TD-LTE 交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)調(diào)度算法研究*

周玉財(cái)，陳 婷

(1.青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，青海 西寧810003;2.長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安710064)

0 引 言

交通安全預(yù)警通信子系統(tǒng)作為智能交通網(wǎng)預(yù)防預(yù)警和應(yīng)急處置體系中的重要組成部分，是保障路網(wǎng)內(nèi)交通參與各要素通信渠道順暢，對路網(wǎng)內(nèi)監(jiān)管車輛進(jìn)行安全預(yù)警、高效引導(dǎo)的關(guān)鍵［1-2］，近年來已經(jīng)成為世界交通發(fā)達(dá)國家研究、發(fā)展與應(yīng)用的熱點(diǎn)［3-4］。例如，美國實(shí)施了通過車載傳感器實(shí)現(xiàn)車車之間或者車路之間的信息交互，為駕駛者提供安全輔助控制或全自動控制支持的“智能車輛計(jì)劃”、“車輛道路智能集成系統(tǒng)”;歐盟利用先進(jìn)的信息通信技術(shù)促進(jìn)安全系統(tǒng)的研發(fā)與集成應(yīng)用，提出了包括eSafety，SAFESPOT 等在內(nèi)的“道路安全計(jì)劃”;日本遵循智能交通系統(tǒng)集成理念，利用智能交通系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)及信息與通信技術(shù)，進(jìn)行道路基礎(chǔ)設(shè)施的整合，實(shí)現(xiàn)其“Smartway”系統(tǒng)。以GSM、GPRS 為代表的2.5 G 移動通信技術(shù)和以CDMA 為代表的3 G 移動通信技術(shù)均具有覆蓋范圍大且能夠全國漫游的優(yōu)點(diǎn)，因此被作為當(dāng)前路網(wǎng)內(nèi)交通安全預(yù)警管理中心向車載終端集中發(fā)布各種交通信息的首選通信方式。李晶等［5］對3 G 技術(shù)在車載導(dǎo)航系統(tǒng)、快速處理交通事故等方面的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，為城市發(fā)展智能交通信息系統(tǒng)提供借鑒;Lequerica I 等［6］提出采用3G 技術(shù)作為分發(fā)部分與服務(wù)、協(xié)議相關(guān)的控制信息的途徑，從而提高車輛通信系統(tǒng)中分組的成功遞交率;Dalai T 等［7］建議將GPRS 作為定位裝置用于在車輛遇險(xiǎn)時(shí)便于乘客進(jìn)行緊急信息傳遞;還有很多將移動通信技術(shù)應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)的實(shí)例［8-9］。

4 G 移動通信的代表技術(shù)TD -LTE 具備更好的頻譜利用率和更高的傳輸速率，在20 MHz 頻譜寬帶下，TD-LTE 通信系統(tǒng)可達(dá)到下行10.8 b/Hz，上行5. 4 b/Hz 的頻譜利用效率，能夠提供下行100 Mb/s，上行50 Mb/s 的標(biāo)準(zhǔn)峰值速率，及以下行200 Mb/s，上行100 Mb/s 的系統(tǒng)峰值速率，用戶平面內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間低于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100 ms;支持100 km 半徑的小區(qū)覆蓋;能夠?yàn)榈陀?50 km/h 的高速移動用戶提供超過100 kb/s 的通信接入服務(wù)，因此，將TD-LTE 引入交通安全預(yù)警系統(tǒng)，將為車車或車路間的交通安全預(yù)警信息交互提供可靠的通信保障。近年來，雖然已有諸多文獻(xiàn)對適用于TD-LTE 移動通信系統(tǒng)的無線資源調(diào)度算法展開研究，還有一些學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開始關(guān)注TD -LTE技術(shù)在公路交通領(lǐng)域中的應(yīng)用［10-11］，但針對基于TD-LTE 技術(shù)的交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)性能仿真尚處于科研起步階段，鮮有根據(jù)交通安全預(yù)警信息流自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)TD-LTE 時(shí)頻資源調(diào)度算法的文獻(xiàn)?；谏鲜隹紤]，文中將TD -LTE 技術(shù)引入交通安全預(yù)警系統(tǒng)，提出了交通安全預(yù)警系統(tǒng)時(shí)頻資源調(diào)度模型，并建議了適用于各類交通安全預(yù)警信息流的TD-LTE 無線資源調(diào)度算法。

圖1 交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)及其時(shí)頻資源調(diào)度模型Fig.1 Traffic safety warning communication system and its time-frequency resource scheduling model

1 基于TD-LTE 的交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)時(shí)頻資源調(diào)度模型

