5G 車聯網信道資源分配策略研究

謝于晨

（江西科技學院信息工程學院,江西 南昌 330200）

車聯網是移動通信網絡的研究熱點。在當前5G環境下，車聯網面臨巨大的考驗，如海量接入需求、服務質量的高要求、數據傳輸的高速率等。

隨著車輛數量增加及自動駕駛的發展，5G車聯網的業務需求越來越多樣，其整體需求可概括為兩個方面：一是與交通安全相關的業務，即安全類業務[1]，該類業務主要涉及汽車行駛過程中可能遇到的安全問題，其優先級別是最高的；二是與交通安全不相干的其他業務[2]，如交通效率類、娛樂生活類業務等，前一種需求的安全級別高于娛樂生活業務，但低于安全相關業務。為提高5G車聯網的整體信道傳輸速率，本文將根據三種不同類型的業務進行分級分片處理，以實現信道資源的自適應分配。

1 5G車聯網架構

根據前面三種業務需求，研究中提出了一種側重于網絡接入及資源管理方面的車聯網組網架構，如圖1所示。

圖1 5G車聯網架構

從圖1可以看到，該網絡架構包括四層，即應用層、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，主要完成數據處理等工作；應用層完成三類業務的需求處理；終端層完成數據采集工作。

2 信道資源分配策略分析

2.1 問題分析

以高傳輸速率為目標，在進行資源分配時，先要明確問題所在。從前面構建的5G車聯網網絡架構可以看到，5G車聯網中有1個宏基站MBS和N個小基站SBS。在研究過程中，主要考慮處理層的資源分配。根據車聯網的三類業務需求，研究中使用網絡切片技術[3]將處理層分為三個切片，并以m∈｛1,2,3｝分別表示安全業務傳輸（車-車通信，V2V）、交通效率業務傳輸（車-基礎設施通信）和娛樂業務傳輸（車-基礎設施通信）。

假定車聯網網絡中總用戶數量為I，系統帶寬分為J個資源塊（PRB），每個PRB帶寬為B，小基站N個，每個小基站都是單天線配置，且每個小基站的最大發射功率為Pn。同時，假設網絡信道為衰落信道，其信道增益為載波分配因子，其值為1時表示載波已分配給當前用戶，否則表示不分配當前用戶。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 系統傳輸速率分析

在切片1（V2V通信）中，相鄰車輛使用端到端的直通方式傳輸，且采用SCMA編碼機制來相互發送安全業務消息，即切片1為SCMA與全雙工通信結合。根據SCMA機制及信道容量的定義可以得到切片1的速率為

切片2為交通效率業務，采用傳統OFDMA接入機制[4]，則有其速率為

切片3為娛樂相關業務，同樣采用OFDMA機制，則其速率為

研究中以提高系統的總速率為目標，由前面可得到系統總傳輸速率為

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

為便于簡化目標函數的最優化求解，同時又能提高系統性能，這里引入一個常量F來解決非安全業務中收發雙方間的同頻干擾問題，即用F替換，則有

最后采用拉格朗日對偶下的迭代算法對系統的總傳輸速率V求解得到最優分配方案。

2.3 拉格朗日求解

為求上式最優解，這里首先寫出它的拉格朗日函數，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中用戶數量約束及SCMA編碼時碼本和有關的乘子向量；γ1,i和γ2,i為優先級調節參數；ωn為資源塊速率約束的拉格朗日乘子；θn.j為非安全類業務正交性約束的乘子向量；σi為同頻干擾約束相關的乘子。

1）問題分解。將問題分解為2個部分：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所有最大值的最小值，用公式表示即為

同時使用對偶分解，將上式分解為與拉格朗日乘子相關的子問題。

3 仿真及結果分析

3.1 仿真環境搭建

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

3.2 仿真及結果分析

本次仿真測試將從三個方面進行，即干擾溫度對系統性能的影響、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）驗證在多用戶環境下干擾溫度常量F與資源塊對系統總速率的影響。假定干擾溫度F分別為0.1、0.3、0.6、0.8、1，經過仿真得到如圖2所示結果。

圖2 干擾溫度F與資源塊變化時對系統總速率的影響

在圖2中，從縱向看，PRB數相同時，干擾溫度越大，系統總傳輸速率越小；從橫向看，干擾溫度F一定時，資源塊數量增加，則系統總速率將隨之增加，資源塊數少時增加幅度大，當資源塊數一定時，系統總傳輸速率會隨著干擾溫度的增加而下降，說明干擾溫度對系統總速率有抑制作用，故而可以得到干擾溫度對系統總體性能產生抑制性的影響。

（2）各種通信機制的性能比較。課題研究中所提的車聯網中，切片1的車-車通信采用SCMA接入機制結合全雙工傳輸方式。為了驗證本研究提出的通信機制的性能是否優于傳統機制，這里將其與半雙工下的SCMA接入、半雙工下的OFDMA接入兩種方案進行仿真比較。本次比較將從資源塊（PRB）數變化的角度去觀察，如圖3所示。

圖3 PRB變化時三種技術方案性能比較

從圖3可以得到，資源塊數上升，三種方案的系統總速率都有所增長，但是本研究所提的“SCMA＋全雙工技術”方案系統總速率總是優于其他兩種方案，從而可以得出結論：5G車聯網中采用SCMA+全雙工技術，其對系統總速率的影響要明顯優于傳統的車聯網通信技術方案。

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

圖4 三種算法下資源塊變化時對總速率的比較

通過觀察圖4可以發現，不同分配策略下系統總速率都會隨著資源塊PRB的增加而增加，但PRB數目相同時，本研究所提的拉格朗日對偶算法策略系統總速率要大于載波隨機分配和功率平均分配策略，即基于拉格朗日對偶的分配策略在提高系統總傳輸速率方面要優于其他兩種處理方案。

本次仿真過程都是以系統的總速率為目標，分別從不同方面對研究所提方案與傳統方案做了對比。通過比較分析可以看出，研究所提基于拉格朗日對偶的SCMA+全雙工方案在提高系統速率上效果是顯而易見的，也就說明其對提高系統性能是有一定優勢的。

4 結語

隨著5G的廣泛應用，5G+車聯網也面臨著巨大的挑戰。本文搭建了5G車聯網下的組網模型，以網絡切片技術、SCMA與OFDMA相結合的接入技術為核心，以優化系統的傳輸速率為出發點，提出了一種5G環境下車聯網信道資源分配策略，并從不同方面給出仿真結果，通過分析可以得出，本策略對于系統資源能做到合理化分配，對系統傳輸速率的提升有一定作用。5G車聯網除了高速率需求外，還有眾多需求有待解決，為此，5G新技術將給車聯網的發展帶來更進一步的飛躍。