一種車載通信系統無線資源調度方法
【專利摘要】本發明提供一種車載通信系統無線資源調度方法，目的在于提供一種增加車載通信系統整體性能，保證用戶的公平性及不同業務的用戶需求的調度方法，從而更好的提升車載系統中不同車速車載設備(OBU)與路邊設備(RSU)通信的公平性，確保各類車載通信業務的時延要求。包括步驟：路邊設備判斷車輛的狀態信息，獲得在激活狀態下車輛的位置信息和運動信息，得到車載設備的速度優先級因子；由業務類型及其服務質量的要求獲得車載設備的業務優先級因子；由車輛的位置信息得到每個車載設備和路邊設備之間的信道質量，求得車載設備的實時傳輸速率，并通過車載設備的實時傳輸速率計算得出公平性優先級因子；根據調度算法，由速度優先級因子、業務優先級因子、公平性優先級因子得出車載設備的用戶優先級，按優先級順序傳輸數據，更新并記錄平均傳輸速率；更新車輛信息及信道信息，持續調度過程至循環終止。
【專利說明】一種車載通信系統無線資源調度方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應用于車載通信系統的無線資源調度方法，目的在于引入信道的時變特性和車輛的運動特性以及區分不同業務的服務質量要求，從而提高系統的整體吞吐量，并保證公平性；適用于車載通信系統中。
【背景技術】
[0002]傳統的分組調度適用于對分組數據業務，針對分組到達時間間隔和分組長度的隨機分布特點，從而對分組數據用戶的業務來進行管理和調度，并由調度算法來具體決定分組傳輸的順序與可使用的比特速率。同時，因為存在不斷變化的無線信道衰落情況，需要考慮無線信道的時變特性，從而提高系統的效率，包括系統頻率分集增益、時間分集增益和多用戶分集增益。該項技術已成為當今各類通信系統的核心技術。無論是何種移動通信系統，調度算法的設計應充分考慮用戶條件，并且兼顧到不同用戶的公平性，以及對業務的區分度的服務質量要求要求QoS，比如分組時延和傳輸速率等。
[0003]在現有的車載通信系統中，其采用的是IEEE 802.11標準中的基于競爭的DCF分布式協調功能，即載波偵聽/碰撞避免CSMA/CA的方式，設計初期的目的是用于無線局域網等移動性較小的環境中，具體包括載波檢測機制、幀間間隔和隨機退避流程，在每個節點上使用CSMA機制的分布接入算法，并讓每個站都通過對信道的競爭來獲取發送權，而為了避免碰撞，當所有的站完成發送后，必須繼續監聽并等待一段時間間隔后才可發送下一幀，其中幀間間隔的長短由該站發送的幀的類型決定，高優先級的等待時間很短，可以較快獲得發送權，而低優先級的會被推遲發送，當信道從忙轉為空閑時，各個站點就需要進入爭用窗口并計算隨機退避時間后接入信道并占用信道資源，其中，IEEE 802.11使用二進制指數退避算法。當針對不同的車載通信業務時，采用設置不同的競爭窗口參量競爭窗口最小值Cffmin和競爭窗口最大值CWmax的大小來加以區分，現有多數的針對車載通信系統中資源調度模式的改進，主要都基于CSMA/CA方式，以調整競爭窗口相關的優先級設置來完成。
[0004]但是對于不斷變化的車載通信無線信道的衰落，即時變的無線信道依然基于傳統的802.11的調度方式，則沒有充分考慮信道的具體情況，造成了整體系統性能的削弱，并且對于不同運行速度的車輛間公平性因素也沒有得到充分考慮，需要考慮車輛的相對位置和運行速度等因素，而且僅通過設置不同的競爭窗長最小值和最大值來區分業務等級，這樣的設置并不能理想的保證業務的服務質量需求。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種車載通信系統的調度方法，不僅可以增加系統整體性能，又能保證不同業務的服務質量需求，確保各類車載通信業務的時延要求，更好的提升系統中不同行駛速度的車載設備OBU與路邊設備RSU間通信的公平性。
[0006]為實現上述目的，本發明提供一種車載通信系統的無線資源調度方法，其特征在于包含以下步驟:[0007]I)路邊設備判斷車輛的狀態信息，獲得在激活狀態下車輛的位置信息和運動信息，得到車載設備的速度優先級因子；
[0008]2)由車輛的激活狀態生成其業務類型，按照業務的服務質量要求獲得車載設備的業務優先級因子；
[0009]3)由車輛的位置信息和運動信息得到每個車載設備和路邊設備之間的信道質量，求得車載設備的實時傳輸速率，并通過車載設備的實時傳輸速率計算得出公平性優先級因子;
