異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下車聯(lián)網(wǎng)的注水資源分配算法研究

栗少萍，秦召?gòu)V

（山東科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 濰坊　261053）

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下車聯(lián)網(wǎng)的注水資源分配算法研究

栗少萍，秦召?gòu)V

（山東科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 濰坊261053）

車聯(lián)網(wǎng)（IOV）是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中典型應(yīng)用范例，從其整體架構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成通信承載網(wǎng)絡(luò)的具體信息服務(wù)。本研究在簡(jiǎn)要分析車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建車輛調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)條件下分別對(duì)倉(cāng)庫(kù)區(qū)域和車輛通道區(qū)域構(gòu)建宏基站與家庭基站子載波數(shù)量，并提出一種注水式資源分配算法對(duì)區(qū)域內(nèi)用戶車輛進(jìn)行子信道功率分配。最后該注水式資源分配算法與信道等功率原始分配算法進(jìn)行仿真比較，結(jié)果表明：該算法在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下可減小家庭基站對(duì)微小區(qū)用戶車輛的干擾，且在兩種基站下子信道具有更好接收信號(hào)的性能。

車聯(lián)網(wǎng)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；注水算法；資源分配算法

車聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicles，IOV）是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，連接車載設(shè)備、手持設(shè)備、路測(cè)設(shè)備等通信終端以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)行無(wú)線通訊和信息交換的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)［1-3］。隨著寬帶移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以及數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化與智能化技術(shù)的快速進(jìn)步，以車、路和人為主體通信網(wǎng)絡(luò)正在逐步建立。車載終端（包括司機(jī)和乘車人的智能手機(jī)等）作為接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)終端，大范圍、高參與度地加入到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，已經(jīng)成為未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)［4-6］。同時(shí)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)宏基站（Micro）的基礎(chǔ)上，增加部署了微小區(qū) （pico）、家庭基站 （Femto）和中繼節(jié)點(diǎn) （relay basestation）。這種使用不同種類的基站的部署方式，可以提升單位范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)容量以及頻譜利用率［7］。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)引入的同時(shí)也帶來(lái)了一些問題，由于引入的基站為了能夠連接移動(dòng)車載終端設(shè)備，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的小基站多會(huì)采用密集部署的方式［8］。相對(duì)于原有的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基站之間的干擾情況變得更加嚴(yán)重和復(fù)雜［9］。注水式方法是一種集中式的貪心功率分配方法，具有最大的效率［10］，主要思想是分配給信道條件最好的用戶車輛最多的功率。所以，注水方法具有最大的不公平性，因?yàn)橹挥行诺罈l件最好的用戶車輛才能分配功率，而那么信道條件較差的用戶車輛則可能因?yàn)榉峙涞降墓β瘦^少而導(dǎo)致速率較低，甚至沒有速率［11］。本研究在簡(jiǎn)要分析車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建車輛調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)條件下分別對(duì)倉(cāng)庫(kù)區(qū)域和車輛通道區(qū)域構(gòu)建子載波數(shù)量，運(yùn)用注水式資源分配算法對(duì)區(qū)域內(nèi)用戶車輛進(jìn)行子信道功率分配。

1　車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中典型應(yīng)用范例，從而其整體架構(gòu)也可與物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前廣泛被認(rèn)可的三層架構(gòu)一致，即由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成［12］。本研究所關(guān)注的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)則歸屬在整體架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層上［13］，但具體的數(shù)據(jù)產(chǎn)生機(jī)制和數(shù)據(jù)傳輸需求等方面要依賴并服務(wù)于應(yīng)用層和感知層。由此，將傳輸系統(tǒng)建模為由邏輯關(guān)系層架構(gòu)，面向具體信息服務(wù)應(yīng)用，無(wú)論是感知信息的上傳還是控制/決策信息的下發(fā)，以及用戶之間信息的傳播，其信息傳輸業(yè)務(wù)的初始“服務(wù)需求”都要經(jīng)過邏輯關(guān)系層的處理之后才能在傳輸需求層之上形成最終“傳輸需求”，并將其施加到通信網(wǎng)絡(luò)層上。

本研究主要場(chǎng)景是倉(cāng)庫(kù)區(qū)域中的一個(gè)家庭基站部署在車輛通道區(qū)域中的一個(gè)微小區(qū)基站覆蓋區(qū)域內(nèi)，微小區(qū)基站與家庭基站共用相同頻段的子載波。假定家庭基站之間采用硬頻率復(fù)用，家庭基站之間互相干擾不在考慮之內(nèi)，所以只考慮一個(gè)家庭基站即可。

圖1　場(chǎng)景示意圖

2　異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下車聯(lián)網(wǎng)注水式資源分配算法

