王致遠(yuǎn)，劉 留，樊圓圓，莊凌凡，劉美鷺

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

0 引 言

近年來(lái)，機(jī)動(dòng)車數(shù)量快速增長(zhǎng)，日益嚴(yán)重的交通擁堵和不斷增加的交通事故逐漸成為制約城市發(fā)展和威脅出行安全的重要問(wèn)題。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被認(rèn)為是提升交通效率和駕駛安全的有效手段，但是復(fù)雜的道路交通場(chǎng)景、快速變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜投鄻拥臉I(yè)務(wù)需求阻礙著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。LTE(Long Term Evolution)由于其高數(shù)據(jù)速率、全面的服務(wù)質(zhì)量保證和大覆蓋率在提供車聯(lián)網(wǎng)通信方面具有優(yōu)勢(shì)， Chen等[1]提出LTE-V2X(Long Term Evolution-Vehicle to Everything)的概念和關(guān)鍵技術(shù)，致力于實(shí)現(xiàn)車輛與周圍的車、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)和行人等全方位連接和高可靠低時(shí)延的信息交互[2-3]。

LTE-V2X中提供蜂窩通信方式和直通通信方式兩種通信方式，這兩種通信方式的區(qū)別主要在于資源分配方式[4]。在蜂窩通信方式中，采用基于基站控制的集中資源調(diào)度方式(Uu接口)，基站擁有全局資源占用情況信息，能夠避免資源沖突，但是其僅限于在蜂窩覆蓋的場(chǎng)景下使用。為了車聯(lián)網(wǎng)能夠在蜂窩覆蓋外工作，LTE-V2X引入了直通通信方式(PC5接口)，各終端提前對(duì)信道進(jìn)行感知，根據(jù)感知的結(jié)果選擇未被占用的資源傳輸。但由于PC5接口采用分布式資源分配方式，可能會(huì)出現(xiàn)鄰近兩個(gè)終端選擇相同資源的情況，這將造成接收端信干噪比急劇下降而無(wú)法正常接收。

在LTE-V2X中，解決PC5接口資源碰撞問(wèn)題是當(dāng)前熱門(mén)的研究方向，該類研究目前主要分為改進(jìn)資源調(diào)度算法和設(shè)計(jì)擁塞控制方法兩種情況。其中，前者的作用是更加合理有序地分配時(shí)頻資源，后者的作用是在信道擁塞時(shí)使得系統(tǒng)恢復(fù)到正常的負(fù)載水平，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而避免資源碰撞。對(duì)于改進(jìn)資源調(diào)度算法，文獻(xiàn)[5]為了減少資源重選所帶來(lái)的不確定性，提出在控制信息中加入“l(fā)ookahead”信息，其中包含了下次使用資源的時(shí)頻位置與大小，但目前控制信息中未使用的比特位數(shù)較少，難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]提出了使用控制信息中的1位來(lái)表示是否將進(jìn)行資源重選，易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)重選后的資源位置仍存在較大的不確定性。文獻(xiàn)[7]提出對(duì)資源池進(jìn)行再劃分，針對(duì)城區(qū)路口將資源池劃分為三塊，分配給交叉路口、水平街道、垂直街道，處于不同位置的車輛使用不同的資源池，并根據(jù)流量密度靈活分配資源。文獻(xiàn)[8]提出在高速公路場(chǎng)景下將資源池劃分為兩個(gè)子資源池，以減少相反方向車輛用戶之間的潛在干擾。文獻(xiàn)[9]對(duì)重選概率、信號(hào)接收功率閾值等進(jìn)行研究，提出PC5接口在目前算法上的最佳參數(shù)配置。文獻(xiàn)[10]提出在傳輸較大的數(shù)據(jù)時(shí)，不預(yù)留子信道以提升資源利用率。對(duì)于設(shè)計(jì)擁塞控制方法，標(biāo)準(zhǔn)中給出了5種基本擁塞控制方法,即降低最大發(fā)射功率、關(guān)閉盲重傳、降低占用子信道數(shù)量、調(diào)整調(diào)制編碼范圍、降低信道占用率上限[11]。文獻(xiàn)[6]提出了一種放棄資源傳輸時(shí)間及次數(shù)的擁塞控制策略并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。當(dāng)前主流研究?jī)H考慮從資源分配或者擁塞控制的單一角度提出固定的算法，所提出的算法降低了資源碰撞概率，但也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如產(chǎn)生信令開(kāi)銷和增大時(shí)延等[12-14]。因此，不應(yīng)在所有擁塞情況下使用相同的算法。

