一种LTE-V2X模式的自适应保持概率资源分配方法及系统

一种lte-v2x模式的自适应保持概率资源分配方法及系统
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法及系统。


背景技术：

2.近年来关于智能交通系统的研究主要集中在v2x(vehicle to everything)上，最典型的v2x通信技术为基于ieee 802.11p的车辆专用短程通信技术(dsrc,dedicated short range communications)，由ieee主导标准制定，提供短距离无线传输技术，以车车和车路通信为主要方式。除了dsrc路线以外，lte-v2x(long-term evolution vehicle to everything)也处于快速地发展中。并且在2018年的5gaa华盛顿会议上，福特汽车发布了其与大唐、高通的对于ieee 802.11p和lte-v2x的实际道路测试结果，结果表明lte-v2x的通信性能在可靠性等方面均优于ieee 802.11p。
3.在lte-v2x中，根据资源分配方法和蜂窝基站的关系，可以分为模式3和模式4。模式3称为集中式资源分配，蜂窝基站作为控制中心，通信资源由蜂窝基站统一分配，这就要求车辆通信需要在蜂窝网络覆盖范围内，在较大的信令开销下，车辆的通信会取得较高的可靠性。模式4称为分布式资源分配，车辆自主选择通信资源，不依赖于蜂窝网络。由于车辆可能行驶在蜂窝网络覆盖外，因此模式4被认为是lte-v2x的基线。lte-v2x结合道路安全业务周期性期且业务分组大小存在规律等特点，在模式4中采用基于感知的半持续资源选择(sps,semi-persistent scheduling)机制。基于感知的半持续资源选择机制包含资源预留、资源感知、资源排除和资源选择，即车辆发送直通链路控制信息预留时频资源，其他车辆利用资源感知结果排除其他车辆的占用资源，通过选择未被其他车辆占用的时频资源来避免车辆资源选择之间的冲突。
4.目前，关于基于感知的半持续资源选择算法已经吸引了许多学者与专家的研究，这些研究有的对该资源分配算法的性能与参数影响进行分析，有的对该算法实施改进，以减少资源的冲突概率来提高通信可靠性。但是在不依赖于物理层的情况下，针对于算法本身固定的较高资源保持概率带来的局部车辆冲突次数较多的情况还存在不足。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法，基于半持续资源选择的自适应保持概率资源分配方法来改善这一问题，自适应保持概率方法是根据划分好的车辆资源选择窗重叠比与保持概率的对应关系，车辆自动调整资源保持概率。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法，包括以下步骤：
7.针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整；
8.执行基于感知的半持续资源选择，直至重选资源，再针对选择窗重叠比执行自适
应保持概率调整。
9.进一步的，针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整，车辆根据选择窗与其它车辆选择窗的重叠比例自动调整保持概率。
10.进一步的，执行基于感知的半持续资源选择时，在基于感知的半持续资源选择机制中，车辆对于资源的选择基于感知结果，当车辆感知到一个资源未被占用时，将占用这个资源进行传输，车辆占用该资源的时间由资源预留间隔、计数器数值和保持概率三个参数共同决定，根据不同的资源预留间隔，计数器将会在不同的范围内随机选择一个数值作为传输次数，每次传输后，计数器数值减一，当计数器值等于0时，以资源保持概率概率性的判断是否重选。
11.进一步的，重选资源具体包括以下步骤：
12.车辆根据重选时刻分别确定资源感知窗与资源选择窗，其中感知窗用于确定选择窗中的空闲资源，车辆根据感知结果在选择窗内选择子信道进行周期性传输；
13.车辆基于对感知窗口内的资源占用状态的感知结果，创建可用资源集合，若可用资源集合内资源的数量小于资源选择窗内资源总数的设定比例数目，则迭代提升设定大小的rsrp阈值，直至可用资源集合内资源的数量超过资源选择窗内资源总数的设定比例数目；
14.根据可用资源集合形成候选资源集合，该候选资源集合中的资源为接收信号强度指示值最低的一部分资源，且候选资源集合中的资源数等于资源选择窗内资源总数的设定比例数目，然后车辆在候选资源集合中随机选择一个资源进行半持续传输。
15.进一步的，所述可用资源集合中根据感知窗内成功接收到的直通链路控制信息表示被占用的资源和参考信号接收功率值大于给定阈值的资源；在创建可用资源集合时，进行跳过子帧处理。
