車車通信中通信模式選擇與資源分配算法

陳 垚，趙軍輝，2，張青苗，周天清

1.華東交通大學 信息工程學院，南昌 330013 2.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044

隨著城市化進程的不斷加快，交通壓力急劇增加。城市軌道交通作為人們出行的主要方式，越來越受到關注[1]。基于通信的列車控制（communication-based train control，CBTC）系統是利用車地雙向通信確保城市軌道交通中列車高效、安全運行的關鍵系統。在CBTC系統中，通常采用無線保真（wireless fidelity，Wi-Fi）通信技術實現列車和軌旁設備之間及時、準確的信息交換[2-3]。然而，隨著城市軌道交通列車的提速以及智慧地鐵對軌旁設備結構、系統效率等提出的更嚴格的要求[4]，Wi-Fi技術已無法滿足未來城市軌道交通系統的安全要求以及無線通信的用戶服務質量（quality of service，QoS）[5]。

由于長期演進（long term evolution，LTE）系統中的無線通信技術能夠提供更高的數據傳輸速率并且具有更低的系統延遲，成為研究人員廣泛關注的下一代軌道交通無線通信技術[6]。國際鐵路聯盟在2010年明確指出，LTE系統將被用作未來鐵路專用無線通信的載體[7]。作為LTE系統中的直接通信技術，設備到設備（device-to-device，D2D）通信技術由于其發射器和接收器之間的距離相對較近，可以在低發射功率下獲得更好的信道質量。如今，將D2D技術應用于車輛通信已成為一種趨勢[8]。車車（train-to-train，T2T）通信作為車輛到車輛（vehicle-to-vehicle，V2V）通信的一部分，已經成為列車通信系統中一個活躍的研究領域[9-10]。在2007年，Garcia等人研究了列車避障系統，該系統首次實現了T2T通信，大大降低了列車相撞的可能性[11]。文獻[12]分析了D2D技術是否可以用于城市軌道交通中的無線通信系統。文獻[13]將T2T通信納入了高速鐵路和城市軌道交通的下一代通信方法。

盡管基于D2D技術的T2T通信有很多優勢，但是在目前，系統中的軌旁設備仍然是必需的。當兩列相鄰的列車通過T2T通信獲取彼此的位置和狀態信息時，列車仍需要與軌旁設備進行通信。在T2T通信與車地（train-to-ground，T2G）通信并存的情況下，合理利用頻譜資源同樣是一大挑戰。然而，目前對T2T通信資源分配的研究還十分匱乏。文獻[20]提出了一種應用于列車控制系統上行鏈路的通信資源分配方案，該方案通過博弈論進行信道分配，引入權重因子進行資源分配，從而提高了系統的穩定性。文獻[21]提出了一種基于多代理深度Q網絡（multi-agent deep Q-network，MADQN）的T2T通信信道選擇和傳輸功率選擇算法，以減少同信道干擾。

在現有關于T2T通信資源分配的研究中，主要集中在固定通信模式下的資源分配問題，沒有考慮列車的通信模式選擇問題。為使每種列車能根據運行環境選擇合適的通信模式，本文提出了一種基于信道容量比較的自適應通信模式選擇算法。根據模式選擇算法，列車能夠在滿足QoS要求的條件下自適應地選擇通信模式，以確保每輛列車均在最佳信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）下運行。根據該算法，資源分配問題可以分為兩個過程。由于分解后的目標函數是非凸的，需要將原始問題重構。重構后，通過拉格朗日對偶函數法獲得每種通信模式的最佳發射功率。

為方便讀者閱讀，本文已將后續使用到的重要符號在表1中列出并做出說明。

表1 重要符號說明表Table 1 Table of important symbols

1 系統模型

基于D2D技術的T2T通信系統模型如圖1所示。為了降低軌旁設備的復雜性，列車和軌旁控制器集成了區域控制器（zone controller，ZC）、列車自動監控（automatic train supervision，ATS）和計算機互鎖（computer interlock，CI）功能，每輛列車都可以通過列車控制模塊中的T2G通信終端與軌旁設備進行通信，軌旁設備可以根據列車發送的路線信息直接控制道岔的旋轉和打開[2，22]。不僅如此，相鄰列車還可以通過T2T終端直接通信，以傳達列車速度和位置等關鍵信息。相比于傳統的T2G通信，這種直接通信的方式可以使列車獲取信息更及時，從而提升列車運行的安全性。區別于傳統的蜂窩網絡，在城市軌道交通系統中，基站（base station，BS）沿軌道線性分布，每個蜂窩小區中的列車數量有限。根據列車運行環境的特殊性，假設該網絡中有V={ }1,2,…,M個T2G通信用戶，D={ }1,2,…,N個T2T通信用戶，V個T2G通信用戶在蜂窩網絡中使用K個獨立的正交信道資源，T2G通信用戶的上行信道被T2T通信用戶復用且只能復用一次。

