5G 車(chē)聯(lián)網(wǎng)信道資源分配策略研究

謝于晨

（江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院,江西 南昌 330200）

車(chē)聯(lián)網(wǎng)是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。在當(dāng)前5G環(huán)境下，車(chē)聯(lián)網(wǎng)面臨巨大的考驗(yàn)，如海量接入需求、服務(wù)質(zhì)量的高要求、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾实取?/p>

隨著車(chē)輛數(shù)量增加及自動(dòng)駕駛的發(fā)展，5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求越來(lái)越多樣，其整體需求可概括為兩個(gè)方面：一是與交通安全相關(guān)的業(yè)務(wù)，即安全類業(yè)務(wù)[1]，該類業(yè)務(wù)主要涉及汽車(chē)行駛過(guò)程中可能遇到的安全問(wèn)題，其優(yōu)先級(jí)別是最高的；二是與交通安全不相干的其他業(yè)務(wù)[2]，如交通效率類、娛樂(lè)生活類業(yè)務(wù)等，前一種需求的安全級(jí)別高于娛樂(lè)生活業(yè)務(wù)，但低于安全相關(guān)業(yè)務(wù)。為提高5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)的整體信道傳輸速率，本文將根據(jù)三種不同類型的業(yè)務(wù)進(jìn)行分級(jí)分片處理，以實(shí)現(xiàn)信道資源的自適應(yīng)分配。

1 5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

根據(jù)前面三種業(yè)務(wù)需求，研究中提出了一種側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)接入及資源管理方面的車(chē)聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

從圖1可以看到，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括四層，即應(yīng)用層、控制層、處理層、終端層。控制層由若干宏基站（MBS）組成，主要完成資源分配、切片處理等工作；處理層由小基站（SBS）組成，主要完成數(shù)據(jù)處理等工作；應(yīng)用層完成三類業(yè)務(wù)的需求處理；終端層完成數(shù)據(jù)采集工作。

2 信道資源分配策略分析

2.1 問(wèn)題分析

以高傳輸速率為目標(biāo)，在進(jìn)行資源分配時(shí)，先要明確問(wèn)題所在。從前面構(gòu)建的5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以看到，5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)中有1個(gè)宏基站MBS和N個(gè)小基站SBS。在研究過(guò)程中，主要考慮處理層的資源分配。根據(jù)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的三類業(yè)務(wù)需求，研究中使用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)[3]將處理層分為三個(gè)切片，并以m∈｛1,2,3｝分別表示安全業(yè)務(wù)傳輸（車(chē)-車(chē)通信，V2V）、交通效率業(yè)務(wù)傳輸（車(chē)-基礎(chǔ)設(shè)施通信）和娛樂(lè)業(yè)務(wù)傳輸（車(chē)-基礎(chǔ)設(shè)施通信）。

假定車(chē)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中總用戶數(shù)量為I，系統(tǒng)帶寬分為J個(gè)資源塊（PRB），每個(gè)PRB帶寬為B，小基站N個(gè)，每個(gè)小基站都是單天線配置，且每個(gè)小基站的最大發(fā)射功率為Pn。同時(shí)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)信道為衰落信道，其信道增益為載波分配因子，其值為1時(shí)表示載波已分配給當(dāng)前用戶，否則表示不分配當(dāng)前用戶。切片1為全雙工通信，考慮上下行雙向鏈路，切片2和切片3中為半雙工通信，只需考慮下行單向鏈路。

2.2 系統(tǒng)傳輸速率分析

在切片1（V2V通信）中，相鄰車(chē)輛使用端到端的直通方式傳輸，且采用SCMA編碼機(jī)制來(lái)相互發(fā)送安全業(yè)務(wù)消息，即切片1為SCMA與全雙工通信結(jié)合。根據(jù)SCMA機(jī)制及信道容量的定義可以得到切片1的速率為

切片2為交通效率業(yè)務(wù)，采用傳統(tǒng)OFDMA接入機(jī)制[4]，則有其速率為

切片3為娛樂(lè)相關(guān)業(yè)務(wù)，同樣采用OFDMA機(jī)制，則其速率為

研究中以提高系統(tǒng)的總速率為目標(biāo)，由前面可得到系統(tǒng)總傳輸速率為

為獲得盡可能大的傳輸速率，可以通過(guò)求解V最大值，以得到最優(yōu)的資源分配策略。接下來(lái)求解上式的最大值。

為便于簡(jiǎn)化目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化求解，同時(shí)又能提高系統(tǒng)性能，這里引入一個(gè)常量F來(lái)解決非安全業(yè)務(wù)中收發(fā)雙方間的同頻干擾問(wèn)題，即用F替換，則有

最后采用拉格朗日對(duì)偶下的迭代算法對(duì)系統(tǒng)的總傳輸速率V求解得到最優(yōu)分配方案。

2.3 拉格朗日求解

為求上式最優(yōu)解，這里首先寫(xiě)出它的拉格朗日函數(shù)，表示如下：

其中，μn和αj分別為單基站總功率約束的拉格朗日乘子、資源塊總功率約束的拉格朗日乘子；βn,j和λn,i分別為PRB中用戶數(shù)量約束及SCMA編碼時(shí)碼本和有關(guān)的乘子向量；γ1,i和γ2,i為優(yōu)先級(jí)調(diào)節(jié)參數(shù)；ωn為資源塊速率約束的拉格朗日乘子；θn.j為非安全類業(yè)務(wù)正交性約束的乘子向量；σi為同頻干擾約束相關(guān)的乘子。