16.进一步的，将关于与选择窗有关的信息存放入直通链路控制信息中的空余符号中，车辆之间能通过感知获取选择窗的重叠情况，将选择窗口的重叠分为选择窗全部重叠、部分重叠和不重叠三种情况；如果存在两辆车v与v
′
触发了资源重选，总是考虑v车的选择窗在前，且两车的选择窗时长相同，用ratio表示两辆车的选择窗重叠区域时长比：
[0017][0018]
根据上式，当选择窗完全重叠时，ratio＝1，部分重叠时，0＜ratio＜1，最后当选择窗不重叠时，有ratio≤0，更大的ratio表示更大的重叠窗口，v与v
′
选择同一个资源的概率也会越大。
[0019]
进一步的，将ratio≥0.6车辆的保持概率设置为0，ratio≥0.4车辆的保持概率设置为0.2，ratio≥0.2车辆的保持概率设置为0.4，对于其他资源窗重叠时长比的情况下，将保持概率设置为0.6，而对于选择窗未发生重叠的车辆，其保持概率为0.8。
[0020]
基于所述方法的构思，本发明提供一种lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配系统，包括自适应保持概率模块和资源选择模块；
[0021]
自适应保持概率模块针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整；
[0022]
资源选择模块执行基于感知的半持续资源选择，直至重选资源，再针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整。
[0023]
同时提供一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器中存储可执行程序，处理器执行所述可执行程序时，能执行本发明所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法。
[0024]
还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法。
[0025]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0026]
由于在基于感知的半持续资源选择机制中较大的保持概率带来了整体可靠性更高的同时，可能导致局部车辆的资源冲突持续更多传输次数，本发明根据车辆选择资源时的选择窗重叠情况，对资源保持概率进行划分，从而达到自适应保持概率的目的。这样局部选择窗发生的重叠的车辆更容易触发资源重选，通过减少局部车辆的冲突次数，降低系统的资源冲突概率。
附图说明
[0027]
图1为本发明的实现流程图。
[0028]
图2为本发明与基于感知的半持续资源选择在资源预留间隔为20ms时的冲突概率对比。
[0029]
图3为本发明与基于感知的半持续资源选择在资源预留间隔为50ms时的冲突概率对比。
[0030]
图4为本发明与基于感知的半持续资源选择在资源预留间隔为100ms时的冲突概率对比。
[0031]
图5为本发明与固定计数器数值的基于感知的半持续资源选择及其在资源预留间隔为100ms时的冲突概率对比。
具体实施方式
[0032]
下面结合具体说明书附图对本发明进行详细阐述。
[0033]
由于不需要蜂窝网络支持且业务分组存在周期性等特点，lte-v2x的模式4资源分配方法采用了基于感知的半持续资源选择(sps,semi-persistent scheduling)机制来减少资源选择冲突。在sps中，连续的传输次数到期后，车辆需要根据保持概率决定是否重选资源。本发明发现较大的保持概率带来了整体可靠性更高的同时，可能导致局部车辆的资源冲突持续更多传输次数，因此本发明提出了自适应保持概率算法(ap-sps)来改善这一问题。自适应保持概率算法是车辆根据选择窗与其它车辆选择窗的重叠比例自动调整保持概率。
[0034]
在基于感知的半持续资源选择机制中，车辆对于资源的选择基于感知结果。当车辆感知到一个资源未被占用时，将占用这个资源进行传输。车辆占用该资源的时间由资源预留间隔、计数器数值和保持概率三个参数共同决定。资源预留间隔即传输周期，根据不同的资源预留间隔，计数器将会在不同的范围内随机选择一个数值作为传输次数，例如rri＝100ms时，计数器范围为[5,15]。每次传输后，计数器数值减一，当计数器值等于0时，需要以资源保持概率概率性的判断是否重选，资源保持概率最小值为0，最大值为0.8，重选步骤如
下：
[0035]
步骤1：车辆根据重选时刻分别确定资源感知窗与资源选择窗，其中感知窗时长1000ms，用于确定选择窗中的空闲资源，本发明，所述资源选择窗的时长最大100ms。车辆可以根据感知结果在选择窗内选择子信道进行周期性传输。
[0036]
