V2V系統(tǒng)中半靜態(tài)資源分配算法的研究

（北京郵電大學無線理論與技術研究室，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

（北京郵電大學無線理論與技術研究室，北京 100876）

本文主要研究在城鎮(zhèn)場景中，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LTE-based V2V仿真平臺，對V2V系統(tǒng)資源分配算法進行研究。同時對比動態(tài)調度算法，主要提出了基于單播、多播的半靜態(tài)調度算法。仿真結果表明，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。

V2V；資源分配；系統(tǒng)級仿真；半靜態(tài)調度

1 引言

中國已經逐漸成長為全球最大的汽車市場和全球最大的移動互聯(lián)市場。越來越多的車輛以及不斷擴大的交通網絡給社會生活增添了不少的便利。也給社會的發(fā)展帶來了一系列的問題，如何解決這些問題成為了當務之急，只有通過對交通狀況的實時監(jiān)控，以及對車輛自身狀況和周圍環(huán)境的不斷檢測，做到及時的調控，由此實現(xiàn)對車輛運作的智能化控制，提高車輛對能源的利用率，從而減少對環(huán)境的影響?；谝陨弦?，車聯(lián)網系統(tǒng)應運而生。

由于LTE/LTE-Advanced技術具有容量大和可靠性高等優(yōu)點，我國廣泛采用LTE技術，在此基礎之上進行V2V的研究具有較大的優(yōu)勢。對于LTE-Advanced通信系統(tǒng)，上下行速率分別為500 Mbit/s，1 Gbit/s，由于正交頻分復用（OFDM）技術的使用，提高了系統(tǒng)容量，改善了系統(tǒng)時延[1，2]。此外，LTE-Advanced系統(tǒng)加入了點到多點的多播服務，終端到終端（Device-to-Device，D2D）等新特性[3]，這為LTE-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，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)務需求，以及考慮不同用戶在不同業(yè)務上的服務質量（QoS）上的區(qū)別，系統(tǒng)中的基站需要對上下行鏈路無線資源進行調度。

限制LTE系統(tǒng)的業(yè)務數量的一個重要因素是控制信息的不足，采用半靜態(tài)調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)務具有周期性觸發(fā)，通信數據小的特點，對于周期性的V2V業(yè)務周期為100 ms，數據大小最大為300 byte[4]。因此在理論上，對于V2V的數據采用半靜態(tài)調度能夠節(jié)省系統(tǒng)的信令開銷，從而能夠增加系統(tǒng)的業(yè)務容量[5]。在此基礎之上，利用V2V通信的距離限制，提出了改進型的單播SPS調度算法。同時為了支持城鎮(zhèn)車輛密度大的場景，提出了基于多播的SPS調度算法。

2.1 基于位置控制的單播半靜態(tài)調度算法

在V2V系統(tǒng)中，車輛復用蜂窩網用戶所占有的頻譜資源從而實現(xiàn)車輛與車輛之間的直接通信。基站側調度算法首先給蜂窩網絡用戶進行資源分配，然后再考慮V2V用戶資源復用。假設在此單小區(qū)中有M個VUE用戶， N個UE用戶，在此小區(qū)中需要發(fā)送消息的VUE（記為VUES）數量為Y（VUES，i表示Y個發(fā)送消息的VUE用戶中的第i個，i=1，2…Y），首先這Y個有V2V業(yè)務需求的VUES會在基站的輔助下將自己進行標記，標記之后自己的位置會被其他不發(fā)送消息的VUE感知，不發(fā)送數據的VUE記為VUER，會接收其他的VUES的信息，VUER個數為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，j=1，2…M-Y）。此時M-Y個VUER會根據自己的位置坐標遍歷所有的VUES，對他們之間的路徑損耗進行估算。并且進行排序，選取其中最強的鏈路，并且與之對應的VUES建立連接。在M-Y個VUER遍歷完成以后，每個VUES都能得到一個集合{VUER}i，{VUER}i表示在當前基站覆蓋范圍內VUES，i需要進行發(fā)送消息的通信的集合， 因為有Y個VUES，所以{VUER}i集合的數量為Y。VUES，i需要復用LTE的上下行時隙的資源對集合中的VUER進行資源分配。VUES，i與集合中的VUER的鏈路都是相對與其他VUES的強鏈路，這并不意味著每一個鏈路都是有效的。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，不是V2V通信的有效鏈路，所以在進行資源分配之前，要先從集合中除去這些VUER，并且得到新的VUES，i對應的集合，集合表示與VUES，i相對應建立連接的滿足距離在d以內的VUER的集合。