圖1 基于D2D技術的T2T通信系統模型Fig.1 T2T communication system model based on D2D technology

T2G通信鏈路、T2T通信鏈路和復用干擾如圖2所示。列車x0和x1之間存在T2T通信，在列車x2和BS之間存在T2G通信，同時，列車x2和BS之間的通信信道被T2T通信列車x0和x1復用，在復用過程中，列車x2將對列車x0和x1產生干擾。在本系統中，模型使用列車x0的初始位置作為坐標原點，列車自左向右以速度v在基站覆蓋范圍內行駛，可以將列車x k和BS之間的距離表示為：

圖2 T2T通信鏈路與T2G通信鏈路之間的干擾Fig.2 Interference between T2T and T2G communication links

式中，x代表BS的橫坐標，y代表BS的縱坐標，L代表相鄰列車之間的距離，hbs和htra分別代表BS處的天線高度和列車上的天線高度。

科學處理危機善后，合理引導網絡輿情是減小旅游危機事件負面影響的重要措施。以開放、包容和坦誠的態度應對危機，主動融入輿論場，積極糾正錯誤、修復形象，有助于建立合理的輿情疏導機制。旅游危機事件的網絡輿情傳播給旅游目的地帶來的影響深遠，短時間內難以消除，因而旅游危機事件的善后處理應注重對網絡輿情的長期正面引導。

在本文中，列車和BS之間的信道增益可以表示為：

式中，G代表路徑損耗常數，βi,B代表對數正態陰影衰落隨機變量，ζi,B是小規模快速衰落功率分量，α是路徑損耗指數。

該通信系統存在兩種通信模式，一種是T2G通信模式，另一種是T2T通信模式[12]。在T2G通信模式下，列車通過基站進行通信，當兩列列車相距較遠時，此模式比較適用。此時，T2G用戶的SNR可以表示為：

在保證T2T通信用戶的SINR的條件下，為每個T2T通信用戶分配信道資源。x k是模式選擇的指示矩陣，x k=[ ]X1,X2,…,X k,…,X K，由模式選擇算法確定。如果T2T通信用戶滿足SINR要求，則可以獲得信息傳輸所需的信道資源，此時X k=1。如果T2T通信用戶不滿足SINR要求，則定義X k=0。xi,j為信道資源復用指示變量[23]，代表T2G通信用戶i的信道資源被T2T通信用戶j復用，如果信道被復用，則xi,j=1，否則xi,j=0。然后，可以通過優化用戶的發射功率來最大化系統信道容量，優化問題的公式如下：

其中，C1表示T2G通信的信道容量，C2表示T2T通信的信道容量。在上述約束中，約束條件c3表示T2G通信用戶信道資源只能被T2T通信用戶復用一次。ξi,min和ξj,min分別表示T2G通信用戶和T2T通信用戶的最低SINR要求。P cmax和P tmax分別表示T2G通信用戶和T2T通信用戶的最大傳輸功率。顯然，該優化問題是非凸的，因此本文將該問題分解為兩個子問題。

2 自適應通信模式選擇與功率分配算法

本文在確保QoS的前提下，根據不同通信模式的信道容量關系獲得模式選擇矩陣，通過該矩陣，列車可以自適應地選擇通信模式。然后，根據這兩種通信模式，將原始優化問題分解為兩個子問題，分別在T2G通信模式和T2T通信模式下最大化系統的信道容量。由于原始優化問題中系統的總信道容量是將不同通信模式的信道容量相加得到的，該分解方法是可行的。

2.1 通信模式選擇算法

通過通信模式選擇算法，可得到模式選擇矩陣。由于優化問題（6）是兩種通信模式的相加運算，通過模式選擇指標矩陣和優化問題（6），可以實現列車自適應模式選擇，并將原優化問題分解為兩個子問題，其中一個可以表示為：

優化問題（7）表示，當系統滿足模式選擇條件時，將信道資源分配給目標列車，列車采用T2G通信模式。

另一個優化問題可以表示為：

優化問題（8）表示，當系統滿足模式選擇條件時，將信道資源分配給目標列車，列車采用T2T通信模式。

2.2 最優功率分配算法

當系統采用T2G通信模式時，原始約束問題可以表示為式（7）。顯然，目標函數是關于的凹函數，并且該函數的可行域是凸集，因此，優化問題（7）可以表示為凸優化問題。本文采用拉格朗日對偶方法來解決上述凸優化問題，原問題的拉格朗日函數可以表示為：