2.1業(yè)務(wù)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)

上述車聯(lián)網(wǎng)模型中，假設(shè)整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的總子載波數(shù)為N，系統(tǒng)總的帶寬為B，總功率限制為P，σ2為高斯白噪聲的方差，pn為子載波貨n上分配的功率 （其中有0＜n＜N+1）。那么可以推測(cè)出業(yè)務(wù)組g在子載波n上可以傳輸?shù)谋缺忍財(cái)?shù)目為：

其中，ag，n代表了業(yè)務(wù)組g和子載波n的等效信道增益的大小。這里取

其中，Hk，m代表的是業(yè)務(wù)組g中第k輛車在子載波n下的信道增益大小，σ2*代表的是噪聲加權(quán)方差；對(duì)于處于倉(cāng)庫(kù)區(qū)域B之中的業(yè)務(wù)組g而言，有：

其中，后半部分代表的是微小區(qū)對(duì)第k輛車產(chǎn)生的同頻指揮信號(hào)。Hj，k代表的是微小區(qū)和第輛車之間的用戶增益，p（n）代表的是微小區(qū)和子載波n之間的功率大小。

將業(yè)務(wù)類型分為兩種［14］：一種是實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，一種是非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。對(duì)于這兩種不同的業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)Qos不同。對(duì)于實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，業(yè)務(wù)的時(shí)延是衡量其業(yè)務(wù)性能的主要指標(biāo)［15］；而對(duì)于非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，業(yè)務(wù)的速率是衡量其性能的主要指標(biāo)［16］。

實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是通過包含時(shí)延參數(shù)通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)進(jìn)行定義。其具體特征為：

其中，Wk，m是第k輛車的時(shí)延，Tk，m為時(shí)延最大門限，pk，m是超過Tk，m的最大概率。其含義是當(dāng)基站發(fā)給第k輛車的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)延超過了Tk，m時(shí)，將其舍棄。對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，存在一種時(shí)延與速率的關(guān)系，可以將計(jì)算時(shí)延的要求轉(zhuǎn)化為計(jì)算速率的要求。關(guān)系如下所示：

其中，Rj是轉(zhuǎn)化之后的速率大小。Nj是當(dāng)前隊(duì)列中包的個(gè)數(shù)，Leni，j代表的是第i個(gè)隊(duì)列中的第j個(gè)包的大小。Tj是隊(duì)列中允許的包的最大時(shí)延門限。Di，j是第個(gè)隊(duì)列中第j個(gè)包的當(dāng)前時(shí)延。

由此，可以將業(yè)務(wù)組車輛的時(shí)延速率轉(zhuǎn)化為速率要求，其業(yè)務(wù)組時(shí)延的速率要求會(huì)是整個(gè)業(yè)務(wù)組車輛接收指揮信號(hào)速率的最大值，即

而對(duì)于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)而言，其定義是車輛的平均運(yùn)輸速率大于一定的值，引入變量εk，n來(lái)表示子載波n是不是分配給第k輛車。εk，n只能取到兩個(gè)值：1或者0。如果εk，n=1，那么代表了子載波n分配給了第k輛車；如果εk，n=0，那么代表了子載波n沒有分配給了第k輛車。假設(shè)Ψn是代表分配了子載波n的車輛集合，那么也就是說(shuō)Ψn=｛k|εk，n=1，k∈1，…，K｝。由此可得到子載波的運(yùn)輸速率為：cn=minck，n。那么第k輛車接收指揮信號(hào)速率也就是k擁有的所有子載波速率的和。

2.2異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下倉(cāng)庫(kù)的構(gòu)建

根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)傳輸機(jī)制，可以把貨物配送區(qū)域劃分兩個(gè)部分：一個(gè)部分是受到微小區(qū)同頻干擾倉(cāng)庫(kù)區(qū)域B，另一部分是不受微小區(qū)同頻干擾的車輛通道區(qū)域C。

采用預(yù)留機(jī)制為B內(nèi)的業(yè)務(wù)組車輛預(yù)留一部分子載波，以保障B內(nèi)業(yè)務(wù)組車輛基本通信質(zhì)量。在區(qū)域B和區(qū)域C之內(nèi)都有實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種業(yè)務(wù)組車輛存在。對(duì)于區(qū)域而言，可以根據(jù)每個(gè)業(yè)務(wù)組的信噪比計(jì)算出平均信噪比SNR，同時(shí)也可以得到平均子載波承載的比特?cái)?shù)Rg-tempB。由此可以得到B中的子載波數(shù)量為：