根據V2V業(yè)務的特性，我們將半靜態(tài)調度與V2V通信相結合。假設VUES，i對應的集合中的數目為Pi，半靜態(tài)的調度周期為T（單位：ms）。VUES，i此時相當于一個小基站，需要對集合內的Pi用戶進行下行資源分配。一般情況下，調度周期的值可以自定，由于集合中的數目需要為每個VUER分配一個時隙，所以T≥Pi。

每個VUER的分配的時隙間隔為：

其中“[]”表示向下取整。

圖1 VUES,i調度p時隙說明

根據我們基于位置控制的半靜態(tài)調度算法，雖然V2V系統(tǒng)中存在多個VUES，i通信集合，但是在每個時隙，每個VUES，i只會復用一個UE時隙的資源，可以得到：

式中：RDC，j—— 場景1下，蜂窩網絡第j個UE所能達到的速率；

RVUES，j(K)——在場景1下，第i個VUES在復用K個資源塊所能達到的速率，K的大小與系統(tǒng)帶寬有關；

N表示蜂窩網絡用戶數，Pi表示VUES的個數。

2.2 基于距離控制的多播組劃分半靜態(tài)調度算法

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)調度算法。因為VUES，i在與VUES建立連接的時候，已經知道{VUER}di集合中所有VUER的坐標，要在集合{VUER}di繼續(xù)劃分，可以根據距離的遠近劃分服務群組，假設群組中的VUER個數最大為L，那么可劃分為G個群組：

其中“{}”符號表示是向上取整。

考慮半靜態(tài)周期對于群組數目的限制，所以L的取值應該使G≤T。

{VUER}di被劃分成3個群組，將{VUER}di劃分的群組表示為{VUER，g}di，g=1，2…G。通過指數有效信噪比映射（EESM），可以計算出反映信道狀態(tài)的有效信噪比。信噪比SINRi表示采用正交頻分復用下第i個子載波上的信噪比。則通過EESM處理，將多個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表示線性指標值表示的第i個子載波上的信噪比；

K表示分配的資源塊中包含的子載波的數量；

β表示與MCS對應的參數。

其中“[]”表示向下取整。

VUES，i對{VUER，g}di的調度與時隙相對應，即只有在對應的調度時隙時，才對相應的{VUER，g}di進行調度，假定每個時隙設定為1 ms。在一個半靜態(tài)周期內每個{VUER，g}di只會被調用一次，直到下一個調度周期開始，才會繼續(xù)為{VUER，g}di分配資源。整個LTE系統(tǒng)所能達到的速率為RD：

式中：VUEDC，j——場景1下，蜂窩網絡第j個UE所能達到的速率；

——在場景1下，第i個分組在復用K個資源塊所能達到的速率，K的大小與系統(tǒng)帶寬有關；

N表示蜂窩網絡用戶數，G表示分組的個數。

3 V2V仿真系統(tǒng)

對于V2V通信系統(tǒng)而言，構建如圖3所示V2V通信系統(tǒng)仿真場景。

場景圖中有7個小區(qū)，分為21個扇區(qū)，分布在9個街區(qū)中。圖中綠色點代表車輛的初始分布，表示車輛的位置。街區(qū)長度為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 移動性模型

圖3 V2V通信系統(tǒng)仿真場景

對于在城鎮(zhèn)環(huán)境中的車輛來說，車輛移動的速度為60 km/h，車輛的位置每100 ms更新一次。同時車輛按照以下規(guī)則運動，在街道口直行的概率為0.5，左右轉的概率分別為0.25。仿照Warp Around技術，當車輛越過邊界時，將車輛移動到與此邊界線平行的與此邊界線相距最遠的邊界線處。據此對車輛的位置進行更新。

3.2 業(yè)務模型

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

表1 V2V系統(tǒng)仿真參數

3.3 V2V通信系統(tǒng)仿真參數

V2V通信系統(tǒng)仿真參數如表1所示。

4 仿真結果分析

4.1 仿真結果分析

對于V2V通信系統(tǒng)而言系統(tǒng)最主要的指標是對于PRR（Packet Reception Ratio， 數據分組成功接收率）的統(tǒng)計結果。

算法1代表基于位置控制的半靜態(tài)調度算法，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對比圖。