本文提出一種基于擁塞等級(jí)劃分的資源碰撞避免機(jī)制，根據(jù)信道忙率將信道擁塞程度劃分為低、中、高三個(gè)等級(jí)，在信道擁塞程度低的情況下仍使用基于感知的SPS算法；在信道擁塞程度中的情況下，本文提出了資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制以減少重選資源造成的碰撞；當(dāng)信道擁塞程度上升到高時(shí)，在采取資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制的基礎(chǔ)上，改變調(diào)制編碼策略(Modulation and Coding Scheme，MCS)以減少信道擁塞造成的碰撞。

1 LTE-V2X關(guān)鍵技術(shù)

1.1 時(shí)頻資源劃分

LTE-V2X在時(shí)域上每10 ms劃分為一個(gè)無(wú)線幀，每個(gè)無(wú)線幀由10個(gè)長(zhǎng)度為1 ms的子幀構(gòu)成，一個(gè)子幀包含2個(gè)長(zhǎng)度為0.5 ms的時(shí)隙；在頻域上，子載波間隔為15 kHz，使用的頻段為5 905～5 925 MHz共20 MHz帶寬，車載單元使用前10 MHz進(jìn)行發(fā)送，路側(cè)單元使用后10 MHz進(jìn)行發(fā)送。時(shí)域1個(gè)時(shí)隙和頻域12個(gè)連續(xù)子載波構(gòu)成一個(gè)資源塊(Resource Block，RB)，每個(gè)RB的帶寬為15 kHz×12=180 kHz。LTE-V2X的子信道(Sub-Channel，SC)為同一個(gè)子幀中的若干RB。圖1所示為V2X時(shí)頻資源池示意圖。

圖1 V2X時(shí)頻資源池

1.2 物理信道

在時(shí)頻資源劃分的基礎(chǔ)上，LTE-V2X PC5接口物理信道對(duì)應(yīng)一組攜帶高層信息的資源元素。這里主要介紹控制信道(Physical Sidelink Control Channel，PSCCH)和共享信道(Physical Sidelink Share Channel，PSSCH)。PSCCH和PSSCH在時(shí)域上處于同一個(gè)子幀，在頻率上采用相鄰的頻率資源發(fā)送，如圖1所示。PSSCH用于承載實(shí)際的V2X消息，其占用的RB由PSCCH上攜帶的控制信息(Sidelink Control Information，SCI)指示；PSCCH攜帶SCI信息，指示了包括優(yōu)先級(jí)、調(diào)制編碼策略以及初、重傳占用的RB等。SCI信息對(duì)應(yīng)比特位數(shù)如表1所示[15],其中NsubCH為子信道個(gè)數(shù)。

表1 SCI信息與所占比特位數(shù)

1.3 資源分配方式

在LTE-V2X PC5接口下，資源池是PSCCH/PSSCH發(fā)送和接收的候選物理時(shí)頻資源集合，其資源分配方式采用基于感知的SPS方式[2]。當(dāng)終端在選擇資源時(shí)，首先感知信道，以參考信號(hào)接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)作為信道感知參數(shù)。當(dāng)在資源塊上成功解調(diào)PSCCH時(shí)，說(shuō)明存在其他終端正在使用該資源塊，并且該資源塊上RSRP高于門(mén)限，說(shuō)明使用該資源塊的終端在本終端附近。因此，終端應(yīng)排除同時(shí)滿足以下條件的資源塊：在此資源塊上成功解調(diào)PSCCH；數(shù)據(jù)信道RSRP大于設(shè)定的門(mén)限。

