基于可變距離的車聯網D2D通信連接選擇

邱永芳，邱恭安，周永箏

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基于可變距離的車聯網D2D通信連接選擇

邱永芳，邱恭安，周永箏

（南通大學電子信息學院，江蘇南通 226019）

車聯網是移動互聯網的延伸，其中基站協作的D2D通信適用于車間交通消息的短距離無線傳播。針對車輛快速移動導致的通信鏈路動態性，提出了一種基于可變距離的D2D連接選擇方法。通過選擇行車道及車間距離參數，估計D2D連接對的信道質量，推導了D2D連接選擇的優先指數，并基于該優先指數建立D2D通信鏈路進行交通消息傳播。仿真結果顯示，所提方法在D2D連接的生存時間、傳輸效率方面得到提高，同時降低了D2D通信的中斷概率，提升了車輛間通信可靠性。

D2D通信；連接選擇；鏈路生存時間；車聯網

1 引言

在蜂窩通信系統的控制下，D2D通信允許終端用戶通過共享小區資源在一定范圍內進行直接通信，是5G的關鍵技術之一[1-3]。當交通事件發生時，交通狀態消息會在短時間和短距離范圍內重復廣播，容易造成有限鏈路擁塞。D2D通信作為一種可靠的短距離通信技術，能有效緩解核心網絡的負載，實現數據分流，適用于車聯網中短距離交通消息傳播[4]。目前，車聯網采用專用短距離通信（dedicated short range communication，DSRC）技術來實現車間及車路通信。但RSU/OBU（road side unit / on broad unit）通信距離短，容易導致交通消息網絡的可擴展性問題，需要改進交通消息傳輸網絡以提高交通消息傳輸的可靠性和實時性。因此，基于車輛的強移動性探索D2D連接對選擇方法，以建立生存時間長、可靠性強的鏈路，能夠降低D2D通信中斷概率，提高交通消息傳播性能。

一旦D2D通信鏈路建立起來，其通信所需的數據流量將不再經過基站和核心網，從而減少通信時延、減輕基站壓力、緩解核心網負載，大大提升頻譜利用率和吞吐量[5]。參考文獻[6]指出當潛在D2D連接對確定后，所有可行鏈路的傳輸順序將影響系統性能。參考文獻[7]提出了一種分布式鏈路選擇算法，但在高速行駛的車道中，鏈路狀態動態變化，所獲取的信道狀態信息容易過時，從而導致不能獲得最優鏈路選擇。參考文獻[8]提出的最短路徑選擇策略雖然滿足了交通消息的時延敏感要求，但不適用于交通緊急預警消息的傳播。參考文獻[9]針對節點移動速度、道路寬度對鏈路生存時間的影響，建立鏈路動態分析模型，推導出鏈路生存時間的表達式。參考文獻[10]提出的鏈路生存時間預測方法，研究了平均鏈路生存時間的性能，但其計算復雜度高，不適用于拓撲結構動態變化的車聯網。參考文獻[11]通過所獲取的節點實時位置、移動速度以及方向參數，預測節點的下一個位置，延長與目的節點的鏈路生存時間，但實時更新位置信息會增加通信開銷，導致系統性能降低。

針對車輛快速移動導致的通信鏈路動態性問題，提出了一種基于可變距離的車間通信鏈路選擇方法，通過建立連接優先指數來選擇D2D連接對，以提高直通通信連接的生存時間，改善交通消息傳輸性能。

2 系統模型

當交通事件發生時，交通狀態消息會在短時間、短距離范圍內重復廣播，容易造成有限鏈路重負載。因此，車輛在基站控制下與其通信范圍內的鄰居車輛建立D2D連接對，傳播實時交通安全告警消息，以預警交通事故。在車聯網中，假設車輛能夠在蜂窩網絡基站控制下實現車間D2D通信，每個車輛的通信范圍均為，車輛周期性地收集其鄰居車輛的交通消息，主要包括當前速度、方向、位置以及位置精確度等。車輛間D2D連接對復用蜂窩網絡的上行鏈路頻譜資源，且基站為D2D用戶和蜂窩用戶分配正交的頻譜資源，以減少與蜂窩用戶之間的同頻干擾，系統模型如圖1所示。設行車道1中發生車輛碰撞事故，相關車輛車載傳感器檢測到該事故后生成簡短的交通事故告警消息，包括事故位置、時間、事故類型，如圖1中的碰撞消息。該消息被上傳給基站，事故車輛即源車輛向基站請求建立D2D連接對以進行交通告警消息的傳播，基站根據所獲得的鏈路信息為源車輛建立D2D連接對。設D2D通信所需的傳輸功率自適應控制，且遠小于蜂窩通信所需的傳輸功率。