[0010]4)根據調度算法，由速度優先級因子、業務優先級因子、公平性優先級因子得出車載設備的用戶優先級，按優先級順序傳輸數據，更新并記錄平均傳輸速率；
[0011]5)更新車輛信息及信道信息，持續調度過程至循環終止。
[0012]本發明的方法還包括一個步驟:當接入車載通信網絡的車載設備即用戶離開路邊設備的覆蓋范圍時，則注銷該用戶狀態為0，取消反饋該無線鏈路下的信道條件，無需計算該用戶的優先級，減少運算量，如果判斷仍在該覆蓋范圍內，則該用戶仍為激活狀態I。
[0013]結合附圖閱讀本發明實施方式的詳細描述后，本發明的其他特點和優點將變得更加清楚。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的車載通信系統調度方法整體流程圖；
[0015]圖2是不同車速車輛運行公平性示意圖；
[0016]圖3是車載系統調度算法與CSMA/CA性能比較圖；
[0017]圖4是車載調度算法下各業務的性能圖；
[0018]圖5是公平性性能比較圖；
【具體實施方式】
[0019]下面將對本發明的實施方式進行詳細說明。圖1是本發明的車載通信系統調度方法整體流程圖流程。該流程開始于步驟S101，將RSU的位置、發送功率P、高度、位置、覆蓋范圍等設定好，生成OBU數目K，同時設定仿真總時隙數即為循環迭代總次數N，噪聲功率σ，信道帶寬W。
[0020]然后，在步驟S102，根據車載設備初始數目K隨機生成運動模型，具體包括在路邊單元覆蓋范圍內的位置，包括X軸和y軸兩個分量，車載設備的兩個運動方向:正向與反向，以及車載設備的運動速度V，初始化車載設備為激活狀態；根據位置信息得出并存儲車載設備與路邊單元的相對距離D用于S104進行無線信道大尺度衰落路徑損耗的估計，為了確保不同車速的用戶在同一區域內獲得相對一致的服務量，引入了速度優先級因子Vi，為了避免速度優先級因子所占比重過大，設定Vi = 1g(V)，計算并保存車載設備的速度優先級因子V = 1g(V)用于調度算法S106中優先級的計算。
[0021]在步驟S103，由業務類型及其服務質量的要求獲得車載設備的業務優先級因子。首先根據車載設備的激活狀態與否隨機生成不同的業務類型，結合實際的車載通信業務需求分別設置三類車載的業務應用Voice、Video、Best effort所能容忍的最大時延τ為80ms、280ms和5000ms，設置三類業務應用可容忍的最大超時分組比例δ為0.01，0.01，0.01，根據服務質量要求分別計算全部車載設備的業務優先級因子，其中第k個車載設備的業務優先級因子為ak = _log( δ k)/ τ k ;同時為每個車載設備用戶設置業務數據緩存區，記錄每個用戶的業務數據緩存區隊頭時延，當某一用戶被調度后則去掉其緩存區數組隊首，后面緩存區隊列的數據前向賦值。
[0022]完成上述步驟后，開始步驟S104，結合S102獲得的路邊設備和車載設備RSU-OBU
的相對距離D，算出大尺度衰落的路徑損耗模型為2次方衰減信道H1，即Hl 6，隨機
生成信道的小尺度瑞利衰落為Η2，即可得到每個車載設備收到的路邊設備的信號功率為P.Hlk.|H2k|2，得出信噪比SNR后代入信道容量公式即可得S105步驟中的用戶k的瞬時傳輸速率，即rk = W.log2(l+SNRk)，其中 SNRk = P.Hlk.H2k|2/o，σ 為噪聲功率，W 為信道帶寬，初始化時全部車載設備的平均傳輸速率Rk為1，算出用戶k的公平性優先級因子
為
【權利要求】
1.一種車載通信系統的無線資源調度方法，其特征在于包含以下步驟: 1)路邊設備判斷車輛的狀態信息，獲得在激活狀態下車輛的位置信息和運動信息，得到車載設備的速度優先級因子； 2)由業務類型及其服務質量的要求獲得車載設備的業務優先級因子； 3)由車輛的位置信息得到每個車載設備和路邊設備之間的信道質量，求得車載設備的實時傳輸速率，并通過車載設備的實時傳輸速率計算得出公平性優先級因子； 4)根據調度算法，由速度優先級因子、業務優先級因子、公平性優先級因子得出車載設備的用戶優先級，按優先級順序傳輸數據，更新并記錄平均傳輸速率； 5)更新車輛信息及信道信息，持續調度過程至循環終止。