基于分布式反馈的C-V2X碰撞解除与重传机制.pdf
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1、第 卷第 期 年 月南 京 邮 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)():基于分布式反馈的 碰撞解除与重传机制王致远,张陶冶,郭志斌,邱佳慧,张 菊,苏昭阳,刘 留北京交通大学 电子信息工程学院,北京 中国联合网络通信集团有限公司智网创新中心,北京()摘要:蜂窝车联网(,)系统中,针对调度算法不合理而造成的资源碰撞问题,提出一种基于分布式反馈的碰撞解除与丢包重传机制。该机制将 终端视为网络中的分布式节点,在各节点对周围碰撞进行识别的基础上,利用节点间的反馈信息进行碰撞的解除与恢复。首先终端依据设置的条件识别周围发生的碰撞事件,并在其传输中反馈观察到的碰撞事件。然后碰撞终端根据接收的反馈消息
2、更换或保留资源,从而实现碰撞解除和资源协调。最后为了保证信息更新的实时性,解除碰撞的终端将发生碰撞的数据进行重传。仿真结果表明,与 标准方案相比,在严重拥塞()情况下所提出机制的数据包接收率提升约,数据包更新时延降低约 ,有利于满足车联网信息交互的高可靠低时延需求。关键词:车联网;分布式反馈;资源碰撞;错误重传中图分类号:文献标志码:文章编号:(),():(),(),:;();收稿日期:;修回日期:本刊网址:基金项目:国家自然科学基金重点项目()资助项目作者简介:王致远,男,硕士研究生;刘留(通信作者),男,博士,教授,引用本文:王致远,张陶冶,郭志斌,等基于分布式反馈的 碰撞解除与重传机制南
3、京邮电大学学报(自然科学版),():近年来,智能网联汽车被公认为是全球汽车产业 发 展 的 焦 点,()作为智能网联汽车的关键技术受到了巨大的关注,其致力于车辆与周围的车、基础设施、网络和行人之间建立全方位的连接并实现高可靠低时延的信息交互,从而促进智能决策和协同控制。模式 在 中被指定为支持基本的 安全服务,其通过车辆、路侧设备以及行人之间周期性信息交互,实现碰撞预警、道路危险警告和超速警告等安全应用。模式 为了保证车辆在没有基站覆盖的场景下正常通信,采用分布式资源调度方式,遵循基于感知的半持续调度(,)。当终端选择资源时,将对资源池进行感知,排除已被占用的资源,并在干扰较小的资源中随机选择
4、。在选择发送资源后进行周期性占用,使得周围车辆感知并避开已被占用的资源。然而在真实交通场景下,由于感知受限以及信道拥塞等问题,可能出现相邻车辆选择相同的资源,导致接收端信干噪比低无法正常接收,此类问题被称为资源碰撞。由于周期性资源占用,碰撞将在多个周期上持续。在车流量较高的情况下,资源碰撞是影响 通信性能的主要原因之一。资源碰撞是当前 研究的重点,相关研究从不同角度设计并提出解决方案。等从地理位置的角度提出划分为多个地理区域,每个区域分配 和相应的资源池。车辆根据所处位置从对应的资源池中选择资源,从而降低不同区域终端间的干扰。等从资源保留概率、资源选择窗以及接收功率阈值等 参数配置角度进行研究
5、,提出基于标准算法的最佳参数配置。等提出选择两个发送资源,并在传输中交替使用。即使在一个资源上发送碰撞,另一块资源也可以正常传输。等提出了一种基于短期感测的资源选择方案,在所选发送资源的开始处配置短期感知时间,依据感知结果确定是否最终在该资源上传输。等通过分析无线盲点发生的概率,对资源自主选择模式进行扩展,提出资源保留概率的自适应调整方案。然而,由于分布式资源调度,资源碰撞问题难以避免,上述方案无法解除已发生的碰撞,即无法解决在多个周期上的持续数据包碰撞。当前 中持续存在数据包冲突问题的根本原因是具有重叠选择窗口的车辆之间缺少选定资源的通信,因此允许各分布式节点进行合作是一种有效解决方案,即允