3 D2D連接對選擇方法

設某車輛與其通信范圍內同向行駛的后方車輛建立D2D連接對，以進行交通預警消息傳播，設車輛為消息發送者，車輛為任意鄰居車輛，則兩車輛間的歐式距離為：

={同一車道，相鄰車道} （2）

為保證消息成功傳輸，源車輛會選擇信道狀態好的鄰居車輛進行通信。若源車輛與其鄰居車輛間存在視距，其信道狀態一般比較好。當有緊急預警消息產生時，源車輛會優先發送給同車道后方車輛以防止連環碰撞發生。因此，對于鄰居車輛來說，其與源車輛的距離以及所在的車道不同，被選擇通信的可能性也會不同，則各鄰居車輛被選擇連接的優先指數可表示為：

其中，表示源車輛與鄰居車輛間的歐式距離，s和R分別表示源車輛和鄰居車輛所在的車道，表示總車道數，表示車輛的通信范圍。優先指數越小，車輛的優先級就越高，被源車輛選擇通信的可能性就越大。當兩車輛的優先指數相同時，會優先選擇與源車輛處于相同車道的車輛進行通信。基于優先指數的D2D連接對選擇流程如圖3所示。

圖3 基于優先指數的D2D連接對選擇流程

第一步，車輛在行駛過程中，會周期性地獲取周圍鄰居車輛的交通信息，當其有緊急預警消息要發送時，會向基站請求與周圍的鄰居車輛建立D2D連接對，進行短距離交通消息傳播；第二步，計算車輛與各鄰居車輛的距離以及各鄰居車輛接入車輛的優先指數；第三步，比較各鄰居車輛接入的優先指數大小，選出最小優先指數所對應的鄰居車輛，車輛會與其連接進行交通消息傳播，當有兩個最小優先指數時，車輛會優先選擇與其處于相同車道的鄰居車輛進行連接；第四步，當車輛完成本次消息的傳輸后，仍有消息發送時，則重復上述步驟，直到沒有消息發送。

4 性能分析

（1）鏈路生存時間

鏈路生存時間定義為任意兩車輛間建立的鏈路保持時間。設某時刻時，車輛與車輛處于連通狀態[13-14]，則其鏈路的生存時間為，由式（1）可得，則鏈路生存時間可改為：

其中，表示車輛、間的歐式距離，表示進行連接的兩車輛的速度，為通信范圍，為車輛間的縱向寬度。當進行連接的兩車輛處于同一車道時，取=0，否則取=3。鏈路生存時間越長，鏈路的穩定性就越高，成功傳輸的概率就越大。

（2）傳輸效率

（3）中斷概率

鏈路中斷概率定義為鏈路上的信噪比低于預設閾值的概率。假設D2D用戶之間的信道為威布爾衰落信道，對于任意兩車輛間的鏈路，接收端的信噪比為：

（7）

（9）

5 仿真與分析

選擇D2D連接鏈路的生存時間、傳輸效率以及中斷概率為仿真性能參數，比較不同鏈路選擇方法的性能。設同向兩車道路段長度為1 km，兩車道速度隨機取值為[60,120] km/h。鄰居列表交換周期和相對車距更新周期為100 ms。設在相同行駛道路上車輛到達過程服從泊松分布，車輛通信范圍為300 m，當兩車輛處于彼此通信范圍時，認為兩節點是可連通的。信號發射功率為2 W，韋伯衰落為2，衰減系數為，信噪比的預設閾值為10 dB。在MATLAB 2010b軟件上進行仿真，仿真參數見表1。仿真統計了不同車道中車輛間的距離與鏈路生存時間關系，對不同D2D連接建立方法，仿真比較了所提方法、隨機D2D連接建立方法以及參考文獻[16]中的MLS（maximal lifetime scheduling）方法的平均鏈路生存時間、傳輸效率以及中斷概率3個性能指標。為保證所提方法的有效性和正確性，仿真結果為隨機場景下運行1 000次的結果。

