一种基于拥塞等级划分的LTE-V资源碰撞避免机制_王致远.pdf

DOI:1020079/jissn1001893x210930002引用格式:王致远，刘留，樊圆圆，等一种基于拥塞等级划分的 LTE-V 资源碰撞避免机制 J 电讯技术，2023，63(2):226232 WANG Z Y，LIUL，FAN Y Y，et alA resource collision avoidance mechanism of LTE-V based on congestion level division J Telecommunication Engineering，2023，63(2):226232一种基于拥塞等级划分的 LTE-V 资源碰撞避免机制*王致远，刘留，樊圆圆，庄凌凡，刘美鹭王致远，刘留，樊圆圆，庄凌凡，刘美鹭(北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044)摘要:为了降低车联网(Long Term Evolution-Vehicle to Everything，LTE-V)终端间的相互干扰并提升通信的可靠性，提出通过资源分配和拥塞控制来解决资源碰撞的问题。依据信道忙率(ChannelBusy atio，CB)划分拥塞等级，融合资源分配与拥塞控制提出相应的方案，形成资源碰撞避免机制。为了减少重选资源时发生的碰撞，提出了资源重选竞争退避机制以降低重选带来的不确定性;针对拥塞导致的碰撞，改变调制编码策略从而优化资源占用。仿真结果表明，与标准中基于感知的半持续调度(Semi-persistent Scheduling，SPS)相比，所提出的机制在传输距离为300 m时可以实现 085 以上的数据包投递率，有效减少资源碰撞，提升传输可靠性。关键词:车联网(LTE-V);PC5 接口;资源碰撞;资源调度;拥塞控制开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN9295;TP393文献标志码:A文章编号:1001893X(2023)02022607A esource Collision Avoidance Mechanism ofLTE-V Based on Congestion Level DivisionWANG Zhiyuan，LIU Liu，FAN Yuanyuan，ZHUANG Lingfan，LIU Meilu(School of Electronic and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)Abstract:In the Long Term Evolution-Vehicle to Everything(LTE-V)system，to reduce mutual interferencebetween terminals and improve the reliability of communication，it is proposed to reduce resource collisionsthrough resource allocation and congestion controlThe channel occupancy is divided into different congestionlevels according to the channel busy ratio(CB)The corresponding schemes are proposed by integratingresource allocation and congestion control to form a resource collision avoidance mechanismTo reduce thecollisions of reselecting resources and the uncertainty caused by reselection，a resource reselectioncompetition back off mechanism is proposedFor collisions caused by congestion，the modulation and codingscheme is changed to optimize resource occupancy Simulation results demonstrate that the proposedmechanism can achieve a packet delivery ratio above 085 when the transmission distance is 300 mIt caneffectively reduce resource collisions and improve transmission reliability in comparison with the sensing-based Semi-persistent Scheduling(SPS)proposed in the specificationKey words:Long Term Evolution-Vehicle to Everything(LTE-V);PC5 interface;resource collision;resource scheduling;congestion control622第 63 卷 第 2 期2023 年 2 月电讯技术Telecommunication EngineeringVol63，No2February，2023*收稿日期:20210930;修回日期:20220104基金项目:国家自然科学基金重点项目(61931001)通信作者:刘留0引言近年来，机动车数量快速增长，日益严重的交通拥堵和不断增加的交通事故逐渐成为制约城市发展和威胁出行安全的重要问题。