基于TD-LTE 的交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)及其時(shí)頻資源調(diào)度模型如圖1 所示，交通安全預(yù)警管理中心首先通過公網(wǎng)/專網(wǎng)將各類交通預(yù)警信息流遞交至監(jiān)管車輛隸屬的TD -LTE 基站(eNodeB)處，再由該eNodeB 將其快速、可靠的下達(dá)至監(jiān)管車輛車載終端處，從而通過主動預(yù)警的方式有效避免和減少交通事故，保障生命安全，提高交通運(yùn)行效率。圖1 中，eNodeB 處的分類器將對各類交通預(yù)警信息流進(jìn)行分類映射，分別映射為:①視頻預(yù)警信息;②話音預(yù)警信息;③其它數(shù)據(jù)預(yù)警信息，典型應(yīng)用參見表1.當(dāng)eNodeB 向監(jiān)管車輛發(fā)送各類交通預(yù)警信息流之前，首先在對等的媒體接入控制層間建立單向的數(shù)據(jù)承載連接，連接建立后，隸屬各類預(yù)警信息的信息流分組都將通過分類映射進(jìn)入分類器緩存隊(duì)列中，然后按照調(diào)度器的調(diào)度函數(shù)值調(diào)整下達(dá)至監(jiān)管車輛處的各類交通預(yù)警信息流分組的調(diào)度順序，與之相關(guān)的調(diào)度函數(shù)設(shè)計(jì)則是一個(gè)開放性問題。

表1 各類交通預(yù)警信息流典型實(shí)例Tab.1 Typical examples of traffic warning information flow

TD-LTE 交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)無線資源配置如圖2 所示，資源塊(Resource Block，RB)是最小的時(shí)頻資源配置單元，每個(gè)RB 在時(shí)域上由兩個(gè)時(shí)隙構(gòu)成，在頻域上由一個(gè)子信道構(gòu)成，且在調(diào)度時(shí)刻僅能分配給一個(gè)監(jiān)管車輛。時(shí)域上，TD-LTE交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)的無線資源被劃分為持續(xù)時(shí)長為1 ms 的傳輸時(shí)間間隔(Transmission Time Interval，TTI)。每個(gè)TD-LTE 幀都由10 個(gè)連續(xù)的TTI 組成，每個(gè)TTI 均包含2 個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙持續(xù)時(shí)長為0.5 ms;頻域上，整個(gè)系統(tǒng)帶寬被劃分為若干子信道，每個(gè)子信道為180 kHz，包括12 個(gè)連續(xù)的子載波，由于子信道帶寬固定，因此，系統(tǒng)帶寬不同，相應(yīng)的RB 數(shù)也不同，例如，當(dāng)系統(tǒng)帶寬分別為5 和10 MHz 時(shí)，系統(tǒng)帶寬分別對應(yīng)25 個(gè)RB和50 個(gè)RB.

圖2 TD-LTE 交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)中的無線資源配置Fig.2 Wireless resource allocation in TD-LTE traffic safety warning communication system

基于TD-LTE 的交通預(yù)警系統(tǒng)時(shí)頻資源調(diào)度函數(shù)模型由式(1)給出

式中 ωi，k為第i 個(gè)監(jiān)管車輛與第k 個(gè)RB 的匹配指數(shù)，總是為ωi，k取值最大的第i 個(gè)監(jiān)管車輛分配第k 個(gè)RB.

2 交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)時(shí)頻資源調(diào)度算法

目前，已有諸多適用于無線通信的調(diào)度算法，然而已形成商用的TD-LTE 調(diào)度算法仍是最經(jīng)典的3 種調(diào)度算法，分別是RR 算法、MT 算法、和PF算法，RR 算法可使eNodeB 覆蓋范圍內(nèi)的所有用戶按照固定順序在相等的時(shí)間間隔內(nèi)輪流獲取RB，從而保證用戶獲取無線資源的短期公平和長期公平，但系統(tǒng)吞吐量相對很低;MT 算法總是在調(diào)度時(shí)刻將RB 分配給能夠達(dá)到最大吞吐量的用戶，進(jìn)而使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大，但會導(dǎo)致距離eNodeB 較遠(yuǎn)或者信道狀況不好的用戶難以獲得任何無線資源，導(dǎo)致“餓死現(xiàn)象”發(fā)生;PF 算法是MT算法和RR 算法的折中，能夠在兼顧用戶公平獲取無線資源的同時(shí)獲得盡可能高的系統(tǒng)吞吐量，可作為TD-LTE 系統(tǒng)的首選調(diào)度方案。然而，上述三種經(jīng)典調(diào)度算法在為eNodeB 覆蓋范圍內(nèi)的所有監(jiān)管車輛進(jìn)行無線資源分配時(shí)，均只考慮了系統(tǒng)吞吐量和監(jiān)管車輛公平性問題，并未考慮監(jiān)管車輛獲取各類交通預(yù)警信息流的時(shí)延限定。對于監(jiān)管車輛而言，及時(shí)可靠地獲取來自交通安全預(yù)警管理中心的各類信息對于保障行車安全，降低生命財(cái)產(chǎn)損失，提高道路通行效率而言至關(guān)重要，因此，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景對PF 算法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)能夠保障各類交通預(yù)警信息流傳輸時(shí)延的調(diào)度算法。

