本發(fā)明屬于無(wú)線通訊技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于半雙工通信的安全告警信息中繼方法的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

安全告警信息是車聯(lián)網(wǎng)中一種具有突發(fā)性的安全相關(guān)信息，用于車輛在發(fā)生或者發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)能對(duì)所有面臨潛在危險(xiǎn)的車輛提前預(yù)警，安全告警信息的及時(shí)可靠傳輸是車聯(lián)網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之一。

v2v通信是物理位置鄰近的車輛間的直接通信，物理位置鄰近保證了較高的信息傳輸可靠性，直接通信保證了較低的傳輸時(shí)延。

2010年前后，ieee發(fā)布了應(yīng)用于車載專用短程通信中的車聯(lián)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ieee802.11p。該標(biāo)準(zhǔn)具有技術(shù)成熟、自組織模式支持v2v通信的優(yōu)勢(shì)，但是，由于802.11p在mac層上采用了csma/ca機(jī)制，隨著感知區(qū)域內(nèi)車輛密度增加，丟包率會(huì)顯著提高，在一些嚴(yán)重?fù)矶聟^(qū)域，數(shù)據(jù)包傳遞的時(shí)延和可靠性都不能保證。

lte-v技術(shù)是現(xiàn)有l(wèi)te-d2d基礎(chǔ)之上，針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和修改，并實(shí)現(xiàn)人、車、路、云之間互聯(lián)和信息傳輸?shù)能嚶?lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)。在蜂窩覆蓋范圍內(nèi)，車聯(lián)網(wǎng)通信采用集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由基站完成車輛的無(wú)線信道接入與無(wú)線信道分配，車輛間采用直連技術(shù)進(jìn)行通信。密集場(chǎng)景中，集中式的調(diào)度方式提高了信道接入的概率，同時(shí)降低了通信節(jié)點(diǎn)間發(fā)生無(wú)線資源沖突的概率。

lte在媒體接入控制層(mac)層采用了多載波技術(shù)，該技術(shù)允許多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻同一帶寬上互不干擾(正交)的傳輸信息。信息被封裝在幀內(nèi)進(jìn)行傳輸，每個(gè)幀包含了多個(gè)資源塊(rb,resourceblock)。對(duì)于每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，當(dāng)它作為接收端時(shí)，它會(huì)接收帶寬上的整個(gè)信號(hào)，并將信號(hào)逐幀地解碼，然后解析每個(gè)rb中的內(nèi)容。通常情況下，由于自干擾的存在，通信節(jié)點(diǎn)只能進(jìn)行信號(hào)的接收或者發(fā)送。這意味著無(wú)線資源只能以半雙工的形式被使用。對(duì)于信息廣播，半雙工的使用無(wú)線資源意味著，當(dāng)一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，在整個(gè)幀的發(fā)送期間，所有在該節(jié)點(diǎn)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的其他通信節(jié)點(diǎn)必須處于接收狀態(tài)。這意味著，要么通信節(jié)點(diǎn)以極低的頻率發(fā)送廣播，要么同時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)的這些通信節(jié)點(diǎn)將丟失彼此的廣播信息。對(duì)于車輛密集場(chǎng)景，系統(tǒng)中存在著大量的安全告警信息的廣播需求，廣播不可避免的需要在同一時(shí)刻不同子載波上進(jìn)行發(fā)送。由于無(wú)線資源只能被半雙工的使用，當(dāng)處于同一信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，這些通信節(jié)點(diǎn)將收不到彼此的廣播消息，它們互為通信盲點(diǎn)，這將造成很大的安全隱患。

目前，針對(duì)lte-v中半雙工廣播問(wèn)題的研究主要有以下兩種：

(1)基于全雙工天線(參考文獻(xiàn)：bazzia,masinibm,zanellaa.performanceanalysisofv2vbeaconingusinglteindirectmodewithfullduplexradios[j].ieeewirelesscommunicationletters,2015,4(6):685-688.)：該文提出使用全雙工天線解決lte-v場(chǎng)景中的半雙工廣播問(wèn)題，全雙工天線技術(shù)通過(guò)削弱自干擾，將允許通信節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于發(fā)送與接收狀態(tài)。這意味著，在lte-v場(chǎng)景中，車輛節(jié)點(diǎn)可以在發(fā)送廣播幀的同時(shí)解碼相同的廣播幀，進(jìn)而獲取周圍通信節(jié)點(diǎn)的廣播信息。然而全雙工天線技術(shù)目前尚未成熟到可以投入商用。

