增強高速公路網絡通信效率和質量的技術研究

熊 霞

（江西路通科技有限公司,江西 南昌 330008）

0 引言

基于5G蜂窩網絡以及D2D技術的高速公路通信，存在V2I和V2V兩種通信方式。第1種由K針對V2V車輛，應用D2D直接相互通信，第2種設置了輛車M借助基于eNB所構建的5G蜂窩網V2I鏈路開展通信。該研究基于3種有助于信道資源分配的子計算方法，探討提升高速公路網絡通信速度和質量的優化算法。

1 信道資源分配子計算方法

在網絡通信V2I鏈路的相同RB上，按特定順序分配V2V鏈路實質也是個信息檢索問題。此檢索應當在eNB循環執行，以滿足和實現QoS需求。介紹3種可選的為集群V2I鏈路分配V2V鏈路的子計算方法，其注釋詞匯及代碼見表1所示。除DFST-DL方法以外，其余計算方法均迭代所有DU，直至完全分配給集群或者直至剩余DU不符合QoS條件需求[1]。

表1 計算方法涉及的應用詞匯及代碼

1.1 最大集群計算方法

最大集群計算方法是在集群中分配多個DU和1個CUm的計算方法，該計算方法在1個集群中盡可能多地搜集DU。選取的DU需要符合特定約束。接收CU（CUm）及所對應的存在相同鏈路共享的當前DU集群以及需要加添到Clusm的DU。保證網絡中存在相當數量的V2V傳輸鏈路是該計算方法的技術優勢，不足在于V2V鏈路的集群分配存在不公平性。多數情況下，1個集群存在多個DU對，而其他集群有可能只存在0～2個DU對。

編碼（1.1），最大集群計算方法：

過程如下：

（1）選擇可與CUm存在相同鏈路共享的DU，將它們搜集在共計L個DU的D矩陣中，而且基于約束設置Clusm。

（2）可能生成1個有最大的DU量的CUm集群，當d≥L/2或者d≥L-x時，即選擇最大集群，并返回結果。

（3）循環執行過程中，被CUm集群選取的DU節點，將于下一迭代棄用。

1.2 有限DL優先檢索樹計算方法

為了在節點間盡可能實現公平性，該計算方法中的全部集群，均定義了DL，即最大深度長度的限制條件。通過下述公式得到DL[2]：

DFST-DL計算方法的部分編碼見編碼（1.2）所示。該計算方法與普通最大集群計算方法幾乎相同，唯一有所區別的是，當DU數量觸及給定的最大限制量時，終止計算過程。

編碼（1.2），有限DL優先檢索樹方法：

1.3 帶適應度函數的輪詢計算方法

帶適應度函數的輪詢計算方法RR-FF是一種存在適應函數的輪詢計算方法，其部分計算編碼見編碼（1.3）所示。應用該方法在CU集群的循環過程中分布DU。為了提高QoS，該計算方法特別增加了適應度函數：

其計算步大體如下：（1）為各個CU集群，選取存在最大適應度的DU，適應度由公式（2）給予計算。（2）為余下的CU集群選擇最大適應度的DU，迭代計算過程中，已經選過的DU將被忽略，所有余下的CU均以同一方式分布至其他CU集群。計算方法的部分編碼見編碼（1.3）所示：

編碼（1.3），帶適應度函數的輪詢計算方法：

RR計算方法基于廣度優先檢索方法，探索優化信息檢索樹組合。計算方法在信息檢索樹深度第i層檢索所獲節點數表達為NCI。結果顯示，復雜度為，檢索到的節點總數。

2 增強信道資源分配的優化計算方法

共享同一RB的車輛組定義集群，各集群存在1組DU對和1個CUm。計算方法的部分編碼見編碼（1.4）所示。基于選取的子計算方法，各個CUm集群有可能存在1組DU對。余下的DU會分配給其他集群。與之前的計算方法一樣，方法1.4的第1行表達函數名、輸入或輸出標識。過程如下：

（1）輸入CU鏈路M個和DU鏈路K個。

（2）集群初始均為空，而且所有DU鏈路均看作剩余。

（3）然后循環選取CU鏈路，對子計算方法1.1或1.2或1.3進行調用，基于選取的集群生成子計算方法和相應的CU集群，每次循環過程中，保留排除的DU鏈路，供下輪循環的其他CU選擇，直至不存在合適DU鏈路或不存在剩余DU鏈路。