步骤2：该车辆基于对感知窗口内的资源占用状态的感知结果，创建可用资源集合。该集合中不包含根据感知窗内成功接收到的直通链路控制信息表示被占用的的资源和参考信号接收功率(rsrp，reference signal received power)值大于给定阈值的资源。由于半双工通信的影响，在创建可用资源集合时，还需要进行跳过子帧处理。最后若可用资源集合内资源的数量小于资源选择窗内资源总数的20％，则迭代提升3db的rsrp阈值，直至可用资源集合内资源的数量超过资源选择窗内资源总数的20％。
[0037]
步骤3：根据可用资源集合形成候选资源集合，该集合中的资源为接收信号强度指示(rssi，received signal strength indication)值最低的一部分资源，且该集合中的资源数等于资源选择窗内资源总数的20％。然后车辆在候选资源集合中随机选择一个资源进行半持续传输。
[0038]
当感知完全正确时，资源冲突通常会发生在两辆及以上车的选择窗口存在重叠，并且这些车辆选择了同一个资源的情况下。将关于与选择窗有关的信息存放入直通链路控制信息中的空余符号中，车辆之间就可以通过感知获取选择窗的重叠情况。基于以上结果，本发明将选择窗口的重叠分为选择窗全部重叠、部分重叠和不重叠三种情况。如果存在两辆车v与v
′
触发了资源重选，并且它们的选择窗时长范围分别为[t1,t2]和[t1′
,t2′
]。考虑v车的选择窗在前，且两车的选择窗时长相同，即t
2-t1＝t2′‑
t1′
。如果用ratio表示两辆车的选择窗重叠区域时长比，则有
[0039][0040]
根据式(1)，可以发现当选择窗完全重叠时，ratio＝1，部分重叠时，0＜ratio＜1，最后当选择窗不重叠时，有ratio≤0。更大的ratio表示更大的重叠窗口，也意味着v与v
′
选择同一个资源的概率也会越大。若此时可用资源越少，即信道繁忙率越大时，会导致更大的资源冲突概率。信道繁忙率越大表示在100ms的子帧中，被占用的资源数与总资源数的比值。
[0041]
较大的资源保持概率会获得系统整体更高的可靠性，这是因为更大的资源保持概率使得重选资源的车辆变少，从而减少了发生资源选择窗重叠的车辆数量。但是如果局部车辆发生资源冲突的概率较大时(在感知正确的情况下ratio较大)，或者冲突已经发生时，更大的资源保持概率可能会导致发生资源冲突的车辆经历更多的传输次数，从而降低车辆通信可靠性。因此出对保持概率进行自适应调整，关于资源保持概率的选择应该取决于ratio的大小，更大的ratio对应更小的保持概率，这样才能尽可能的减少冲突次数。
[0042]
参照图1，本发明的具体实现步骤如下：
[0043]
步骤11：初始化，即初始化相关信息和对于初次进入系统的车辆在无感知的情况下，在资源选择窗内进行初次随机资源分配。
[0044]
步骤12：针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整。当上一次资源分配是初次随机分配时，则所有车都会执行自适应保持概率调整，在开始阶段，所有车辆的资源选择窗
全部重叠。当上一次资源分配是基于感知的半持续资源选择时，如果将关于与选择窗有关的信息存放入直通链路控制信息中的空余符号中，车辆之间就可以通过感知获取选择窗的重叠情况。如果用ratio表示两辆车的选择窗重叠区域时长比，则有：
[0045][0046]
其中[t1,t2]和[t1′
,t2′
]分别表示车辆v和v
′
的选择窗，可以发现当选择窗完全重叠时，ratio＝1，部分重叠时，0＜ratio＜1，最后当选择窗不重叠时，有ratio≤0。更大的ratio表示更大的重叠窗口，也意味着v与v
′
选择同一个资源的概率也会越大。关于资源保持概率的选择应该取决于ratio的大小，更大的ratio对应更小的保持概率，这样才能尽可能的减少冲突次数。优选的，本发明将ratio≥0.6车辆的保持概率设置为0，ratio≥0.4车辆的保持概率设置为0.2，ratio≥0.2车辆的保持概率设置为0.4，对于其他资源窗重叠时长比的情况下，将保持概率设置为0.6，而对于选择窗未发生重叠的车辆，其保持概率为0.8。
[0047]
步骤13：执行基于感知的半持续资源选择，直至重选资源，再执行步骤12。
[0048]
基于所述方法，本发明还提供一种lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配系统，包括自适应保持概率模块和资源选择模块；
[0049]
自适应保持概率模块针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整；
[0050]
资源选择模块执行基于感知的半持续资源选择，直至重选资源，再针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整。