式中，t k是搜索步長，?L是梯度下降方向。

當系統采用T2T通信模式時，原約束問題可表示為式（8）。顯然，該問題是一個混合整數非線性規劃（mixed-integer nonlinear programming，MINLP）問題。由于問題（8）的約束條件c1是離散約束，該優化問題不是凸優化問題。為了解決這個問題，需將變量xi,j放寬成連續變量，此時，約束條件c1和c2可以替換為：

經過變量替換，優化問題（8）的可行域已經轉化為凸集，原優化問題變為凸優化問題，此時，該優化問題拉格朗日函數可以表示為：

在T2G通信用戶滿足最小SINR要求前提下，T2T通信用戶復用T2G通信用戶信道資源，此時，T2G通信用戶的功率可以表示為：

將T2G通信的最佳發射功率引入優化問題（8）中，原優化問題可表示為：

根據KKT條件，信道復用因子可以表示為：

3 實驗仿真對比分析

本文提供了一些仿真結果以討論通信模式選擇和功率分配算法的系統性能。根據軌道交通列車的實際運行情況，結合文獻[24-25]，在軌道交通T2T通信場景中采用Winner II路徑損耗模型。為了簡化模型，本文只考慮T2G通信用戶的信道資源被T2T通信用戶復用一次的情況。此外，每輛列車都可以同時使用T2G通信模式和T2T通信模式。表2列出了主要的仿真參數。

表2 主要仿真參數Table 2 Main simulation parameters

模式選擇算法根據列車數量的不同使列車自適應選擇通信模式，選擇結果如圖3所示。在T2G通信模式下，隨著列車數量的增加，系統的總信道容量也在增加。T2T通信模式的列車與T2G通信模式的列車間距越來越大，這將導致兩種通信模式的列車之間的干擾逐漸變小，從而總信道容量也將增加。從圖3中可以看出，當小區中列車數量較少時，由于T2G通信模式的列車對T2T通信模式的列車造成較強的干擾，導致T2T通信模式的列車總信道容量小于T2G通信模式的列車總信道容量。當小區中列車數量適中時，T2T通信模式的列車總信道容量將大于T2G通信模式。當列車數量增加到9輛時，小區中列車密度非常大，T2T通信模式的列車受到的干擾也快速增加，此時，T2G通信模式的列車總信道容量達到最大，并且高于在T2T通信模式下的總信道容量。

圖3 模式選擇Fig.3 Mode selection

如圖4和圖5所示，描述了通過資源分配算法對優化問題（6）和優化問題（7）進行求解，得到最優信道容量。由仿真結果可以直觀看出，與文獻[21]中的方案相比，在提升列車信道容量方面，本文提出的算法獲得的結果優于該方案且十分接近最大信道容量。

圖4 T2G通信模式中最優功率下的信道容量Fig.4 Channel capacity under optimal power in T2G communication mode

圖5 T2T通信模式中最優功率下的信道容量Fig.5 Channel capacity under optimal power in T2T communication mode

如圖6所示，直觀展示了在T2G通信列車帶來的相同干擾下，T2T通信列車處在相同位置時，隨著間距的不斷變化，系統的總信道容量的變化。隨著T2T通信列車的間距越來越小，系統的總信道容量越來越大。

圖6 不同T2T通信列車距離下的信道容量Fig.6 Channel capacity under different T2T communication train distances

系統總信道容量隨著T2T和T2G通信列車之間距離變化的關系如圖7所示。在初始階段，列車從BS的邊緣運行到BS的中心。此時，當T2T通信列車重用T2G通信列車信道資源時，干擾很小，因此可以忽略T2T通信列車與T2G通信列車之間由于距離不同對系統總信道容量大小造成的影響。隨著列車與BS之間的距離越來越近，T2G通信列車對T2T通信列車的干擾越來越嚴重。當T2T通信列車與T2G通信列車之間的距離不斷變小時，系統的總信道容量在逐漸變大。這是因為即使隨著T2G通信列車與T2T通信列車之間的距離變小導致列車間的干擾變大，T2T通信技術產生的信道增益依然能夠對列車總信道容量的提升有著很大的幫助。

圖7 不同距離下的信道容量Fig.7 Channel capacity with different distances

4 結束語

本文研究了T2T與T2G通信并存的列車通信模式選擇與資源分配問題。根據兩種通信模式的QoS要求，設計了符合軌道交通列車通信要求的資源分配方案。本文提出的算法保證了T2G通信的QoS并最大化了T2T系統的吞吐量。理論分析和仿真結果表明，本文方案可以合理地選擇列車通信模式并有效提高T2T通信系統的信道容量，能夠在T2T通信的資源分配中發揮重要作用。