（4）輸出集群M個，各個集群分別專用于特定CU鏈路。

編碼（1.4），增強信道資源分配的計算方法：

計算方法（1.4）的復雜度分析：進行子計算方法1.1或1.2調用時，各個CU依次選取DU，加進可與特定CU同享信道的DU集群，其復雜度多為O(n)。最糟糕狀態有可能產生在D2D節點均完全獨立于其他節點時，其復雜度為O(n2)。調用子計算方法1.3時，在搜索樹第i層得到的節點數是NCI。結果顯示，搜索到的節點總數，復雜度為。

3 增強信道資源分配算法的功效評測

3.1 仿真試驗與檢測分析

通過仿真試驗，驗證增強信道資源分配算法的有效性。放棄降低QoS的V2V鏈路，將同一個RB分配給多個V2V鏈路和單個V2I鏈路。仿真試驗主要參數見表2和表3所示[3]。假定車輛按照泊松模型分布于道路，車間距均值設定表達為與車速關聯的函數，見表3所示。網絡場景假定方向相反的存在兩條高速公路，高速公路線路均由3條車道組成。為保證得到更加真實準確的結果，計算結果均隨機給予1 000次迭代。各迭代中，在線車輛的分布不同。各迭代中，隨機選擇V2V發射器和V2I發射器。V2V發射器的接收器，選擇線路同側的最近距離的V2V接收器。

表2 增強信道性能模擬分析參數

表3 公路模擬參數

（1）V2V鏈路量對V2I容量的影響。最大集群計算方法和Liang18計算方法，均在容量方面存在不足，由于其傾向于向V2I集群分配V2V鏈路，不會選擇棄用任何一條鏈路。增加V2I上的DU鏈路的數量，能夠造成對CU的更多干擾。在DFST-DL計算方法中，由于棄用V2V鏈路更多，因此存在更大的V2I遍歷容量。RR-FF計算方法存在最大V2I遍歷容量，由于公式（2）中，允許V2I鏈路與擁有最優SNIR的V2V存在集群共享。

（2）V2V對的配置數量與總帶寬效率之間的關系。帶寬效率（bps/Hz）以網絡傳輸DU和CU的總比特量給予表達。通過V2V對的配置數量與基于F個信道的網絡總帶寬效率之間的關系分析，在隨機計算方法中，由于隨機選擇V2V鏈路進行V2I集群共享，帶寬效率幾乎恒定。而在Liang18計算方法中，由于它應用分割法，獲得CU和DU之間的最優組合，從而保證了QoS最大化。因為存在適應度函數，RR-FF可以獲得很高的帶寬效率。

（3）V2V鏈路量對V2V容量的影響。V2V鏈路量對V2V容量的影響數據曲線顯示，各計算方法均高于V2V的最小容量。就V2V吞吐量而言，隨機計算方法的量值最低，Liang18和RR-FF計算方法的量值均大于其他計算方法。隨機計算方法在某一時刻，將有可能無法保證對V2V鏈路實施可靠性約束。

3.2 實際場景測試

為驗證信道分配方法的有效性，選取一處不存在交叉道口的線路開展試驗，試驗路雙向3車道，每道路面寬度4 m，到高速公路的eNB距離35 m，車速按60 km/h固定取值，車距為40 m。

（1）現實場景中V2V鏈路量對帶寬效率的影響。現實場景下V2V鏈路量與帶寬效率之間的影響關系分析結果顯示，隨機計算方法的帶寬效率幾乎固定不變，由于隨機計算方法不存在優先級制約，完全隨機選取共享鏈路，所以存在最低帶寬效率，計算方法Liang18存在最高帶寬效率，RR-FF計算方法因為存在適應度函數，因此帶寬效率很高。

（2）現實場景中V2V鏈路量對V2V容量的影響。分析顯示，所有計算方法均超出了V2V的最小鏈路容量。可以發現，就V2V吞吐量而言，Liang18和RR-FF計算方法均大于其他計算方法，V2V吞吐量最低的是隨機計算方法。而且伴隨V2V鏈路量增加，隨機計算方法逐漸無法滿足對V2V鏈路給予可靠性約束。

4 結語

綜上，該文開展了高速公路網絡通信的信道資源優化分配計算方法研究，介紹了3種可選擇的信道資源分配子計算方法，即最大集群計算方法、有限DL優先檢索樹計算方法和帶適應度函數的輪詢計算方法；闡述了增強信道資源分配的優化計算方法，并進行了仿真試驗檢測和實際場景測試，驗證了該方法的有效性。