1）問(wèn)題分解。將問(wèn)題分解為2個(gè)部分：先固定拉格朗日乘子，求出最大值；再利用梯度法改變拉格朗日乘子，依次求出拉格朗日乘子時(shí)所有最大值的最小值，用公式表示即為

同時(shí)使用對(duì)偶分解，將上式分解為與拉格朗日乘子相關(guān)的子問(wèn)題。

3 仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真環(huán)境搭建

為驗(yàn)證策略的有效性，根據(jù)前面提出的資源分配策略要求，以MATLAB為平臺(tái)搭建如下的仿真測(cè)試環(huán)境：假定該測(cè)試場(chǎng)景中用戶數(shù)有12個(gè)；信道模型為瑞利衰減信道，衰減因子為2，噪聲功率設(shè)置為–131 dB；子載波的帶寬為19.5 kHz；小基站（SBS）數(shù)量為1～6個(gè)，其功率閾值為4 W；資源塊（PRB）數(shù)為1～6個(gè)，其功率閾值為0.8 W。

3.2 仿真及結(jié)果分析

本次仿真測(cè)試將從三個(gè)方面進(jìn)行，即干擾溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響、不同接入策略下的性能比較以及不同算法處理下性能的比較。

（1）驗(yàn)證在多用戶環(huán)境下干擾溫度常量F與資源塊對(duì)系統(tǒng)總速率的影響。假定干擾溫度F分別為0.1、0.3、0.6、0.8、1，經(jīng)過(guò)仿真得到如圖2所示結(jié)果。

圖2 干擾溫度F與資源塊變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)總速率的影響

在圖2中，從縱向看，PRB數(shù)相同時(shí)，干擾溫度越大，系統(tǒng)總傳輸速率越??；從橫向看，干擾溫度F一定時(shí)，資源塊數(shù)量增加，則系統(tǒng)總速率將隨之增加，資源塊數(shù)少時(shí)增加幅度大，當(dāng)資源塊數(shù)一定時(shí)，系統(tǒng)總傳輸速率會(huì)隨著干擾溫度的增加而下降，說(shuō)明干擾溫度對(duì)系統(tǒng)總速率有抑制作用，故而可以得到干擾溫度對(duì)系統(tǒng)總體性能產(chǎn)生抑制性的影響。

（2）各種通信機(jī)制的性能比較。課題研究中所提的車(chē)聯(lián)網(wǎng)中，切片1的車(chē)-車(chē)通信采用SCMA接入機(jī)制結(jié)合全雙工傳輸方式。為了驗(yàn)證本研究提出的通信機(jī)制的性能是否優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)制，這里將其與半雙工下的SCMA接入、半雙工下的OFDMA接入兩種方案進(jìn)行仿真比較。本次比較將從資源塊（PRB）數(shù)變化的角度去觀察，如圖3所示。

圖3 PRB變化時(shí)三種技術(shù)方案性能比較

從圖3可以得到，資源塊數(shù)上升，三種方案的系統(tǒng)總速率都有所增長(zhǎng)，但是本研究所提的“SCMA＋全雙工技術(shù)”方案系統(tǒng)總速率總是優(yōu)于其他兩種方案，從而可以得出結(jié)論：5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)中采用SCMA+全雙工技術(shù)，其對(duì)系統(tǒng)總速率的影響要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方案。

（3）不同策略的性能比較。這部分將所提出的拉格朗日對(duì)偶處理的資源分配策略與載波隨機(jī)分策略、功率平均分配策略進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種算法下資源塊變化時(shí)對(duì)總速率的比較

通過(guò)觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，不同分配策略下系統(tǒng)總速率都會(huì)隨著資源塊PRB的增加而增加，但PRB數(shù)目相同時(shí)，本研究所提的拉格朗日對(duì)偶算法策略系統(tǒng)總速率要大于載波隨機(jī)分配和功率平均分配策略，即基于拉格朗日對(duì)偶的分配策略在提高系統(tǒng)總傳輸速率方面要優(yōu)于其他兩種處理方案。

本次仿真過(guò)程都是以系統(tǒng)的總速率為目標(biāo)，分別從不同方面對(duì)研究所提方案與傳統(tǒng)方案做了對(duì)比。通過(guò)比較分析可以看出，研究所提基于拉格朗日對(duì)偶的SCMA+全雙工方案在提高系統(tǒng)速率上效果是顯而易見(jiàn)的，也就說(shuō)明其對(duì)提高系統(tǒng)性能是有一定優(yōu)勢(shì)的。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著5G的廣泛應(yīng)用，5G+車(chē)聯(lián)網(wǎng)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文搭建了5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)下的組網(wǎng)模型，以網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、SCMA與OFDMA相結(jié)合的接入技術(shù)為核心，以優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸速率為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種5G環(huán)境下車(chē)聯(lián)網(wǎng)信道資源分配策略，并從不同方面給出仿真結(jié)果，通過(guò)分析可以得出，本策略對(duì)于系統(tǒng)資源能做到合理化分配，對(duì)系統(tǒng)傳輸速率的提升有一定作用。5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)除了高速率需求外，還有眾多需求有待解決，為此，5G新技術(shù)將給車(chē)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)更進(jìn)一步的飛躍。