(2)基于簇的中繼模式(參考文獻(xiàn)：qianchen,fanwu,supengleng,siboqi,kezhang.degreeoflinkdependence-basedlte-v2vclusteringandalarminformationforwarding[c].internationalconferenceoncommunicationinchina(iccc),2016.ieee,2016:1-6.)：該文提出在基于lte-v通信場(chǎng)景中，用簇頭作為中繼節(jié)點(diǎn)解決lte-v場(chǎng)景中的半雙工廣播問(wèn)題。雖然該文中消息傳輸?shù)目煽啃韵鄬?duì)沒(méi)有中繼的模式有了較大提升，但是，這種基于簇頭節(jié)點(diǎn)的中繼方式僅能覆蓋簇內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，無(wú)法覆蓋與廣播安全告警車輛相關(guān)的所有鄰近車輛，此外，基于簇的中繼模式中，無(wú)線信道資源的空間復(fù)用效率并不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中基于半雙工通信的lte-v場(chǎng)景中半雙工的使用無(wú)線信道資源時(shí)導(dǎo)致的同時(shí)發(fā)送安全告警信息的車輛通信節(jié)點(diǎn)丟失彼此廣播消息的問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題提出了一種基于半雙工通信的安全告警信息中繼方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于半雙工通信的安全告警信息中繼方法，包括以下步驟：

s1、當(dāng)有安全相關(guān)事件發(fā)生時(shí)，車輛產(chǎn)生安全告警信息廣播需求，向基站發(fā)起無(wú)線信道接入請(qǐng)求；

s2、基站接收到無(wú)線信道接入請(qǐng)求后，為相關(guān)車輛進(jìn)行無(wú)線資源調(diào)度，同時(shí)基站根據(jù)無(wú)線信道資源占用情況、車輛的位置及運(yùn)行狀態(tài)信息選擇合適的空閑車輛節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，并將無(wú)線資源調(diào)度結(jié)果與中繼節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)果廣播給基站覆蓋范圍內(nèi)的車輛；

s3、廣播車輛根據(jù)接收到的無(wú)線資源調(diào)度結(jié)果，發(fā)送安全告警信息，同時(shí)被選為中繼節(jié)點(diǎn)的空閑車輛，監(jiān)聽(tīng)無(wú)線信道，并存儲(chǔ)相關(guān)的廣播信息；

s4、中繼節(jié)點(diǎn)以合適的發(fā)送功率轉(zhuǎn)發(fā)接收到的安全告警信息。

進(jìn)一步地，步驟s1中的安全相關(guān)事件產(chǎn)生的準(zhǔn)則為：安全事件的到來(lái)會(huì)導(dǎo)致與該安全事件相關(guān)的車輛產(chǎn)生安全告警廣播需求，且相關(guān)車輛數(shù)目與場(chǎng)景中車輛密度與安全事件類型相關(guān)。

進(jìn)一步地，步驟s2中進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)選擇的具體過(guò)程為：將基站信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)需要中繼覆蓋的區(qū)域劃分為小路段，遍歷小路段中的所有空閑車輛選擇中繼節(jié)點(diǎn)，選擇具有最大權(quán)值的中繼節(jié)點(diǎn)組合。

