 移動(dòng)性模型

圖3 V2V通信系統(tǒng)仿真場(chǎng)景

對(duì)于在城鎮(zhèn)環(huán)境中的車輛來說，車輛移動(dòng)的速度為60 km/h，車輛的位置每100 ms更新一次。同時(shí)車輛按照以下規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在街道口直行的概率為0.5，左右轉(zhuǎn)的概率分別為0.25。仿照Warp Around技術(shù)，當(dāng)車輛越過邊界時(shí)，將車輛移動(dòng)到與此邊界線平行的與此邊界線相距最遠(yuǎn)的邊界線處。據(jù)此對(duì)車輛的位置進(jìn)行更新。

3.2 業(yè)務(wù)模型

對(duì)于V2V系統(tǒng)來說V2V有兩種業(yè)務(wù)模型，一種是周期性業(yè)務(wù)，一種是觸發(fā)性業(yè)務(wù)，對(duì)于處在城鎮(zhèn)環(huán)境中的以60 km/h速度運(yùn)行的車輛，周期性業(yè)務(wù)信息產(chǎn)生周期為100 ms也就是說，業(yè)務(wù)的大小為190byte或300 byte。對(duì)于觸發(fā)性業(yè)務(wù)，服從泊松分布到達(dá)率為λ。每次到達(dá)的分組的大小為800 byte。

表1 V2V系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.3 V2V通信系統(tǒng)仿真參數(shù)

V2V通信系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真結(jié)果分析

對(duì)于V2V通信系統(tǒng)而言系統(tǒng)最主要的指標(biāo)是對(duì)于PRR（Packet Reception Ratio， 數(shù)據(jù)分組成功接收率）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

算法1代表基于位置控制的半靜態(tài)調(diào)度算法，算法2代表基于距離控制的多播組劃分半靜態(tài)調(diào)度算法。圖4分別表示一般車輛密集度下和車輛密集度高下兩種算法PRRave對(duì)比圖。

圖4 不同車輛密集度下兩種算法 對(duì)比圖（圖中橫坐標(biāo)一個(gè)刻度表示20 m）

根據(jù)圖4所示，在車輛數(shù)量為100的時(shí)候，算法1的性能稍優(yōu)于算法2的性能。當(dāng)車輛密集度較大時(shí)，因?yàn)殡S著車輛的數(shù)量增加，不在同一個(gè)時(shí)隙復(fù)用資源的算法1會(huì)面臨資源匱乏的情況，所以導(dǎo)致有些VUE無法分配資源，從而無法接受到消息。而采用多播組劃分共享資源的方式會(huì)解決這一問題，所以此時(shí)的性能要優(yōu)于算法1。

在一般車輛密集度下，V2V系統(tǒng)采用PF調(diào)度算法和兩種算法在系統(tǒng)吞吐量上的表現(xiàn)。如圖5所示的3種算法的吞吐量比較。

系統(tǒng)平均吞吐量表示系統(tǒng)中每個(gè)用戶的吞吐量的平均值，中心用戶定義為0～60 m內(nèi)的用戶的吞吐量，邊緣用戶定義為150～320 m內(nèi)用戶的吞吐量，隨著距離的增加，用戶的吞吐量是降低的，這是由于系統(tǒng)隨著距離發(fā)送端距離的增加信道質(zhì)量差帶來的影響。算法2的吞吐量是最高的，這是因?yàn)樗惴?最大化利用系統(tǒng)的頻率資源，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的干擾控制在一定范圍內(nèi)，從而提高了系統(tǒng)的平均吞吐量，相較于PF算法提高了40%，相比較于算法1提高了17.5%，體現(xiàn)了算法2在干擾控制上的優(yōu)越性。對(duì)比中心用戶吞吐量算法2相較于PF算法和算法1吞吐量分別提高了28.2%，5.7%。但是對(duì)于邊緣用戶的平均吞吐量卻有所下降，因?yàn)檫吘売脩舻男诺蕾|(zhì)量較差，將資源共享會(huì)進(jìn)一步影響接收的性能。綜上所述，半靜態(tài)調(diào)度的兩種算法對(duì)于系統(tǒng)資源的利用率更高，在控制干擾方面性能更加優(yōu)越。

圖5 3種算法的吞吐量比較

[1] 3GPP TS 36.300, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description[S].

[2] 3GPP TS 36.401, Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Architecture description[S].

[3] Wanlu, S. Yuan, D. Strom, E. et al. (2015)Resource Sharing and Power Allocation forD2D-based Safety-Critical V2X Communications[C]. IEEE ICC 2015 Workshop

[4] 3GPP TR 36.885v0.5.0, Study on LTE-based V2X Services [S]. 2016(02).

[5] 3GPP TSG RAN WG1#84bis, Resource Pool for V2V[S]. 2016.

中國(guó)移動(dòng)堅(jiān)持信息基礎(chǔ)設(shè)施先行 以實(shí)際行動(dòng)積極參與、全力支持雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)

近日，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司連續(xù)召開黨組會(huì)和相關(guān)專題會(huì)，傳達(dá)學(xué)習(xí)黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于設(shè)立河北雄安新區(qū)的通知精神和習(xí)近平總書記關(guān)于規(guī)劃建設(shè)雄安新區(qū)的重要指示精神，研究部署具體落實(shí)措施。中國(guó)移動(dòng)黨組認(rèn)識(shí)到，設(shè)立河北雄安新區(qū)，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央作出的一項(xiàng)重大的歷史性戰(zhàn)略選擇，是千年大計(jì)、國(guó)家大事，具有重大現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)歷史意義。

