基于可變距離的車聯(lián)網(wǎng)D2D通信連接選擇

邱永芳，邱恭安，周永箏

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基于可變距離的車聯(lián)網(wǎng)D2D通信連接選擇

邱永芳，邱恭安，周永箏

（南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇南通 226019）

車聯(lián)網(wǎng)是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的延伸，其中基站協(xié)作的D2D通信適用于車間交通消息的短距離無線傳播。針對(duì)車輛快速移動(dòng)導(dǎo)致的通信鏈路動(dòng)態(tài)性，提出了一種基于可變距離的D2D連接選擇方法。通過選擇行車道及車間距離參數(shù)，估計(jì)D2D連接對(duì)的信道質(zhì)量，推導(dǎo)了D2D連接選擇的優(yōu)先指數(shù)，并基于該優(yōu)先指數(shù)建立D2D通信鏈路進(jìn)行交通消息傳播。仿真結(jié)果顯示，所提方法在D2D連接的生存時(shí)間、傳輸效率方面得到提高，同時(shí)降低了D2D通信的中斷概率，提升了車輛間通信可靠性。

D2D通信；連接選擇；鏈路生存時(shí)間；車聯(lián)網(wǎng)

1 引言

在蜂窩通信系統(tǒng)的控制下，D2D通信允許終端用戶通過共享小區(qū)資源在一定范圍內(nèi)進(jìn)行直接通信，是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。當(dāng)交通事件發(fā)生時(shí)，交通狀態(tài)消息會(huì)在短時(shí)間和短距離范圍內(nèi)重復(fù)廣播，容易造成有限鏈路擁塞。D2D通信作為一種可靠的短距離通信技術(shù)，能有效緩解核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，適用于車聯(lián)網(wǎng)中短距離交通消息傳播[4]。目前，車聯(lián)網(wǎng)采用專用短距離通信（dedicated short range communication，DSRC）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)車間及車路通信。但RSU/OBU（road side unit / on broad unit）通信距離短，容易導(dǎo)致交通消息網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性問題，需要改進(jìn)交通消息傳輸網(wǎng)絡(luò)以提高交通消息傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。因此，基于車輛的強(qiáng)移動(dòng)性探索D2D連接對(duì)選擇方法，以建立生存時(shí)間長、可靠性強(qiáng)的鏈路，能夠降低D2D通信中斷概率，提高交通消息傳播性能。

一旦D2D通信鏈路建立起來，其通信所需的數(shù)據(jù)流量將不再經(jīng)過基站和核心網(wǎng)，從而減少通信時(shí)延、減輕基站壓力、緩解核心網(wǎng)負(fù)載，大大提升頻譜利用率和吞吐量[5]。參考文獻(xiàn)[6]指出當(dāng)潛在D2D連接對(duì)確定后，所有可行鏈路的傳輸順序?qū)⒂绊懴到y(tǒng)性能。參考文獻(xiàn)[7]提出了一種分布式鏈路選擇算法，但在高速行駛的車道中，鏈路狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化，所獲取的信道狀態(tài)信息容易過時(shí)，從而導(dǎo)致不能獲得最優(yōu)鏈路選擇。參考文獻(xiàn)[8]提出的最短路徑選擇策略雖然滿足了交通消息的時(shí)延敏感要求，但不適用于交通緊急預(yù)警消息的傳播。參考文獻(xiàn)[9]針對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度、道路寬度對(duì)鏈路生存時(shí)間的影響，建立鏈路動(dòng)態(tài)分析模型，推導(dǎo)出鏈路生存時(shí)間的表達(dá)式。參考文獻(xiàn)[10]提出的鏈路生存時(shí)間預(yù)測方法，研究了平均鏈路生存時(shí)間的性能，但其計(jì)算復(fù)雜度高，不適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的車聯(lián)網(wǎng)。參考文獻(xiàn)[11]通過所獲取的節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)位置、移動(dòng)速度以及方向參數(shù)，預(yù)測節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)位置，延長與目的節(jié)點(diǎn)的鏈路生存時(shí)間，但實(shí)時(shí)更新位置信息會(huì)增加通信開銷，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。