進(jìn)一步地，步驟s2具體包括以下分步驟：

s21、基站根據(jù)無(wú)線資源的占用情況，以及廣播車輛的位置信息判斷是否進(jìn)行中繼；

s22、當(dāng)需要進(jìn)行中繼時(shí)，基站將需要中繼覆蓋的區(qū)域劃分為長(zhǎng)度為rw的路段，將每個(gè)長(zhǎng)度為rw的路段劃分為長(zhǎng)度為lw的小路段，其中，rw為安全告警信息的覆蓋范圍；

s23、基站遍歷小路段中的所有空閑車輛，根據(jù)車輛位置及運(yùn)行狀態(tài)預(yù)估信道質(zhì)量，根據(jù)信道質(zhì)量選擇空閑車輛作為備選中繼節(jié)點(diǎn)，并為其賦予權(quán)值；

s24、將相對(duì)路段邊界距離相同的小路段歸為一個(gè)集合，選擇權(quán)值最大的集合為中繼節(jié)點(diǎn)集合，其中的備選中繼節(jié)點(diǎn)為實(shí)際中繼節(jié)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，步驟s21中判斷是否進(jìn)行中繼的條件為：同時(shí)廣播安全告警信息的車輛集合為aw，若滿足條件其中，di,j為車輛i與車輛j間的距離，x,y,z代表了車輛的坐標(biāo)位置。

進(jìn)一步地，步驟s23中權(quán)值計(jì)算方法為：通過(guò)預(yù)估信道質(zhì)量計(jì)算成功解析報(bào)文的概率，選擇最大概率值作為該中繼節(jié)點(diǎn)的權(quán)值；即基站通過(guò)車輛的位置及運(yùn)行狀態(tài)信息預(yù)估收發(fā)車輛間無(wú)線信道的衰落模型，計(jì)算出收發(fā)車輛間信號(hào)的信干噪比，進(jìn)而獲得不同空閑車輛作為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)廣播車輛成功解析沖突廣播報(bào)文的概率，并選擇最大成功概率對(duì)應(yīng)的空閑車輛作為備選中繼節(jié)點(diǎn)，最大成功概率即為備選中繼節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，當(dāng)沒(méi)有備選中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，該小路段的權(quán)值為0。

進(jìn)一步地，步驟s24中最大權(quán)值集合的計(jì)算方法為：當(dāng)集合中不存在為0的權(quán)值時(shí)，集合有效，否則無(wú)效；從有效集合中，選擇權(quán)值和最大的集合作為最終的中繼節(jié)點(diǎn)集合，集合中的元素為中繼節(jié)點(diǎn)；當(dāng)集合全部無(wú)效時(shí)，則擴(kuò)大小路段長(zhǎng)度后，重新計(jì)算直到存在有效集合為止。

進(jìn)一步地，步驟s3中廣播車輛使用相同的發(fā)送功率發(fā)送安全告警信息。

進(jìn)一步地，步驟s4中中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)安全告警信息的具體過(guò)程為：中繼節(jié)點(diǎn)使用接收安全告警信息時(shí)對(duì)應(yīng)的rb轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)使用的發(fā)送功率為接收安全告警信息時(shí)的接收功率，對(duì)于這種中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作功率控制轉(zhuǎn)發(fā)安全告警信息的機(jī)制，當(dāng)相鄰中繼節(jié)點(diǎn)間距離di,j滿足|di,j-rw|＜ε時(shí)，其中，ε為預(yù)先設(shè)定的閾值，中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)安全告警信息的覆蓋范圍與廣播車輛發(fā)送安全告警信息時(shí)的信號(hào)覆蓋范圍相同。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的中繼方法采用功率控制和通信節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)為安全告警信息的傳輸提供中繼，使得廣播車輛半雙工的使用無(wú)線資源的情況下同時(shí)發(fā)送安全告警信息時(shí)，通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息彌補(bǔ)半雙工廣播問(wèn)題帶來(lái)的廣播丟失問(wèn)題，提高了安全告警信息的傳輸可靠性，保障了半雙工廣播問(wèn)題發(fā)生時(shí)廣播車輛依然可以接收到周圍廣播車輛的安全告警信息。由于基站有全局的無(wú)線資源占用情況以及全局車輛的位置及運(yùn)行狀態(tài)信息，可以準(zhǔn)確判定是否場(chǎng)景是否出現(xiàn)半雙工廣播問(wèn)題；此外，通過(guò)基站進(jìn)行集中式的中繼節(jié)點(diǎn)選擇調(diào)度可以保證中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法的魯棒性，同時(shí)基于最大權(quán)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法在信道質(zhì)量局部最優(yōu)的基礎(chǔ)上，選出整體最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)組合，有效解決了半雙工廣播問(wèn)題，減少無(wú)線資源沖突，進(jìn)而保證了安全告警信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的場(chǎng)景示意圖。