同理可得，區(qū)域C中的子載波數(shù)量為：

系統(tǒng)中總的子載波數(shù)目為N，已經(jīng)求出B區(qū)域與C區(qū)域子載波數(shù)量的比值，可以利用比值關(guān)系求出B區(qū)域預(yù)留的子載波個(gè)數(shù)為

即這一部分子載波是預(yù)留給區(qū)域B中的業(yè)務(wù)組車輛，并且隨后會(huì)分配給B中的業(yè)務(wù)組車輛。同時(shí)，將業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)用λg來(lái)表示。假定同類型運(yùn)輸車輛的優(yōu)先級(jí)基本相同，不同類型車輛運(yùn)輸量存在一定差異。這里讓優(yōu)先級(jí)滿足下式：

根據(jù)引入的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)概念，可以對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換結(jié)果如下：

當(dāng)一個(gè)子載波分配業(yè)務(wù)組車輛g的時(shí)候，可以對(duì)子載波的分配準(zhǔn)則進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果為：

2.3異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下車聯(lián)網(wǎng)分流調(diào)度

Micro基站下第k輛車接收到的信號(hào)為IMk，則測(cè)量出所有家庭基站下使用的子信道上受到的干擾：

其中，IFk代表第輛車接收到指揮信號(hào)的子載波，k∈［1，K］，M代表宏基站，F(xiàn)代表家庭基站，F(xiàn)tM代表家庭基站發(fā)送給宏基站的信號(hào)，MtF代表宏基站發(fā)送給家庭基站的信號(hào)。

家庭基站對(duì)這些子信道進(jìn)行功率分配。分配的方法是：首先給所有子信道分配保證正常通信的最低信號(hào)強(qiáng)度pFmin。然后將剩余的信號(hào)按照注水原則（干擾越少，得到功率越大）進(jìn)行分配，每個(gè)信道分到的信號(hào)強(qiáng)度pFk。則微小區(qū)基站下的子信道測(cè)量其所收到的干擾：

比較IMk與門限值I1與I2的大小關(guān)系 （I1：上限值，如果Micro下的子載波受到的干擾大于此值，則需要減少Femto下對(duì)應(yīng)子載波的功率大?。籌2：下限值，如果Micro下的子載波受到的干擾小于此值，則需要增加Femto下對(duì)應(yīng)子載波的功率大?。喝鬒Mk＞I1，則說(shuō)明微小區(qū)下子載波受到來(lái)自基站同頻段的子載波的干擾比較大。為了減小干擾，就需要家庭基站在下一輪的分配中減小下這個(gè)子載波所分配到的功率。減小分配功率的方法是認(rèn)為的在基站的此子載波受到的干擾上加上一個(gè)懲罰因子λ；若IMk＜I2，則說(shuō)明微小區(qū)下子載波收到來(lái)自基站同頻段的子載波的干擾比較小。因此可以在家庭基站下一輪分配中適當(dāng)增加這個(gè)子載波分配到的功率，增加分類功率的方法是認(rèn)為在基站此子載波受到的干擾上減去一個(gè)乘法因子；若I2≤IMk≤I1，則干擾值保持不變。

2.4算法流程

步驟1：初始化，將區(qū)域B內(nèi)的子載波個(gè)數(shù)NB計(jì)算出，并且令n=1，作為子載波下標(biāo)，為使n有意義，在這里n的取值區(qū)間設(shè)定為［1，NB］；

步驟2：子載波分配：當(dāng)n＜NB時(shí)，說(shuō)明子載波還未分配完畢，可以繼續(xù)進(jìn)行；否則，根據(jù)（7）式更新子載波，并且通過（12）式更新每一個(gè)業(yè)務(wù)組車輛g和子載波n時(shí)間的Rgn；

步驟3：由（13）式，F(xiàn)emto每個(gè)subchannel（subC）上報(bào)干擾值大小IFk，F(xiàn)emto基站首先保證所有subC的最小功率，然后根據(jù)干擾進(jìn)行注水功率分配，得到每個(gè)Femto分配給subC的功率PFk；

步驟4：分配功率完成后，計(jì)算其對(duì)每個(gè)Femto下subC對(duì)使用統(tǒng)一subC的車輛的干擾；

步驟5：比較IMk與門限值I1與I2的大小關(guān)系；

步驟6：檢驗(yàn)算法是否收斂到噪聲方差為0；否則返回步驟2；

步驟7：分配結(jié)束

3　方案仿真

3.1仿真場(chǎng)景

在本研究中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用了一半的貨物倉(cāng)庫(kù)場(chǎng)景，即8個(gè)倉(cāng)庫(kù)，如圖2。其中宏基站（模擬Micro）位于場(chǎng)景的正中心，即車輛通道C位置，共1個(gè)。而家庭基站（Femto），則布置在每個(gè)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，共有8個(gè)。車輛分布則采取了每個(gè)房間隨機(jī)布置安排一輛車作為Femto用戶車輛，走廊中布置6輛車作為Mircro用戶車輛。