在排除已被占用的資源后，將剩下資源中參考信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)最小的20%資源塊放入候選資源集合。終端在候選資源中隨機(jī)選擇資源塊，用以發(fā)送信息，并且重選計(jì)數(shù)器(Reselection Counter，RC)將在5～15之間隨機(jī)選擇占用此資源的次數(shù)。當(dāng)達(dá)到占用次數(shù)時(shí)，將依據(jù)重選概率確定是否重選資源。需要注意的是，為了滿足時(shí)延的要求，從開(kāi)始資源重選到使用重選的資源發(fā)送之間的時(shí)間間隔應(yīng)小于100 ms?；诟兄腟PS方式流程圖[16]如圖2所示。

圖2 基于感知的SPS資源選擇流程圖

標(biāo)準(zhǔn)中為了避免發(fā)生資源碰撞問(wèn)題，已在資源分配方式中引入了提前感知過(guò)程和隨機(jī)化設(shè)計(jì)，但當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)仍不可避免地會(huì)出現(xiàn)資源碰撞問(wèn)題，如：發(fā)生資源重選時(shí)其他節(jié)點(diǎn)無(wú)法預(yù)知本節(jié)點(diǎn)下一次使用資源的位置，信道擁塞時(shí)大部分資源都已被占用等。文獻(xiàn)[17]提出了LTE-V2X性能分析模型，其中將資源碰撞概率δCOL表示為

(1)

(2)

式中：pINT為干擾節(jié)點(diǎn)在接收節(jié)點(diǎn)上的干擾高于閾值的概率，與距離、傳播有關(guān)；pSIM為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和干擾節(jié)點(diǎn)選擇相同資源的概率，與資源調(diào)度、擁塞控制有關(guān)，可以表示為

(3)

式中：τ為傳輸頻率;PSEN(dt,i)為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和干擾節(jié)點(diǎn)可以互相感知到的概率;Cc(dt,i)為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和干擾節(jié)點(diǎn)的公共候選資源數(shù);Nc為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的候選資源數(shù)。

在人總行和昆明中支黨委的正確領(lǐng)導(dǎo)下，全省人民銀行消保部門(mén)認(rèn)真貫徹落實(shí)總行對(duì)金融消費(fèi)權(quán)益保護(hù)工作的統(tǒng)一部署，堅(jiān)持金融為民理念，以金融消費(fèi)者保護(hù)為抓手，以金融消費(fèi)者教育為重點(diǎn)，各項(xiàng)工作取得積極進(jìn)展。人行昆明中支法律事務(wù)處自設(shè)立以來(lái)，采取多項(xiàng)措施暢通金融消費(fèi)維權(quán)渠道，促進(jìn)金融消費(fèi)權(quán)益保護(hù)工作上臺(tái)階。

2 資源碰撞避免機(jī)制系統(tǒng)模型

為了避免由資源重選和信道擁塞所帶來(lái)的資源碰撞問(wèn)題，本文依據(jù)信道忙率進(jìn)行信道擁塞等級(jí)劃分，針對(duì)不同的擁塞等級(jí)采取相應(yīng)的資源碰撞避免方法。其中，設(shè)計(jì)資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制以減少由資源重選所導(dǎo)致的資源碰撞問(wèn)題，改變調(diào)制編碼策略以降低信道負(fù)載，緩解擁塞問(wèn)題。

2.1 資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制

為了減少資源重選所導(dǎo)致的碰撞問(wèn)題，可通過(guò)在控制信道中添加信息來(lái)減少資源重選的不確定性。文獻(xiàn)[5]提出在控制信道中添加指示重選資源時(shí)頻位置和大小的三個(gè)數(shù)字，但SCI信息中比特位數(shù)較少，難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]提出使用SCI信息中的1位來(lái)表示是否將重選資源，但對(duì)重選后使用資源的位置未知，仍存在較大的不確定性。