圖2為本發(fā)明提供的基于半雙工通信的安全告警信息中繼方法流程圖。

圖3為本發(fā)明步驟s2的分布流程圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)同功率控制示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明應(yīng)用的車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景為：密集的高速公路場(chǎng)景，單向三車道，基站沿公路部署。根據(jù)現(xiàn)有天線技術(shù)，車輛配置半雙工天線。在某一時(shí)間段，場(chǎng)景中存在著大量發(fā)送安全告警信息的需求。由于無(wú)線信道資源有限，大量的廣播需求導(dǎo)致，廣播車輛無(wú)法在時(shí)域上彼此正交，也就意味著，多個(gè)廣播車輛在同一時(shí)刻發(fā)送安全告警信息，進(jìn)而出現(xiàn)半雙工廣播問(wèn)題。所有移動(dòng)車輛分為三個(gè)集合：m1,m2,m3，其中，m1代表了需要發(fā)送安全告警信息的車輛集合；m2代表了處于空閑狀態(tài)的車輛集合；m3代表了其他狀態(tài)的車輛集合，如圖1所示。由場(chǎng)景中的一些空閑節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)廣播車輛的安全告警信息。

基于上述場(chǎng)景，本發(fā)明提供了一種基于半雙工通信的安全告警信息中繼方法，如圖2所示，包括以下步驟：

s1、當(dāng)有安全相關(guān)事件發(fā)生時(shí)，相關(guān)車輛產(chǎn)生安全告警信息廣播需求，并向基站發(fā)起無(wú)線信道接入請(qǐng)求。

安全告警信息產(chǎn)生的準(zhǔn)則為：安全事件的到來(lái)會(huì)導(dǎo)致相關(guān)車輛產(chǎn)生安全告警廣播需求，且相關(guān)車輛數(shù)目與場(chǎng)景中車輛密度與安全事件類型相關(guān)，安全告警信息的覆蓋范圍為rw。設(shè)定，安全事件到來(lái)服從均值為λw的泊松分布，安全事件所引發(fā)的安全告警信息的數(shù)目為一個(gè)沖激函數(shù)，安全告警信息的覆蓋范圍為rw。

s2、基站根據(jù)接收到的無(wú)線信道接入請(qǐng)求，為相關(guān)車輛進(jìn)行無(wú)線資源調(diào)度，同時(shí)，基站根據(jù)無(wú)線信道資源占用情況、車輛的位置及運(yùn)行狀態(tài)信息選擇合適的空閑車輛節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，并將無(wú)線資源調(diào)度結(jié)果與中繼節(jié)點(diǎn)選擇結(jié)果廣播給基站覆蓋范圍內(nèi)的車輛；

對(duì)于步驟s2中中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法，如圖3所示，具體過(guò)程為：

s21、基站根據(jù)無(wú)線資源的占用情況，以及廣播車輛的位置信息判斷是否進(jìn)行中繼,判斷是否進(jìn)行中繼的條件為：同時(shí)廣播安全告警信息的車輛集合為aw，若滿足條件其中，di,j為車輛i與車輛j間的距離，x,y,z代表了車輛的坐標(biāo)位置。

s22、當(dāng)需要進(jìn)行中繼時(shí)，基站將需要中繼覆蓋的區(qū)域劃分為長(zhǎng)度為rw的路段，將每個(gè)長(zhǎng)度為rw的路段劃分為長(zhǎng)度為lw的小路段；

s23、基站遍歷小路段中的所有空閑車輛，根據(jù)車輛位置及運(yùn)行狀態(tài)預(yù)估信道質(zhì)量，根據(jù)信道質(zhì)量選擇空閑車輛作為備選中繼節(jié)點(diǎn)，并為其賦予權(quán)值；

通過(guò)預(yù)估信道質(zhì)量計(jì)算成功解析報(bào)文的概率，在中繼模式下接收廣播的車輛m，其成功解析車輛i發(fā)送(車輛k為中繼節(jié)點(diǎn))的廣播報(bào)文的概率具體為：