[0051]
本发明的效果可通过下面的仿真实例进一步说明。
[0052]
一、仿真条件
[0053]
在本发明的仿真中，电脑系统为windows 11，仿真环境为matlab 2018b。
[0054]
二、仿真内容与结果
[0055]
图2和图3分别为本发明与基于感知的半持续资源选择在资源预留间隔为20ms与50ms时的冲突概率对比图。从图中可以观察出，随着信道繁忙率的增大，资源冲突概率也会增加，是由于信道繁忙率的增大导致了可用资源数的减少从而增加了车辆选择同一资源的概率。也可以理解为随着信道繁忙率的增加，系统中选择资源的车辆数增加，导致车辆资源选择窗重叠的可能性也增大。同时不难发现，对比于基于感知的半持续资源选择，自适应保持概率资源分配方法的资源冲突概率总是保持在一个较低的状态，是由于对比于基于感知的半持续资源选择，自适应保持概率资源分配方法总是能让选择窗重叠程度更高的车辆更容易触发资源重选，从而减少了局部的冲突次数。但是在自适应保持概率资源分配方法的资源冲突概率小信道繁忙率时较高，可能是由于小资源选择窗口与初次随机分配的结果。
[0056]
图4为本发明与基于感知的半持续资源选择在资源预留间隔为100ms时的冲突概率对比。在图4中，自适应保持概率资源分配方法的资源冲突概率一直低于基于感知的半持续资源选择。并且通过与图2、图3的对比，不难发现，较小的资源预留间隔有着较低的可靠性，较大的资源保持概率有着较高的可靠性，这与以往相关研究结果一致。
[0057]
图5为本发明与固定计数器数值的基于感知的半持续资源选择及其在资源预留间隔为100ms时的冲突概率对比。在图5中，加入了计数器值固定为n的基于感知的半持续资源选择方法，其中n为车辆计数器数值的平均值，在资源预留间隔为100ms时，n＝10。此时，具
有固定计数器数值的基于感知的半持续资源选择方法算法的冲突概率明显高于基于感知的半持续资源选择方法与自适应保持概率资源分配方法，是因为在固定计数器数值的基于感知的半持续资源选择方法中，车辆的选择窗大概率始终完全重叠，这也侧面反映了自适应保持概率资源分配方法对比于基于感知的半持续资源选择方法可以有效减少选择窗重叠带来的资源冲突的影响。
[0058]
可选的，本发明还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法。
[0059]
所述计算机设备可以采用笔记本电脑、桌面型计算机、车载计算机或工作站。
[0060]
处理器可以是中央处理器(cpu)、图形处理器(gpu)、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)或现成可编程门阵列(fpga)。
[0061]
同时提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法。
[0062]
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、桌面型计算机、车载计算机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
[0063]
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取记忆体(ram，random access memory)、固态硬盘(ssd，solid state drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(reram，resistance random access memory)和动态随机存取存储器(dram，dynamic random access memory)。

技术特征：
1.一种lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整；执行基于感知的半持续资源选择，直至重选资源，再针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整。2.根据权利要求1所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法，其特征在于，针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整，车辆根据选择窗与其它车辆选择窗的重叠比例自动调整保持概率。3.