引入時(shí)延調(diào)節(jié)因子對已有PF 算法進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)度時(shí)刻t，建議的適用于各類交通安全預(yù)警信息流的TD -LTE 無線資源調(diào)度算法匹配指數(shù)(t)滿足式(2)

式中 Ri，k(t)為調(diào)度時(shí)刻t 時(shí)監(jiān)管車輛i 在第k 個(gè)RB 上期望的數(shù)據(jù)傳輸速率;(t-1)為到上一調(diào)度時(shí)刻(t-1)為止，監(jiān)管車輛i 上的信息流獲得的平均數(shù)據(jù)傳輸速率;ˉRi，k(t-1)值越小，Ri，k(t)值越大，則值ωi，k越大，監(jiān)管車輛i 獲得第k 個(gè)RB 的可能性就越大。(t-1)可通過式(4)得出

式中 ˉRi，k(t)為監(jiān)管車輛i 在調(diào)度時(shí)刻t 的瞬時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率;α 為公平調(diào)節(jié)因子且滿足式(5)

式中，Tf為時(shí)間窗口。

式(2)中，θi(t)為調(diào)度時(shí)刻t，監(jiān)管車輛i 的時(shí)延調(diào)節(jié)因子，由式(6)給出

式(6)中 ρi(t)∈［0，τ］為eNodeB 在調(diào)度時(shí)刻t，向監(jiān)管車輛i 發(fā)送的交通預(yù)警信息流隸屬分類器的隊(duì)頭分組等待調(diào)度的時(shí)間;τ 為eNodeB 發(fā)送給監(jiān)管車輛的交通預(yù)警信息流目標(biāo)傳輸時(shí)延限定;Δτ∈［0，τ］為系統(tǒng)預(yù)定的保護(hù)時(shí)間間隔，通常設(shè)為幀長。如果Δτ≤τ-ρi(t)，即ρi(t)∈［0，τ-Δτ］，則交通預(yù)警信息流隸屬分類器的隊(duì)頭分組等待調(diào)度的時(shí)間能夠滿足時(shí)延要求，且ρi(t)越小，其調(diào)度優(yōu)先級就越低;如果Δτ ＞τ-ρi(t)，即ρi(t)∈［0，τ-Δτ］，則交通預(yù)警信息流隸屬分類器的隊(duì)頭分組等待調(diào)度的時(shí)間即將超出時(shí)延限定，其調(diào)度優(yōu)先級最高，應(yīng)盡快調(diào)度該分組。

綜上可知，建議的適用于各類交通安全預(yù)警信息流的TD -LTE 無線資源調(diào)度算法匹配指數(shù)(t)可由式(7)給出，通過將時(shí)延調(diào)節(jié)因子θi(t)引入已有PF 算法，可在兼顧監(jiān)管車輛公平和系統(tǒng)吞吐量的同時(shí)，有效保證交通預(yù)警信息流滿足預(yù)先規(guī)定的時(shí)延要求，總是在調(diào)度時(shí)刻，為隊(duì)頭分組即將超出時(shí)延限定的交通預(yù)警信息流賦予優(yōu)先調(diào)度的權(quán)利。

圖3 仿真場景Fig.3 Simulation scenario

3 性能仿真

采用LTE-Sim 仿真工具搭建基于TD-LTE 的交通安全預(yù)警通信系統(tǒng)時(shí)頻資源調(diào)度場景，如圖3所示:小區(qū)半徑為1 km，包含1 個(gè)eNodeB 和若干個(gè)TD - LTE 車載終端，eNodeB 位于小區(qū)中心位置，車載終端移動方式符合Way-Point 模型，平均行駛速度為60 km/h. 以下行鏈路為例，每個(gè)車載終端同時(shí)收發(fā)3 類交通預(yù)警信息流，采用“highway.yuv”視頻測試序列模擬視頻預(yù)警信息流，采用基于開/閉馬爾可夫模型的G.729 VoIP 業(yè)務(wù)流模擬話音預(yù)警信息流，采用FTP 數(shù)據(jù)下載業(yè)務(wù)模擬其他數(shù)據(jù)預(yù)警信息流。仿真使用隨機(jī)種子初始化，仿真時(shí)間設(shè)定為200 s，每次仿真過程至少進(jìn)行10 次，最終結(jié)果取平均值。仿真硬件環(huán)境為Linux操作系統(tǒng)，2.6 GHz 主頻，4 G 內(nèi)存。其它仿真參數(shù)見表2.