為了以較少的控制信息最大程度地減少資源重選所帶來(lái)的不確定性，本文提出資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制，終端提前確定資源重選的位置，將重選資源與重選前最后一次傳輸資源的時(shí)間間隔添加到重選前最后一次傳輸?shù)目刂菩畔⒅?，各終端根據(jù)重選的先后順序執(zhí)行競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制。由1.3節(jié)可知，為了滿足時(shí)延要求，重選資源和重選前最后一次傳輸資源的時(shí)間間隔應(yīng)在100 ms以內(nèi)，因此以ms為單位需要7個(gè)比特即可指示此時(shí)間間隔。同時(shí)考慮到子信道劃分的差異，SCI信息中初、重傳頻率位置指示所占比特在0～8之間，因此將有7～15 b未被使用[18]。綜上，本文選取SCI信息中7個(gè)尚未使用的比特作為“資源重選位置”(Resource Reselection Location，RRL)，用于指示重選資源和重選前最后一次傳輸?shù)臅r(shí)間間隔，其字段含義如表2所示。

表2 “資源重選位置”字段含義

競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制基本思想如下：

(1)當(dāng)終端的重選計(jì)數(shù)器RC達(dá)到2時(shí)，此時(shí)根據(jù)重選概率P提前確定是否重選資源；若不重選資源，則在[5,15]中隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)將其加到RC中；若重選資源，需在RC達(dá)到1前，對(duì)信道感知并確定重選資源的位置。

(2)確定重選資源后，監(jiān)測(cè)在RC達(dá)到0以前是否有其他終端選擇相同資源，若沒(méi)有，在RC為0的傳輸中將重選資源和此次傳輸資源的時(shí)間間隔添加到SCI信息“RRL”中，并在之后使用選擇的資源進(jìn)行傳輸；若有，則在RC為0的傳輸中將“RRL”置為全1，重新對(duì)信道進(jìn)行感知后再次選擇資源。

該機(jī)制流程中，當(dāng)重選計(jì)數(shù)器RC為2時(shí)，終端將進(jìn)行圖3所示流程。終端間對(duì)資源進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)退避的示意圖如圖4所示。

圖3 資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制流程圖

圖4 資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制示意圖

上述機(jī)制將帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：提前確定重選的資源并將其時(shí)域相對(duì)位置寫(xiě)入重選前傳輸?shù)腟CI信息中，當(dāng)有多個(gè)終端同時(shí)選擇相同資源，根據(jù)先后順序執(zhí)行競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制，采取退避機(jī)制的終端再次選擇資源時(shí)也能夠充分了解到哪些資源將被占用。因此，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和干擾節(jié)點(diǎn)選擇相同資源的概率pSIM(dt,i)表示為

(4)

同式(3)相比，本文機(jī)制有效減少了資源重選所帶來(lái)的碰撞問(wèn)題。并且，該機(jī)制利用SCI信息中尚未使用的比特，無(wú)需變更控制信息格式，易于實(shí)現(xiàn)。該機(jī)制存在的弊端為由于提前選擇資源，感知窗較SPS機(jī)制有所縮小，將產(chǎn)生一些資源碰撞問(wèn)題，但相比而言，在信道繁忙的情況下，資源重選所帶來(lái)的不確定性是產(chǎn)生資源碰撞的主要原因之一。

2.2 調(diào)制編碼策略

(5)

(a)r=0.5 QPSK方式仿真結(jié)果

(b)不同碼率16QAM方式仿真結(jié)果圖5 相對(duì)速度280 km/h的V2V通信仿真結(jié)果

2.3 基于擁塞等級(jí)劃分的資源碰撞避免機(jī)制

本文根據(jù)CBR劃分信道擁塞程度，并采取相應(yīng)的措施，如表3所示。初始配置為基于感知的SPS機(jī)制，使用的調(diào)制編碼策略為QPSK，r=0.5；調(diào)整后的調(diào)制編碼策略為16QAM，r=0.4。