根据权利要求1所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法，其特征在于，执行基于感知的半持续资源选择时，在基于感知的半持续资源选择机制中，车辆对于资源的选择基于感知结果，当车辆感知到一个资源未被占用时，将占用这个资源进行传输，车辆占用该资源的时间由资源预留间隔、计数器数值和保持概率三个参数共同决定，根据不同的资源预留间隔，计数器将会在不同的范围内随机选择一个数值作为传输次数，每次传输后，计数器数值减一，当计数器值等于0时，以资源保持概率概率性的判断是否重选。4.根据权利要求1所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法，其特征在于，重选资源具体包括以下步骤：车辆根据重选时刻分别确定资源感知窗与资源选择窗，其中感知窗用于确定选择窗中的空闲资源，车辆根据感知结果在选择窗内选择子信道进行周期性传输；车辆基于对感知窗口内的资源占用状态的感知结果，创建可用资源集合，若可用资源集合内资源的数量小于资源选择窗内资源总数的设定比例数目，则迭代提升设定大小的rsrp阈值，直至可用资源集合内资源的数量超过资源选择窗内资源总数的设定比例数目；根据可用资源集合形成候选资源集合，该候选资源集合中的资源为接收信号强度指示值最低的一部分资源，且候选资源集合中的资源数等于资源选择窗内资源总数的设定比例数目，然后车辆在候选资源集合中随机选择一个资源进行半持续传输。5.根据权利要求4所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法，其特征在于，所述可用资源集合中根据感知窗内成功接收到的直通链路控制信息表示被占用的资源和参考信号接收功率值大于给定阈值的资源；在创建可用资源集合时，进行跳过子帧处理。6.根据权利要求1所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法，其特征在于，将关于与选择窗有关的信息存放入直通链路控制信息中的空余符号中，车辆之间能通过感知获取选择窗的重叠情况，将选择窗口的重叠分为选择窗全部重叠、部分重叠和不重叠三种情况；如果存在两辆车v与v
′
触发了资源重选，总是考虑v车的选择窗在前，且两车的选择窗时长相同，用ratio表示两辆车的选择窗重叠区域时长比：根据上式，当选择窗完全重叠时，ratio＝1，部分重叠时，0＜ratio＜1，最后当选择窗不重叠时，有ratio≤0，更大的ratio表示更大的重叠窗口，v与v
′
选择同一个资源的概率也会越大。7.根据权利要求6所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法，其特征在于，将ratio≥0.6车辆的保持概率设置为0，ratio≥0.4车辆的保持概率设置为0.2，ratio≥0.2车辆的保持概率设置为0.4，对于其他资源窗重叠时长比的情况下，将保持概率设置为
0.6，而对于选择窗未发生重叠的车辆，其保持概率为0.8。8.一种lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配系统，其特征在于，包括自适应保持概率模块和资源选择模块；自适应保持概率模块针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整；资源选择模块执行基于感知的半持续资源选择，直至重选资源，再针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整。9.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器，存储器中存储可执行程序，处理器执行所述可执行程序时，能执行权利要求1-7任一项所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现权利要求1-7任一项所述的lte-v2x模式4的自适应保持概率资源分配方法。

技术总结
本发明提供一种LTE-V2X模式4的自适应保持概率资源分配方法及系统，方法具体为针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整；执行基于感知的半持续资源选择，直至重选资源，再针对选择窗重叠比执行自适应保持概率调整，在基于感知的半持续资源选择中，连续的传输次数到期后，车辆需要根据资源保持概率决策是否重选资源，较大的保持概率带来了整体可靠性更高的同时，可能导致局部车辆的资源冲突持续更多传输次数，并且在感知完全的情况下，资源冲突通常发生在选择窗重叠时，本发明对资源保持概率根据选择窗重叠时长比进行自适应调整，使越有可能发生资源冲突的车辆更容易触发资源重选；通过减少局部车辆的冲突次数，降低系统的资源冲突概率。突概率。突概率。


技术研发人员：刘鑫一 汪圆浩 侯俊 张浩 崔文杰
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/10/15