表2 其它系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.2 Other system simulation parameters

將建議算法與PF 算法的仿真性能進(jìn)行對比分析。圖4 和圖5 分別比較了2 種算法下的視頻預(yù)警信息流和話音預(yù)警信息流的丟包率，可以看到，隨著接入交通安全預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)管車輛數(shù)目不斷增加，系統(tǒng)需承載的信息流負(fù)荷越來越重，相應(yīng)的丟包率也將隨之增加，但由于建議算法能夠根據(jù)eNodeB 分類器隊(duì)頭分組在系統(tǒng)的等待時(shí)間自適應(yīng)的調(diào)整其調(diào)度優(yōu)先級，總是為即將超出目標(biāo)時(shí)延限定的分組賦予優(yōu)先調(diào)度的權(quán)利，因此，能夠獲得更低的丟包率性能。與PF 算法相比，建議算法的視頻預(yù)警信息流和話音預(yù)警信息流的平均丟包率性能分別改善了29%和48%，能夠更好的保證實(shí)時(shí)預(yù)警信息的可靠傳輸。

圖6 比較了2 種算法下其它預(yù)警信息流的系統(tǒng)吞吐量，可以看到，隨著接入交通安全預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)管車輛數(shù)目不斷增加，每輛車能夠有效獲取的無線資源將降低，相應(yīng)的其它預(yù)警信息流吞吐量也會隨之降低。當(dāng)接入交通安全預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)管車輛不超過20 輛時(shí)，監(jiān)管車輛所需的無線資源低于系統(tǒng)帶寬，建議算法可在保證視頻預(yù)警信息流和話音預(yù)警信息流的實(shí)時(shí)傳輸前提下，獲得與PF 算法相差不大的其它預(yù)警信息流吞吐量性能;當(dāng)接入交通安全預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)管車輛超過20 輛時(shí)，監(jiān)管車輛所需的無線資源超過系統(tǒng)帶寬，建議算法需考慮視頻預(yù)警信息流和話音預(yù)警信息流的時(shí)延限定要求，并為即將超出時(shí)延限定要求的隊(duì)頭分組賦予優(yōu)先調(diào)度的權(quán)利，故會犧牲掉部分時(shí)延不敏感信息流獲取無線資源的權(quán)利，因此，相應(yīng)的其它預(yù)警信息流系統(tǒng)吞吐量性能低于PF 算法。

圖4 視頻預(yù)警信息流丟包率Fig.4 Packet loss rate of video warning information flow

圖5 話音預(yù)警信息流丟包率Fig.5 Packet loss rate of audio warning information flow

圖6 其它預(yù)警信息流吞吐量Fig.6 Throughput of other warning information

圖7 系統(tǒng)用戶公平指數(shù)Fig.7 Fairness index of system user

圖7 比較了兩種算法下監(jiān)管車輛接入交通安全預(yù)警系統(tǒng)的公平指數(shù)。公平指數(shù)越接近1，表明系統(tǒng)監(jiān)管車輛越能公平地獲取無線資源。可以看到，PF 算法與建議算法的公平指數(shù)均與1 十分接近，建議算法雖然略低于PF 算法，但相差不大，建議算法通過對PF 算法的改進(jìn)，用較低的監(jiān)管車輛公平性代價(jià)換得時(shí)延敏感信息流的可靠傳遞，提高了交通安全預(yù)警的時(shí)效性。

4 結(jié) 論

為改善各類交通安全預(yù)警信息的通信傳輸質(zhì)量，將TD-LTE 技術(shù)引入車路通信系統(tǒng)，建議了適用于TD-LTE 交通安全預(yù)警系統(tǒng)的調(diào)度算法。

1)該建議算法在已有PF 算法基礎(chǔ)上，將時(shí)延調(diào)節(jié)因子引入交通預(yù)警系統(tǒng)時(shí)頻資源調(diào)度函數(shù)，使得系統(tǒng)總是為即將超過目標(biāo)時(shí)延限定要求的交通信息流分組賦予優(yōu)先調(diào)度的權(quán)利，有效降低交通預(yù)警信息流的丟包率，保證交通預(yù)警信息的實(shí)時(shí)傳達(dá);

2)仿真表明，該算法與典型的PF 算法相比，能夠?yàn)槌丝吞峁└涌煽康陌踩A(yù)警信息傳輸保障，更適用于交通安全預(yù)警系統(tǒng)。

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