圖4 不同車輛密集度下兩種算法 對比圖（圖中橫坐標一個刻度表示20 m）

根據圖4所示，在車輛數量為100的時候，算法1的性能稍優(yōu)于算法2的性能。當車輛密集度較大時，因為隨著車輛的數量增加，不在同一個時隙復用資源的算法1會面臨資源匱乏的情況，所以導致有些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解決這一問題，所以此時的性能要優(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)中每個用戶的吞吐量的平均值，中心用戶定義為0～60 m內的用戶的吞吐量，邊緣用戶定義為150～320 m內用戶的吞吐量，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量差帶來的影響。算法2的吞吐量是最高的，這是因為算法2最大化利用系統(tǒng)的頻率資源，同時對系統(tǒng)的干擾控制在一定范圍內，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%。但是對于邊緣用戶的平均吞吐量卻有所下降，因為邊緣用戶的信道質量較差，將資源共享會進一步影響接收的性能。綜上所述，半靜態(tài)調度的兩種算法對于系統(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.

中國移動堅持信息基礎設施先行 以實際行動積極參與、全力支持雄安新區(qū)規(guī)劃建設

近日，中國移動通信集團公司連續(xù)召開黨組會和相關專題會，傳達學習黨中央、國務院關于設立河北雄安新區(qū)的通知精神和習近平總書記關于規(guī)劃建設雄安新區(qū)的重要指示精神，研究部署具體落實措施。中國移動黨組認識到，設立河北雄安新區(qū)，是以習近平同志為核心的黨中央作出的一項重大的歷史性戰(zhàn)略選擇，是千年大計、國家大事，具有重大現(xiàn)實意義和深遠歷史意義。

中國移動決心迅速行動起來，按照黨中央、國務院決策部署，以新發(fā)展理念為引領，充分發(fā)揮信息通信行業(yè)的戰(zhàn)略性、基礎性、先導性作用，以強有力的組織保障和資源保障全面對接、積極參與、全力支持雄安新區(qū)的規(guī)劃建設，這是中國移動政治責任、經濟責任和社會責任所在，更是中國移動持續(xù)健康發(fā)展的重大戰(zhàn)略機遇。圍繞雄安新區(qū)規(guī)劃建設總體要求和重點任務，中國移動將結合實際，超前布局并認真推進落實。

(來源：中國移動通信集團公司)

中國移動通信集團設計院積極推進管線勘察一體化平臺試點工作

中2017年4月17日，中國移動通信集團設計院高軍詩所長帶領相關人員與江蘇駐地項目組，以及設計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推進試點工作進行交流。

管線勘察工具的應用，是傳統(tǒng)勘察設計方式向新設計衍變和發(fā)展，積極構建管線新設計工具平臺體系，提升設計信息化生產輔助和資源管理支撐能力的有益探索。

(本刊訊)

展訊助力運營商2G客戶升級至4G

如何激活2G存量市場，引領4G普及，成為運營商的重要議題和目標。作為產業(yè)鏈芯片端的核心企業(yè)，展訊通訊董事長兼CEO李力游博士向記者介紹了其在4G上的產品布局。2017年展訊推出了全球首款4G功能機芯片，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，該芯片平臺支持500萬像素攝像頭、720P視頻播放、FWVGA屏幕顯示以及VoLTE高清語音視頻通話，極大提升了功能機的用戶體驗。展訊的4G智能芯片平臺全面覆蓋高中低端手機市場，通過高性能、高質量的產品為運營商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用與體驗的同時，提升了運營商的ARPU值，推動用戶消費升級。

面向中高端市場展訊推出了全球首款基于Intel 架構的14納米8核64位LTE芯片平臺SC9861，拉動終端產品升級。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品鏈，不僅有中高端的產品已打入市場，同時擁有多項自主技術及差異化的方案，為合作伙伴帶來更大的價值和市場競爭力。展訊下半年將推出擁有專利的雙卡雙待雙通芯片，在芯片的設計、表現(xiàn)力和成本等方面很有自己的特色，這是市場上從未出現(xiàn)過的。展訊擁有雙卡技術的核心專利，雙卡雙待雙通芯片功耗非常小。同時，展訊也在積極布局5G芯片研發(fā)，李力游博士預計展訊會在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，李力游博士說：“我專門組建了一個團隊做物聯(lián)網行業(yè)應用，包括車聯(lián)網，國家安全的安全手機，還有一些政府有關的項目。這些都是希望采用我們國內的芯片，我個人看現(xiàn)在的物聯(lián)網的量非常小，但是如果說再給產業(yè)5-10年時間，他的量會超過手機。所以我們不但是有布局，而且還挺多的。我們可以做藍牙自主聯(lián)網，讓兩個燈泡可以自己交談，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