车联网技术被认为是提升交通效率和驾驶安全的有效手段，但是复杂的道路交通场景、快速变化的网络拓扑和多样的业务需求阻碍着车联网技术的发展。LTE(Long TermEvolution)由于其高数据速率、全面的服务质量保证和大覆盖率在提供车联网通信方面具有优势，Chen等1 提出 LTE-V2X(Long Term Evolution-Vehicle toEverything)的概念和关键技术，致力于实现车辆与周围的车、基础设施、网络和行人等全方位连接和高可靠低时延的信息交互23。LTE-V2X 中提供蜂窝通信方式和直通通信方式两种通信方式，这两种通信方式的区别主要在于资源分配方式4。在蜂窝通信方式中，采用基于基站控制的集中资源调度方式(Uu 接口)，基站拥有全局资源占用情况信息，能够避免资源冲突，但是其仅限于在蜂窝覆盖的场景下使用。为了车联网能够在蜂窝覆盖外工作，LTE-V2X 引入了直通通信方式(PC5 接口)，各终端提前对信道进行感知，根据感知的结果选择未被占用的资源传输。但由于 PC5接口采用分布式资源分配方式，可能会出现邻近两个终端选择相同资源的情况，这将造成接收端信干噪比急剧下降而无法正常接收。在 LTE-V2X 中，解决 PC5 接口资源碰撞问题是当前热门的研究方向，该类研究目前主要分为改进资源调度算法和设计拥塞控制方法两种情况。其中，前者的作用是更加合理有序地分配时频资源，后者的作用是在信道拥塞时使得系统恢复到正常的负载水平，保障系统的稳定运行，从而避免资源碰撞。对于改进资源调度算法，文献 5为了减少资源重选所带来的不确定性，提出在控制信息中加入“lookahead”信息，其中包含了下次使用资源的时频位置与大小，但目前控制信息中未使用的比特位数较少，难以实现。文献 6提出了使用控制信息中的 1 位来表示是否将进行资源重选，易于实现，但对重选后的资源位置仍存在较大的不确定性。文献 7 提出对资源池进行再划分，针对城区路口将资源池划分为三块，分配给交叉路口、水平街道、垂直街道，处于不同位置的车辆使用不同的资源池，并根据流量密度灵活分配资源。文献 8 提出在高速公路场景下将资源池划分为两个子资源池，以减少相反方向车辆用户之间的潜在干扰。文献 9 对重选概率、信号接收功率阈值等进行研究，提出 PC5 接口在目前算法上的最佳参数配置。文献 10提出在传输较大的数据时，不预留子信道以提升资源利用率。对于设计拥塞控制方法，标准中给出了 5 种基本拥塞控制方法，即降低最大发射功率、关闭盲重传、降低占用子信道数量、调整调制编码范围、降低信道占用率上限11。文献 6提出了一种放弃资源传输时间及次数的拥塞控制策略并进行仿真验证。当前主流研究仅考虑从资源分配或者拥塞控制的单一角度提出固定的算法，所提出的算法降低了资源碰撞概率，但也会带来一些问题，如产生信令开销和增大时延等1214。因此，不应在所有拥塞情况下使用相同的算法。本文提出一种基于拥塞等级划分的资源碰撞避免机制，根据信道忙率将信道拥塞程度划分为低、中、高三个等级，在信道拥塞程度低的情况下仍使用基于感知的 SPS 算法;在信道拥塞程度中的情况下，本文提出了资源重选竞争退避机制以减少重选资源造成的碰撞;当信道拥塞程度上升到高时，在采取资源重选竞争退避机制的基础上，改变调制编码策略(Modulation and Coding Scheme，MCS)以减少信道拥塞造成的碰撞。1LTE-V2X 关键技术11时频资源划分LTE-V2X 在时域上每10 ms划分为一个无线帧，每个无线帧由 10 个长度为1 ms的子帧构成，一个子帧包含 2 个长度为05 ms的时隙;在频域上，子载波间隔为15 kHz，使用的频段为5 9055 925 MHz共20 MHz带宽，车载单元使用前10 MHz进行发送，路侧单元使用后10 MHz进行发送。时域 1 个时隙和频域 12 个连续子载波构成一个资源块(esourceBlock，B)，每 个 B 的 带 宽 为 15 kHz 12=180 kHz。LTE-V2X 的子信道(Sub-Channel，SC)为同一个子帧中的若干 B。图 1 所示为 V2X 时频资源池示意图。图 1V2X 时频资源池722第 63 卷王致远，刘留，樊圆圆，等:一种基于拥塞等级划分的 LTE-V 资源碰撞避免机制第 2 期12物理信道在时频资源划分的基础上，LTE-V2X PC5 接口物理信道对应一组携带高层信息的资源元素。这里主要 介 绍 控 制 信 道(Physical Sidelink ControlChannel，PSCCH)和 共 享 信 道(Physical SidelinkShare Channel，PSSCH)。PSCCH 和 PSSCH 在时域上处于同一个子帧，在频率上采用相邻的频率资源发送，如图 1 所示。PSSCH 用于承载实际的 V2X 消息，其占用的 B 由 PSCCH 上携带的控制信息(Sidelink Control Information，SCI)指示;PSCCH 携带 SCI 信息，指示了包括优先级、调制编码策略以及初、重传占用的 B 等。SCI 信息对应比特位数如表1 所示15，其中 NsubCH为子信道个数。表 1SCI 信息与所占比特位数SCI 信息所占比特位数优先级3资源预留间隔4初、重传频域位置x=lb(NsubCH(NsubCH+1)/2)初、重传时域间隔4调制编码策略5重传参数1保留位15 x13资源分配方式在 LTE-V2X PC5 接口下，资源池是 PSCCH/PSSCH 发送和接收的候选物理时频资源集合，其资源分配方式采用基于感知的 SPS 方式2。当终端在选择资源时，首先感知信道，以参考信号接收功率(eference Signal eceiving Power，SP)作为信道感知参数。当在资源块上成功解调 PSCCH 时，说明存在其他终端正在使用该资源块，并且该资源块上SP 高于门限，说明使用该资源块的终端在本终端附近。因此