針對(duì)車輛快速移動(dòng)導(dǎo)致的通信鏈路動(dòng)態(tài)性問題，提出了一種基于可變距離的車間通信鏈路選擇方法，通過建立連接優(yōu)先指數(shù)來選擇D2D連接對(duì)，以提高直通通信連接的生存時(shí)間，改善交通消息傳輸性能。

2 系統(tǒng)模型

當(dāng)交通事件發(fā)生時(shí)，交通狀態(tài)消息會(huì)在短時(shí)間、短距離范圍內(nèi)重復(fù)廣播，容易造成有限鏈路重負(fù)載。因此，車輛在基站控制下與其通信范圍內(nèi)的鄰居車輛建立D2D連接對(duì)，傳播實(shí)時(shí)交通安全告警消息，以預(yù)警交通事故。在車聯(lián)網(wǎng)中，假設(shè)車輛能夠在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站控制下實(shí)現(xiàn)車間D2D通信，每個(gè)車輛的通信范圍均為，車輛周期性地收集其鄰居車輛的交通消息，主要包括當(dāng)前速度、方向、位置以及位置精確度等。車輛間D2D連接對(duì)復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路頻譜資源，且基站為D2D用戶和蜂窩用戶分配正交的頻譜資源，以減少與蜂窩用戶之間的同頻干擾，系統(tǒng)模型如圖1所示。設(shè)行車道1中發(fā)生車輛碰撞事故，相關(guān)車輛車載傳感器檢測到該事故后生成簡短的交通事故告警消息，包括事故位置、時(shí)間、事故類型，如圖1中的碰撞消息。該消息被上傳給基站，事故車輛即源車輛向基站請(qǐng)求建立D2D連接對(duì)以進(jìn)行交通告警消息的傳播，基站根據(jù)所獲得的鏈路信息為源車輛建立D2D連接對(duì)。設(shè)D2D通信所需的傳輸功率自適應(yīng)控制，且遠(yuǎn)小于蜂窩通信所需的傳輸功率。

3 D2D連接對(duì)選擇方法

設(shè)某車輛與其通信范圍內(nèi)同向行駛的后方車輛建立D2D連接對(duì)，以進(jìn)行交通預(yù)警消息傳播，設(shè)車輛為消息發(fā)送者，車輛為任意鄰居車輛，則兩車輛間的歐式距離為：

={同一車道，相鄰車道} （2）

為保證消息成功傳輸，源車輛會(huì)選擇信道狀態(tài)好的鄰居車輛進(jìn)行通信。若源車輛與其鄰居車輛間存在視距，其信道狀態(tài)一般比較好。當(dāng)有緊急預(yù)警消息產(chǎn)生時(shí)，源車輛會(huì)優(yōu)先發(fā)送給同車道后方車輛以防止連環(huán)碰撞發(fā)生。因此，對(duì)于鄰居車輛來說，其與源車輛的距離以及所在的車道不同，被選擇通信的可能性也會(huì)不同，則各鄰居車輛被選擇連接的優(yōu)先指數(shù)可表示為：

其中，表示源車輛與鄰居車輛間的歐式距離，s和R分別表示源車輛和鄰居車輛所在的車道，表示總車道數(shù)，表示車輛的通信范圍。優(yōu)先指數(shù)越小，車輛的優(yōu)先級(jí)就越高，被源車輛選擇通信的可能性就越大。當(dāng)兩車輛的優(yōu)先指數(shù)相同時(shí)，會(huì)優(yōu)先選擇與源車輛處于相同車道的車輛進(jìn)行通信?；趦?yōu)先指數(shù)的D2D連接對(duì)選擇流程如圖3所示。