其中，pt表示車輛發(fā)送安全告警信息的功率，每輛車默認(rèn)的發(fā)送功率相同；p't表示中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)安全告警信息的功率；gi表示發(fā)送車輛i與接收車輛m之間的信道增益；gj表示干擾車輛j與接收車輛m之間的信道增益；n表示噪聲功率；ai表示一定范圍內(nèi)，與發(fā)送車輛i使用相同無(wú)線資源的車輛集合；α表示接收車輛k自干擾的干擾系數(shù)；rthreshold表示車輛可以成功解析安全告警信息的最小信干噪比；prob{}表示滿足{}內(nèi)條件時(shí)對(duì)應(yīng)的概率大小。

選擇使得所有廣播車輛具有最大解析報(bào)文成功概率的空閑節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，該概率值作為該中繼節(jié)點(diǎn)的權(quán)值?；就ㄟ^(guò)車輛的位置及運(yùn)行狀態(tài)信息預(yù)估收發(fā)車輛間無(wú)線信道的衰落模型，計(jì)算出收發(fā)車輛間信號(hào)的信干噪比，進(jìn)而獲得不同空閑車輛作為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)廣播車輛成功解析沖突廣播報(bào)文的概率，并選擇最大成功概率對(duì)應(yīng)的空閑車輛作為備選中繼節(jié)點(diǎn)，最大成功概率即為備選中繼節(jié)點(diǎn)的權(quán)值。當(dāng)沒(méi)有備選中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，該小路段的權(quán)值為0。

s24、將相對(duì)路段邊界距離相同的小路段歸為一個(gè)集合，當(dāng)集合中不存在為0的權(quán)值時(shí)，集合有效，否則無(wú)效。從有效集合中，選擇集合元素和最大的集合作為最終的中繼節(jié)點(diǎn)集合，集合中的元素為中繼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)集合全部無(wú)效時(shí)，則擴(kuò)大小路段長(zhǎng)度后，重新計(jì)算直到存在有效集合為止。

s3、廣播車輛根據(jù)接收到的無(wú)線資源調(diào)度結(jié)果，發(fā)送安全告警信息，同時(shí)，被選為中繼節(jié)點(diǎn)的空閑車輛，監(jiān)聽(tīng)無(wú)線信道，并存儲(chǔ)相關(guān)的廣播信息；廣播車輛使用相同的發(fā)送功率發(fā)送安全告警信息，安全告警信息的信號(hào)覆蓋范圍為rw，基站的集中式無(wú)線資源調(diào)度機(jī)制保證廣播車輛間無(wú)線資源沖突可以忽略。

s4、中繼節(jié)點(diǎn)以合適的發(fā)送功率轉(zhuǎn)發(fā)接收到的安全告警信息。中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息的算法為：中繼節(jié)點(diǎn)使用接收安全告警信息時(shí)對(duì)應(yīng)的rb轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)使用的發(fā)送功率為接收安全告警信息時(shí)的接收功率。對(duì)于這種中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作功率控制轉(zhuǎn)發(fā)安全告警信息的機(jī)制，當(dāng)相鄰中繼節(jié)點(diǎn)間距離di,j滿足|di,j-rw|＜ε時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)安全告警信息的覆蓋范圍與廣播車輛發(fā)送安全告警信息時(shí)的信號(hào)覆蓋范圍相同，進(jìn)而避免了中繼節(jié)點(diǎn)間發(fā)生無(wú)線資源沖突，如圖4所示，其中，v1-a為廣播車輛，v2、v3為中繼節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)上述實(shí)施例可以看出，本發(fā)明采用的中繼節(jié)點(diǎn)功率協(xié)同控制算法，通過(guò)限制相鄰中繼節(jié)點(diǎn)間距離以及中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息的發(fā)送功率，使得中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息的覆蓋范圍與廣播車輛的信號(hào)覆蓋范圍相同，進(jìn)而避免了中繼節(jié)點(diǎn)間發(fā)生無(wú)線資源沖突的概率，有效提高了安全告警信息傳輸?shù)目煽啃?，并解決半雙工廣播問(wèn)題。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。