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于路邊設備判斷車輛的狀態信息，獲得在激活狀態下車輛的位置信息和運動信息，得到車載設備的速度優先級因子的步驟包括以下步驟: 1)根據車載設備初始數目K隨機生成運動模型，具體包括在路邊設備覆蓋范圍內的位置:包括X軸和y軸兩個分量，車載設備的兩個運動方向:正向與反向，以及車載設備的運動速度V，初始化車載設 備為激活狀態； 2)根據2)得出的位置信息計算并存儲車載設備與路邊設備的相對距離D，用于進行無線信道大尺度衰落估計，同時計算并保存車載設備的速度優先級因子V = log(v)應用于調度算法。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于由業務類型及其服務質量的要求獲得車載設備的業務優先級因子的步驟如下: 1)根據車載設備的激活狀態隨機生成不同的業務類型，結合實際的車載通信業務需求分別設置三類車載的業務應用Voice、Video、Best effort所能容忍的最大時延τ為80ms、280ms和5000ms，設置三類業務應用可容忍的最大超時分組比例δ為0.01，0.01，0.01，根據服務質量要求分別計算全部車載設備的業務優先級因子用于調度算法計算優先級順序，即有第k個車載設備的業務優先級因子為ak = -log(5 k) / τ k ; 2)為每個車載設備用戶設置業務數據緩存區，記錄每個用戶的業務數據緩存區隊頭時延，當某一用戶被調度后則去掉其緩沖區數組隊首，后面緩存區隊列的數據前向賦值。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于由車輛的位置信息得到每個車載設備和路邊設備之間的信道質量，求得車載設備的實時傳輸速率，并通過車載設備的實時傳輸速率計算得出公平性優先級因子的步驟如下: 1)結合獲得的路邊設備和車載設備的相對距離D，算出大尺度衰落的路損模型為2次方衰減信道HlJPffi K 2)隨機生成信道的小尺度瑞利衰落為H2，即可得到每個車載設備收到的路邊設備的信號功率為P.Hlk.|H2k|2，得出信噪比SNR后代入信道容量公式即可得用戶k的瞬時傳輸速率，即 rk = W.1g2 (l+SNRk);其中 SNRk = P.Hlk.| H2k |2/ σ，σ 為噪聲功率，ff 為信道帶寬，初始化時全部車載設備的平均傳輸速率Rk為1，算出用戶k的公平性優先級因子為Λ =?用于調度算法的計算。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于根據調度算法，由速度優先級因子、業務優先級因子、公平性優先級因子得出車載設備的用戶優先級，按優先級順序傳輸數據，更新并記錄平均傳輸速率的步驟如下: 1)根據調度算法，對于第η個調度單元將速度優先級因子、業務優先級因子、公平性優先級因子帶入下式，即得用戶i在第η個調度單元中的優先級為Qi,n = a,,n ^fi,n-Vi,η,則信道的調度目標即為J = argmax (Qi, J，得到用戶的優先級順序后，再依次按照時分多址TDMA的方式分配時隙，完成數據傳遞； 2)然后根據更新公式對平均傳輸速率進行更新
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于更新車輛信息和信道信息，持續調度過程至循環終止的步驟如下: 1)在迭代過程中，每次經過調度單元的循環后，重新計算每個車載設備與路邊設備的相對位置，判斷車載設備是否仍在路邊設備的覆蓋范圍內，若不在覆蓋范圍內則置該車載設備為注銷狀態，則無需對該車輛的業務進行調度，若在覆蓋范圍內則仍為激活狀態，繼續進行調度，并更新車輛信息和信道信息； 2)調度算法迭代時，判斷是否到達迭代次數N，到達迭代次數或者全部車輛均為注銷狀態時結束調度過程則結束循環；通過所記錄的平均傳輸速率和存儲的時延數組，計算得出系統總的吞吐量和各業務的時延分布曲線及公平指數，其計算式為通常采用的Raj Jain公平指數:
【文檔編號】H04W72/12GK103458523SQ201210177189
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年6月1日 優先權日:2012年6月1日
【發明者】程翔, 宋林, 張榮慶, 焦秉立 申請人:北京大學