圖3 基于優(yōu)先指數(shù)的D2D連接對(duì)選擇流程

第一步，車輛在行駛過程中，會(huì)周期性地獲取周圍鄰居車輛的交通信息，當(dāng)其有緊急預(yù)警消息要發(fā)送時(shí)，會(huì)向基站請(qǐng)求與周圍的鄰居車輛建立D2D連接對(duì)，進(jìn)行短距離交通消息傳播；第二步，計(jì)算車輛與各鄰居車輛的距離以及各鄰居車輛接入車輛的優(yōu)先指數(shù)；第三步，比較各鄰居車輛接入的優(yōu)先指數(shù)大小，選出最小優(yōu)先指數(shù)所對(duì)應(yīng)的鄰居車輛，車輛會(huì)與其連接進(jìn)行交通消息傳播，當(dāng)有兩個(gè)最小優(yōu)先指數(shù)時(shí)，車輛會(huì)優(yōu)先選擇與其處于相同車道的鄰居車輛進(jìn)行連接；第四步，當(dāng)車輛完成本次消息的傳輸后，仍有消息發(fā)送時(shí)，則重復(fù)上述步驟，直到?jīng)]有消息發(fā)送。

4 性能分析

（1）鏈路生存時(shí)間

鏈路生存時(shí)間定義為任意兩車輛間建立的鏈路保持時(shí)間。設(shè)某時(shí)刻時(shí)，車輛與車輛處于連通狀態(tài)[13-14]，則其鏈路的生存時(shí)間為，由式（1）可得，則鏈路生存時(shí)間可改為：

其中，表示車輛、間的歐式距離，表示進(jìn)行連接的兩車輛的速度，為通信范圍，為車輛間的縱向?qū)挾?。?dāng)進(jìn)行連接的兩車輛處于同一車道時(shí)，取=0，否則取=3。鏈路生存時(shí)間越長，鏈路的穩(wěn)定性就越高，成功傳輸?shù)母怕示驮酱蟆?/p>

（2）傳輸效率

（3）中斷概率

鏈路中斷概率定義為鏈路上的信噪比低于預(yù)設(shè)閾值的概率。假設(shè)D2D用戶之間的信道為威布爾衰落信道，對(duì)于任意兩車輛間的鏈路，接收端的信噪比為：

（7）

（9）

5 仿真與分析

選擇D2D連接鏈路的生存時(shí)間、傳輸效率以及中斷概率為仿真性能參數(shù)，比較不同鏈路選擇方法的性能。設(shè)同向兩車道路段長度為1 km，兩車道速度隨機(jī)取值為[60,120] km/h。鄰居列表交換周期和相對(duì)車距更新周期為100 ms。設(shè)在相同行駛道路上車輛到達(dá)過程服從泊松分布，車輛通信范圍為300 m，當(dāng)兩車輛處于彼此通信范圍時(shí)，認(rèn)為兩節(jié)點(diǎn)是可連通的。信號(hào)發(fā)射功率為2 W，韋伯衰落為2，衰減系數(shù)為，信噪比的預(yù)設(shè)閾值為10 dB。在MATLAB 2010b軟件上進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)見表1。仿真統(tǒng)計(jì)了不同車道中車輛間的距離與鏈路生存時(shí)間關(guān)系，對(duì)不同D2D連接建立方法，仿真比較了所提方法、隨機(jī)D2D連接建立方法以及參考文獻(xiàn)[16]中的MLS（maximal lifetime scheduling）方法的平均鏈路生存時(shí)間、傳輸效率以及中斷概率3個(gè)性能指標(biāo)。為保證所提方法的有效性和正確性，仿真結(jié)果為隨機(jī)場景下運(yùn)行1 000次的結(jié)果。

表1 仿真參數(shù)

圖4顯示了車輛間的可變距離對(duì)鏈路生存時(shí)間的影響。車輛間的可變距離越小，其信道質(zhì)量一般越好，所能保持的鏈路生存時(shí)間就越長，被選為D2D連接對(duì)的可能性就越大。通信距離大于200 m后，鏈路生存時(shí)間小于100 ms，中斷概率增大，消息成功傳輸概率減小，無法保證消息的有效傳輸。