圖2　仿真場(chǎng)景

3.2參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

3.3仿真結(jié)果

本方案的對(duì)比方案采用對(duì)每個(gè)信道進(jìn)行等功率分配［17-18］，觀察本方案與等功率分配算法原始方案的對(duì)比。

3.3.1Micro車輛的SINR對(duì)比情況

上圖為車輛通道內(nèi)Micro節(jié)點(diǎn)受到的SINR情況的對(duì)比?？梢钥闯觯路桨赣行У奶嵘薓icro用戶車輛的SINR值。這與方案的目的相符。

3.3.2Femto基站用戶車輛SINR的變化情況

從圖上可以看出，新方案中的Femto用戶車輛的SINR變化總體為：原本SINR高的用戶車輛，SINR進(jìn)一步提升，而原本SINR差的用戶車輛，SINR進(jìn)一步下降。這是注水功率分配造成的必然結(jié)果。但是由于每個(gè)子信道都事先分配了保證正常通信的最低功率，所以這種情況可以接受。而且在場(chǎng)景假設(shè)中，Micro是主要用來(lái)提供服務(wù)的基站。

3.3.3Mirco用戶車輛整體吞吐量變化情況

從圖中可以看出，新方案在一定程度上提升了Mirco整體的吞吐量。因?yàn)樾路桨钢蠱icro用戶車輛受到來(lái)自Femto的干擾減少，SINR提升，所以吞吐量得到提升。

圖3　Micro用戶車輛的SINR的變化情況

圖4　Femto用戶車輛的SINR的變化情況

圖6　Femto用戶車輛整體吞吐量變化情況

3.3.4Femto用戶車輛整體吞吐量變化情況

從圖中可以看出，F(xiàn)emto用戶車輛整體的吞吐量有所下降。這是由于新方案中Femto用戶車輛的SINR降低，犧牲了Femto用戶車輛的一部分性能，而去改善Mirco用戶車輛性能的必然結(jié)果。而且變化程度要比圖6中的Micro用戶車輛吞吐量變化更小，也就是說(shuō)明了Femto用戶車輛性能上做出了較少的犧牲，但是在Mirco用戶車輛一側(cè)性能則改善較大。

4　結(jié)　論

本研究首先簡(jiǎn)要介紹了車聯(lián)網(wǎng)［19］數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)上，針對(duì)倉(cāng)庫(kù)區(qū)域和車輛通道區(qū)域分別設(shè)置了家庭基站和宏基站，通過構(gòu)建車輛調(diào)度系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)條件下，分別對(duì)倉(cāng)庫(kù)區(qū)域和車輛通道區(qū)域構(gòu)建宏基站與家庭基站子載波數(shù)量，提出了一種改進(jìn)的分布式注水資源分配算法對(duì)區(qū)域內(nèi)用戶車輛進(jìn)行子信道功率分配。通過仿真可以看出，本算法相比于信道等功率原始分配算法在性能上有著一些提升。

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［16］李黃強(qiáng)，孫云蓮.混合業(yè)務(wù)下的電力線通信資源優(yōu)化分配［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010（10）：92-97.

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［19］尤飛，姚有林，高竹蓮，等.基于移動(dòng)互聯(lián)的車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2015（5）：21-24.

Research on water injection resource allocation algorithm for IOV in heterogeneous networks

LI Shao-ping，QIN Zhao-guang
（Shandong Vocational College of Science and Technology，Weifang 261053，China）

Vehicle Networking（IOV）is a typical application example in the field of Internet of things，from the perception layer，network layer and application layer of the whole architecture to form the specific information service of the communication network.This study on the brief analysis of vehicle network data transmission mechanism based on，in the heterogeneous network，by constructing the objective function of the vehicle scheduling system，respectively to the warehouse area and vehicle access area construction Acer station and femtocell subcarrier number，the use of water resources allocation algorithm of regional vehicle users of sub channel and power allocation.Finally，the water resource allocation algorithm and Channel original power allocation algorithm are simulated and compared.The results show that the proposed algorithm can reduce the interference of the family base station to the micro cell users in the heterogeneous network，and the performance of the two kinds of base station is better.

IOV；heterogeneous network；water injection algorithm；resource allocation algorithm

TN929.5

A

1674－6236（2016）09-0139-05

2016-01-12稿件編號(hào)：201601088

山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃基金項(xiàng)目資助（2015RKA068）

栗少萍（1970—），女，山東濰坊人，碩士，副教授。研究方向：控制理論與控制工程。