6、许观察到碰撞事件的邻居车辆向碰撞车辆提供反馈。等通过广播反馈解决隐藏节点问题,根据数据包成功接收记录资源位置并形成位图,以位图的形式进行反馈。然而,位图占据较大的空间,且未考虑反馈者的位置。等根据接收功率设置反馈关注区域,反馈终端仅反馈关注区域内的碰撞事件。但以接收功率划分关注区域忽略了场景间的差异,发生碰撞的终端全部更换资源将造成资源的浪费。因此,碰撞反馈机制需要结合资源碰撞的成因和车联网通信的特点进行系统设计,从而使其能够解除资源碰撞并提升资源复用的有效性。本文基于 理论模型分析,将碰撞产生原因总结为资源选择不确定性、感知受限、信道拥塞以及半双工。针对上述因素,围绕碰撞发生的过程设计资源碰
7、撞避免机制。在资源碰撞时,碰撞终端无法了解到碰撞的发生,设计了邻居终端反馈机制以告知碰撞车辆;在碰撞终端意识到碰撞后,设计了基于重选计数器的碰撞解除机制以解除碰撞并协调资源;在碰撞解除后,针对未成功传输的 数据,设计了基于单次感知传输的重传机制。通过上述机制系统地解决资源碰撞问题,并对所提出方案进行理论分析和仿真验证。无线通信技术 时频资源 无线资源由时域中的子帧和频域中的子信道组成。其中,子信道由一组资源块(,)组成,每个 由 个子载波形成,子载波间隔为 。一个子帧包含 个时隙,每个时隙由 个 符号组成。物理信道包括控制信道和共享信道,两者在相同子帧上采用相邻频率资源传输。控制信道主要携带控
8、制信息,包括共享信道位置、资源预留间隔等;数据信道用于承载 消息。时频资源划分如图 所示。图 时频资源池南京邮电大学学报(自然科学版)年 终端的资源调度方式为基于感知的半持续调度,其包括感知和资源选择两个阶段。在感知阶段,车辆持续监测每个子帧,尝试接收其他车辆的信号,若在子信道上成功解调其他车辆的控制信道,即记录该子信道的位置并测量参考信号接收功率(,);若在子信道上未接收到数据,则测量该子信道上的接收信号强度指示(,)以用于评估资源上的干扰情况。当需要传输数据时,终端将进入资源选择阶段。终端应排除距离较近的车辆所使用的资源,否则将产生严重的资源碰撞。故终端需要设定 门限,排除成功解调控制信道
9、且 高于门限的子信道。若排除满足上述的子信道后,剩余子信道数量不足总数的,那么将上述条件中的 门限提高 ,直到剩余资源数量大于等于资源总数的。在排除符合上述条件的子信道后,设置大小为资源块总数 的候选资源集合,将剩余资源中平均 较小的资源块放入候选资源集合中。终端在候选集合中随机选择发送资源,并且设定资源保留概率和周期性占用次数。当达到占用次数时,将依据资源保留概率确定是否重新选择资源。资源碰撞模型文献提出了 性能分析模型,在该模型中将车辆分为发送车辆、接收车辆以及干扰车辆。其中,在场景中选定发送车辆和接收车辆后,则其他车辆均为干扰车辆。针对每个干扰车辆,计算其与发送车辆产生资源碰撞而导致接收
10、车辆无法成功接收的概率。若存在干扰车辆与发送车辆选择相同资源且接收车辆处干扰信号功率高于门限,则认为该数据包由于资源碰撞而无法正常接收。因此将资源碰撞概率 表示为(,)(,)()其中,表示发送车辆,表示干扰车辆,表示接收车辆,表示收发车辆间的距离,表示干扰车辆与发送车辆间的距离,表示干扰车辆和发送车辆间的距离,干扰车辆 导致的碰撞概率为。将干扰车辆造成的碰撞丢包概率进一步讨论,只有当干扰车辆和发送车辆选择相同资源且干扰车辆在接收车辆上的干扰高于阈值时,才会导致碰撞引起的丢包问题。干扰车辆和发送车辆选择相同资源的概率与干扰车辆和发送车辆间的距离、资源调度以及拥塞控制有关,而接收车辆上干扰功率高于
11、阈值的概率与收发车辆的距离、干扰车辆和接收车辆的距离以及传播有关,因此碰撞概率 可以表示为(,)(,)(,)()其中,为干扰节点在接收节点上的干扰高于阈值的概率,为发送节点和干扰节点选择相同资源的概率。半持续调度机制对选择的资源进行周期性占用,一旦发生资源碰撞后,碰撞车辆由于半双工机制无法了解到碰撞的发生,将产生连续多个数据包的丢失,直到发送车辆或碰撞车辆达到占用次数。错误资源选择至少造成的丢包数可以表示为(,)()其中,为发送车辆对所选资源的占用次数,为干扰车辆对所选资源的占用次数。接收车辆上干扰能量高于门限的概率与功率控制、传播有关,而本文主要关注无线资源调度,因此对发送车辆和干扰车辆选择