中國(guó)移動(dòng)決心迅速行動(dòng)起來，按照黨中央、國(guó)務(wù)院決策部署，以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，充分發(fā)揮信息通信行業(yè)的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性作用，以強(qiáng)有力的組織保障和資源保障全面對(duì)接、積極參與、全力支持雄安新區(qū)的規(guī)劃建設(shè)，這是中國(guó)移動(dòng)政治責(zé)任、經(jīng)濟(jì)責(zé)任和社會(huì)責(zé)任所在，更是中國(guó)移動(dòng)持續(xù)健康發(fā)展的重大戰(zhàn)略機(jī)遇。圍繞雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)總體要求和重點(diǎn)任務(wù)，中國(guó)移動(dòng)將結(jié)合實(shí)際，超前布局并認(rèn)真推進(jìn)落實(shí)。

(來源：中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司)

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院積極推進(jìn)管線勘察一體化平臺(tái)試點(diǎn)工作

中2017年4月17日，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院高軍詩(shī)所長(zhǎng)帶領(lǐng)相關(guān)人員與江蘇駐地項(xiàng)目組，以及設(shè)計(jì)院安徽分院人員在無錫就自行研發(fā)的管線勘察一體化平臺(tái)推進(jìn)試點(diǎn)工作進(jìn)行交流。

管線勘察工具的應(yīng)用，是傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)方式向新設(shè)計(jì)衍變和發(fā)展，積極構(gòu)建管線新設(shè)計(jì)工具平臺(tái)體系，提升設(shè)計(jì)信息化生產(chǎn)輔助和資源管理支撐能力的有益探索。

(本刊訊)

展訊助力運(yùn)營(yíng)商2G客戶升級(jí)至4G

如何激活2G存量市場(chǎng)，引領(lǐng)4G普及，成為運(yùn)營(yíng)商的重要議題和目標(biāo)。作為產(chǎn)業(yè)鏈芯片端的核心企業(yè)，展訊通訊董事長(zhǎng)兼CEO李力游博士向記者介紹了其在4G上的產(chǎn)品布局。2017年展訊推出了全球首款4G功能機(jī)芯片，展訊SC9820集成了雙核1.2GHz ARM Cortex-A7處理器，采用3D圖形加速的ARM Mali 400圖形處理器，支持TDD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、GSM四模。同時(shí)，該芯片平臺(tái)支持500萬(wàn)像素?cái)z像頭、720P視頻播放、FWVGA屏幕顯示以及VoLTE高清語(yǔ)音視頻通話，極大提升了功能機(jī)的用戶體驗(yàn)。展訊的4G智能芯片平臺(tái)全面覆蓋高中低端手機(jī)市場(chǎng)，通過高性能、高質(zhì)量的產(chǎn)品為運(yùn)營(yíng)商4G普及的發(fā)展戰(zhàn)略提供助力。為用戶提供更多的智能應(yīng)用與體驗(yàn)的同時(shí)，提升了運(yùn)營(yíng)商的ARPU值，推動(dòng)用戶消費(fèi)升級(jí)。

面向中高端市場(chǎng)展訊推出了全球首款基于Intel 架構(gòu)的14納米8核64位LTE芯片平臺(tái)SC9861，拉動(dòng)終端產(chǎn)品升級(jí)。李力游博士表示：通過不斷的持續(xù)創(chuàng)新，展訊目前已擁有完善的產(chǎn)品鏈，不僅有中高端的產(chǎn)品已打入市場(chǎng)，同時(shí)擁有多項(xiàng)自主技術(shù)及差異化的方案，為合作伙伴帶來更大的價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。展訊下半年將推出擁有專利的雙卡雙待雙通芯片，在芯片的設(shè)計(jì)、表現(xiàn)力和成本等方面很有自己的特色，這是市場(chǎng)上從未出現(xiàn)過的。展訊擁有雙卡技術(shù)的核心專利，雙卡雙待雙通芯片功耗非常小。同時(shí)，展訊也在積極布局5G芯片研發(fā)，李力游博士預(yù)計(jì)展訊會(huì)在2019年推出第一顆5G R15商用芯片，在2020年推出5G R16芯片。

談到布局物聯(lián)網(wǎng)，李力游博士說：“我專門組建了一個(gè)團(tuán)隊(duì)做物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用，包括車聯(lián)網(wǎng)，國(guó)家安全的安全手機(jī)，還有一些政府有關(guān)的項(xiàng)目。這些都是希望采用我們國(guó)內(nèi)的芯片，我個(gè)人看現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)的量非常小，但是如果說再給產(chǎn)業(yè)5-10年時(shí)間，他的量會(huì)超過手機(jī)。所以我們不但是有布局，而且還挺多的。我們可以做藍(lán)牙自主聯(lián)網(wǎng)，讓兩個(gè)燈泡可以自己交談，我們叫“談話的燈泡”。在安全許可的情況下，我認(rèn)為這些燈泡還有家里面所有的電器，桌椅，包括手里面的東西都可以連起來，這個(gè)量是巨大的”。

(本刊訊)

Research onsemi-static resource allocation algorithm for Vehicle-to-Vehicle system

YAN Liu-dan, GAO Yue-hong
(Wireless Theories and Technologies (WT&T)) Lab, Beijing University of Post and Telecommunication, Beijing 100876, China)

The main content of this thesis is to studyresource allocation algorithm for LTE-based V2V communication system in urban scenarios. Firstly, a system-level LTE-based V2V simulation platform was developedaccording to 3GPP TR36.885.By the help of this platform, unicast and multicast semistatic scheduling and dynamic scheduling algorithmwere proposed for the research. Then different algorithms were compared and comparing simulation results, semi-static resource allocation algorithm under unicast and multicast scenario has a high resource utilization, system throughput which has signif i cant research value.

V2V; resource allocation; system-level simulation; semi-persistent scheduling

TN915

A

1008-5599（2017）05-0087-05

2016-11-23