表1 仿真參數

圖4顯示了車輛間的可變距離對鏈路生存時間的影響。車輛間的可變距離越小，其信道質量一般越好，所能保持的鏈路生存時間就越長，被選為D2D連接對的可能性就越大。通信距離大于200 m后，鏈路生存時間小于100 ms，中斷概率增大，消息成功傳輸概率減小，無法保證消息的有效傳輸。

圖5給出了3種連接選擇方法的平均鏈路生存時間。由圖5可知，與另外兩種選擇方法相比，基于優先級的連接選擇方法大大提高了鏈路生存時間。這是因為本文所提的連接方法同時考慮了車距和車道因素，且對D2D連接對進行了有優先級的選擇，從而能夠很好地保證通信的可靠性。而隨機選擇方法沒有考慮用戶所處位置以及通信雙方信道的好壞，MLS方法沒有考慮用戶所處位置的影響，因此鏈路生存時間短。

圖6顯示了車輛密度對傳輸效率的影響性能曲線。由圖6可知，隨著車節點密度的增加，傳輸效率逐漸增加。這是因為隨著車輛密度的增大，源節點可以選擇通信的車輛數增加，車輛間的距離變小，視距范圍內鏈路質量一般較好，數據成功傳輸的概率增大，傳輸效率增加。

圖7顯示了車輛密度對中斷概率的影響性能曲線。由圖7可知，隨著車節點密度的增加，中斷概率整體呈下降趨勢。這是因為隨著車輛密度的增大，通信節點可以選擇的車輛數增加，可以選擇最優的鏈路進行數據傳輸，從而使中斷概率減小。而車輛密度較低時，可選擇通信的節點很少，且鏈路的干擾較大，所以中斷概率會很大。

6 結束語

車聯網是移動通信網絡在交通系統中的擴展應用，是交通業務消息承載和傳輸的載體。D2D通信作為一種可靠的短距離通信技術，適用于車聯網中短距離交通消息傳播。本文針對車輛快速移動導致的通信鏈路動態性問題，提出了一種基于可變距離的D2D連接選擇方法。其次，通過選擇行車道及車間距離參數，估計車間D2D通信連接信道質量，推導了D2D連接對選擇的優先指數表達式。仿真結果表明，本文所提的基于優先級連接選擇方法有效提高了D2D連接對的鏈路生存時間、傳輸效率以及中斷概率，提升了車輛間通信的可靠性，改善了交通消息的傳播性能。

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Variable distance based D2D connection selection scheme in internet of vehicles

QIU Yongfang, QIU Gong’an, ZHOU Yongzheng

School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, China

Internet of vehicles is an extension of the mobile network. Traffic messages can be disseminated in a short range by D2D communication technology under the base station controller. For decreasing the dynamics of the communication link due to rapid movement, a new D2D connection selection scheme based on variable distance between vehicles was proposed. By selecting the traffic lane and workshop distance parameters, the channel quality between D2D pairs was estimated, the priority index of D2D connection selection was deduced, and the D2D communication link was established based on the priority index for traffic message propagation. The simulation results show that the proposed method has an improvement in the survivability and transmission efficiency of D2D connection. At the same time, the reliability of traffic message dissemination in short range was improved by decreasing the outage probability of D2D communication.

D2D communication, connection selection, link lifetime, internet of vehicles

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017119

2017?01?17；

2017?05?03

國家自然科學基金資助項目（No.61371113，No.61601248）；南通市應用研究計劃基金資助項目（No.BK2012024）

The National Natural Science Foundation of China (No.61371113, No.61601248), Nantong Science and Technology Plan Project (No.BK2012024)

邱永芳（1991?），女，南通大學電子信息學院碩士生，主要研究方向為車聯網通信、D2D通信。

邱恭安（1973?），男，博士，南通大學電子信息學院副教授、碩士生導師，主要研究方向為車聯網通信、認知無線網絡。

周永箏（1992?），女，南通大學電子信息學院碩士生，主要研究方向為車聯網通信。