圖5給出了3種連接選擇方法的平均鏈路生存時(shí)間。由圖5可知，與另外兩種選擇方法相比，基于優(yōu)先級(jí)的連接選擇方法大大提高了鏈路生存時(shí)間。這是因?yàn)楸疚乃岬倪B接方法同時(shí)考慮了車距和車道因素，且對(duì)D2D連接對(duì)進(jìn)行了有優(yōu)先級(jí)的選擇，從而能夠很好地保證通信的可靠性。而隨機(jī)選擇方法沒有考慮用戶所處位置以及通信雙方信道的好壞，MLS方法沒有考慮用戶所處位置的影響，因此鏈路生存時(shí)間短。

圖6顯示了車輛密度對(duì)傳輸效率的影響性能曲線。由圖6可知，隨著車節(jié)點(diǎn)密度的增加，傳輸效率逐漸增加。這是因?yàn)殡S著車輛密度的增大，源節(jié)點(diǎn)可以選擇通信的車輛數(shù)增加，車輛間的距離變小，視距范圍內(nèi)鏈路質(zhì)量一般較好，數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)母怕试龃?，傳輸效率增加?/p>

圖7顯示了車輛密度對(duì)中斷概率的影響性能曲線。由圖7可知，隨著車節(jié)點(diǎn)密度的增加，中斷概率整體呈下降趨勢。這是因?yàn)殡S著車輛密度的增大，通信節(jié)點(diǎn)可以選擇的車輛數(shù)增加，可以選擇最優(yōu)的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而使中斷概率減小。而車輛密度較低時(shí)，可選擇通信的節(jié)點(diǎn)很少，且鏈路的干擾較大，所以中斷概率會(huì)很大。

6 結(jié)束語

車聯(lián)網(wǎng)是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在交通系統(tǒng)中的擴(kuò)展應(yīng)用，是交通業(yè)務(wù)消息承載和傳輸?shù)妮d體。D2D通信作為一種可靠的短距離通信技術(shù)，適用于車聯(lián)網(wǎng)中短距離交通消息傳播。本文針對(duì)車輛快速移動(dòng)導(dǎo)致的通信鏈路動(dòng)態(tài)性問題，提出了一種基于可變距離的D2D連接選擇方法。其次，通過選擇行車道及車間距離參數(shù)，估計(jì)車間D2D通信連接信道質(zhì)量，推導(dǎo)了D2D連接對(duì)選擇的優(yōu)先指數(shù)表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，本文所提的基于優(yōu)先級(jí)連接選擇方法有效提高了D2D連接對(duì)的鏈路生存時(shí)間、傳輸效率以及中斷概率，提升了車輛間通信的可靠性，改善了交通消息的傳播性能。

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Variable distance based D2D connection selection scheme in internet of vehicles

QIU Yongfang, QIU Gong’an, ZHOU Yongzheng

School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, China

Internet of vehicles is an extension of the mobile network. Traffic messages can be disseminated in a short range by D2D communication technology under the base station controller. For decreasing the dynamics of the communication link due to rapid movement, a new D2D connection selection scheme based on variable distance between vehicles was proposed. By selecting the traffic lane and workshop distance parameters, the channel quality between D2D pairs was estimated, the priority index of D2D connection selection was deduced, and the D2D communication link was established based on the priority index for traffic message propagation. The simulation results show that the proposed method has an improvement in the survivability and transmission efficiency of D2D connection. At the same time, the reliability of traffic message dissemination in short range was improved by decreasing the outage probability of D2D communication.

D2D communication, connection selection, link lifetime, internet of vehicles

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017119

2017?01?17；

2017?05?03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61371113，No.61601248）；南通市應(yīng)用研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.BK2012024）

The National Natural Science Foundation of China (No.61371113, No.61601248), Nantong Science and Technology Plan Project (No.BK2012024)

邱永芳（1991?），女，南通大學(xué)電子信息學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)通信、D2D通信。

邱恭安（1973?），男，博士，南通大學(xué)電子信息學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)通信、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。

周永箏（1992?），女，南通大學(xué)電子信息學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)通信。