12、相同资源的概率进一步讨论,可以表示为(,)()(,)(,)()其中,为传输频率,(,)为发送节点和干扰节点可以互相感知到的概率,(,)为发送节点和干扰节点的公共候选资源数,为发送节点的候选资源数。发送车辆和干扰车辆是否选择相同资源取决于能否相互感知。在两车能够相互感知到,则仅在两车选择窗重叠的情况下,因资源选择具有不确定性可能选择相同的资源。其中,两车选择窗重叠的概率为 。在该情况下,由于两车能够相互感知,因此可采用相应的措施进行资源碰撞避免,等提出发送端提前确定是否需要重选资源,若需要重选,则 提 前 选 择 资 源 并 在 控 制 信 息 中 添 加“”指示下一次资源选择位置,能够有效解决
13、资源选择窗重叠的问题。通过结合资源预约机制,无论是否重选资源,在传输中都将指示下一次资源位置,有利于其他车辆识别碰撞,因此本文所提方案基于“”方式。在感知受限的情况下,发送车辆和接收车辆无法相互感知,发送车辆选择两车公共候选资源且干扰车辆同样选择该资源的概率第 期王致远,等:基于分布式反馈的 碰撞解除与重传机制为(,)。需要注意的是,当信道拥塞时较多资源已被占用,那么两车的候选资源池将具有较大的重叠,从而导致较大的碰撞概率。在此情况下资源碰撞问题难以避免,且碰撞终端由于半双工无法了解到碰撞的发生,碰撞将在多个周期上持续。本文算法主要针对由于感知受限和半双工造成的连续资源碰撞问题,由于碰撞双方无
14、法相互感知,难以在碰撞前完全避免其发生,因此考虑采用邻居车辆进行分布式反馈使碰撞车辆了解到碰撞的发生,在此基础上进行碰撞的解除与恢复。基于分布式反馈的 碰撞解除与重传机制 邻居终端碰撞反馈机制基于车联网资源预约机制以及“”资源广播机制,在使用周期性资源和重新选择资源的情况下,终端均会在一次传输中提前告知周围终端其下一次使用资源的位置,周围终端在收到此数据包后将在资源池中标记终端预约的下一次资源。若有两个及以上终端在传输中预约了相同的资源,并且在该资源位置未能成功接收数据包,那么周围的其他终端将识别到可能发生的资源碰撞并进行碰撞反馈。本文重点关注碰撞反馈的条件,当满足碰撞反馈的条件时才进行反馈。
15、错误的碰撞反馈不仅无法起到减少资源碰撞的作用,反而可能使资源合理复用的终端放弃其传输资源并更换新的资源。由于终端在传输中会预约其下一次传输所使用的资源,故其原有传输资源已被预约,附近车辆将不会选择该资源,从而造成资源的浪费。碰撞终端的邻居终端对于碰撞的识别具有较高的准确性,而距碰撞终端较远的终端可能将合理的资源复用识别为碰撞。因此,确定并计算反馈范围是碰撞反馈的重要内容。在文献中利用无线信号强度表征通信范围,存在比较大的误差,这是由于车联网传播环境中视距传输和非视距传输下接收能量具有较大差异。本文考虑车联网消息中携带了发送终端的位置信息,因此接收终端能够计算其与发送终端间的真实地理距离。车联网
16、 通信性能要求一般为 ,反馈终端关注周围 范围以内的碰撞事件。考虑到资源池的有限以及反馈信息的数据较少,感知到碰撞的终端将需要反馈的信息添加到其下一次传输中的控制信息中,并且规定终端在传输时对距离当前传输最近的碰撞进行反馈,从而实现在较短时间内将反馈信息告知碰撞车辆。邻居终端反馈机制示意图如图 所示。图 邻居终端反馈机制示意图在该机制下,碰撞反馈依靠周围的邻居终端进行反馈,周围的反馈终端数 可表示为(,)()其中,为碰撞识别距离,为发送终端和干扰节点之间的距离,为车流密度。接着需要考虑反馈终端周围存在的碰撞数量,以确定每个碰撞的反馈终端数,反馈终端周围存在的碰撞数量 可以表示为()()其中,(
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