表3 擁塞等級(jí)劃分對(duì)應(yīng)機(jī)制

3 仿真與分析

本節(jié)通過(guò)Matlab仿真所提出的機(jī)制，將不同擁塞程度下的仿真結(jié)果同標(biāo)準(zhǔn)中基于感知的SPS結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證算法的性能?；贕onzalez-Martin等[17]提出的分析模型，交通環(huán)境選取雙向四車道高速公路場(chǎng)景，長(zhǎng)為5 km，設(shè)置車輛最大行駛速度為140 km/h，即最大相對(duì)速度為280 km/h；V2V業(yè)務(wù)選取基本安全消息[20](Basic Safety Message，BSM)，其為向外部傳播車輛基本參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的一種消息，具有固定大小和周期廣播發(fā)送的特點(diǎn)，通信范圍應(yīng)不小于300 m，仿真參數(shù)配置如表4所示。

表4 V2V仿真參數(shù)配置

為了評(píng)估算法的性能，本文選取碰撞率和數(shù)據(jù)包投遞率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)碰撞率(Collision Ratio，CR)，定義為發(fā)生資源碰撞鏈路數(shù)與鏈路總數(shù)的比值，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：Lcollided是發(fā)生資源碰撞的鏈路數(shù)；Ltotal是鏈路的數(shù)量。

(2)數(shù)據(jù)包投遞率(Packet Delivery Ratio，PDR)，定義為所有發(fā)送的數(shù)據(jù)包中成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量與全部數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值，計(jì)算公式如下：

(7)

式中：Nsuccess為成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量；Ntotal為全部數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

當(dāng)擁塞等級(jí)低時(shí)，采用基于感知的SPS方式。當(dāng)CBR=0.2時(shí)，在500 m以內(nèi)，碰撞率均低于0.1，在370 m以內(nèi)PDR高于0.9，在450 m以內(nèi)PDR高于0.8，具有較好的覆蓋。當(dāng)擁塞等級(jí)中時(shí)，采用資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制，并與基于感知的SPS進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)CBR=0.5時(shí)，采取資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制后，碰撞率較SPS機(jī)制降低了約5%，并且直通鏈路的典型傳輸距離要求為300 m[2]，本文提出的機(jī)制在300 m內(nèi)PDR可達(dá)0.9以上，在370 m以內(nèi)PDR達(dá)0.8以上。當(dāng)擁塞等級(jí)高時(shí)，在采取資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制的基礎(chǔ)上，改變調(diào)制編碼策略為r=0.4的16QAM，并與基于感知的SPS進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)CBR=0.7時(shí)，本文提出的機(jī)制較SPS機(jī)制碰撞率降低了約12%，CBR降為0.48，在260 m的范圍內(nèi)PDR可達(dá)到0.9以上，在300 m的范圍內(nèi)PDR可達(dá)到0.85以上。仿真結(jié)果如圖6所示。

(a)不同擁塞程度下的CR

(b)不同擁塞程度下的PDR圖6 不同擁塞程度下的CR和PDR仿真結(jié)果

綜上所述，本文所提出的機(jī)制有效減少了資源碰撞，提高了傳輸?shù)目煽啃?，提升了通信質(zhì)量，擴(kuò)大了覆蓋范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中資源選擇沖突導(dǎo)致無(wú)法正常接收的問(wèn)題，本文提出了一種資源碰撞避免機(jī)制。該機(jī)制融合了資源分配與擁塞控制，從資源分配角度設(shè)計(jì)資源重選競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制，在擁塞控制中采取改變調(diào)制編碼策略，并通過(guò)劃分信道擁塞等級(jí)，對(duì)不同擁塞等級(jí)的信道采取相應(yīng)的碰撞避免措施。仿真結(jié)果表明，本文所提出的機(jī)制具有更低的資源碰撞率和更高的數(shù)據(jù)包投遞率，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)中基于感知的半持續(xù)調(diào)度方式，為車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下通信高可靠目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效方案，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。后續(xù)將在本文機(jī)制的基礎(chǔ)上，研究存在隱藏終端時(shí)如何避免可能發(fā)生的資源碰撞，從而進(jìn)一步降低終端間的干擾，提升通信的可靠性。