一種在車聯(lián)網(wǎng)中利用電視頻段空白頻譜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種在有車聯(lián)網(wǎng)基站支持的車聯(lián)網(wǎng)中利用 電視頻段空白頻譜資源進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 車聯(lián)網(wǎng)是一種在近年來新興的無線網(wǎng)絡(luò)模式。顧名思義，其目的在于為配備了無 線傳輸模塊的汽車提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)。一般而言，車聯(lián)網(wǎng)可以分為有車聯(lián)網(wǎng)基站支持和無 車聯(lián)網(wǎng)基站支持這兩種類型。前者可以通過車聯(lián)網(wǎng)基站與車之間的通信為汽車用戶提供高 速的因特網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（例如：文件下載，視頻流等），這里的車聯(lián)網(wǎng)基站的功能與蜂窩網(wǎng)中 的基站或者無線局域網(wǎng)中的接入點(diǎn)的功能類似，即作為網(wǎng)關(guān)，一面通過有線網(wǎng)絡(luò)連接到互 聯(lián)網(wǎng)，另一面通過無線網(wǎng)絡(luò)連接終端用戶。后者可以以自組織網(wǎng)絡(luò)的形式實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻任 意位置的車與車之間的通信，但由于不具備與因特網(wǎng)相連的能力，因此一般用于一些與行 車安全應(yīng)用相關(guān)的本地信息的擴(kuò)散（例如：車禍，交通擁塞等）。
[0003] 當(dāng)前，已經(jīng)存在幾種潛在的實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)通信的方式。一是通過蜂窩網(wǎng)，尤其是4G 網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)車的接入。然而，這種方式會(huì)使得本來就很擁擠的蜂窩網(wǎng)的使用體驗(yàn)進(jìn)一步 惡化。二是通過現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)，即WiFi相關(guān)技術(shù)。然而，車聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是用 戶（車）的移動(dòng)速度很快，當(dāng)采用WiFi的用戶驗(yàn)證、連接和媒體介入控制協(xié)議時(shí)，會(huì)造成大 量的寶貴的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的浪費(fèi)，使得網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量下降。另外，WiFi工作的頻段位于 2. 4GHz和5GHz，其高頻率會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小，其公共特性更會(huì)導(dǎo)致比蜂窩網(wǎng)更嚴(yán)重的 擁堵情況。三是通過車聯(lián)網(wǎng)專屬的頻段。在美國，聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC為車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)劃分了 75MHz的專用頻段，又稱專用短距離通信頻段。但是，該頻段位于5. 9GHz處，因此依然存在 覆蓋范圍小的問題。況且，其每個(gè)頻道帶寬僅為10MHz，因此更適合用來作為控制信道和一 些與安全相關(guān)的短小信息的傳輸，而不適合用于大容量互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。綜上所述， 車聯(lián)網(wǎng)作為未來互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的一個(gè)新的增長點(diǎn)，需要具備更大的網(wǎng)絡(luò)容量與更強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳 輸能力。
[0004] 電視頻段空白頻譜指的是在現(xiàn)存的地面數(shù)字電視廣播所使用的頻段中存在的頻 譜空洞，即在某些位置和某些時(shí)間，一些頻率并沒有被使用。隨著認(rèn)知無線電和動(dòng)態(tài)頻譜接 入技術(shù)的發(fā)展，無論是科研機(jī)構(gòu)還是政府機(jī)關(guān)都越來越重視這部分珍貴的頻譜資源的重復(fù) 利用。經(jīng)測量表明，空白頻譜一般有幾十到上百M(fèi)Hz的帶寬，并且其位于幾十到幾百M(fèi)Hz的 甚高頻和特高頻頻段，具有優(yōu)秀的覆蓋和穿透能力。一般而言，通過次級接入的方式，能夠 實(shí)現(xiàn)在不干擾首要用戶（即數(shù)字電視用戶）的情況下的空白頻譜再利用。在美國、英國等 發(fā)達(dá)國家，政府已經(jīng)開放了電視頻段空白頻譜的次級接入權(quán)，而我國也將于未來幾年之內(nèi) 出臺同樣的政策。
[0005] 雖然電視頻段空白頻譜可以用于任何無線業(yè)務(wù)的傳輸，但是將這部分頻率資源用 于車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)更加合適。由上可知，該頻段資源豐富且覆蓋范圍大，因此不具有上述潛在實(shí) 現(xiàn)方式的缺點(diǎn)。但是，電視頻段空白頻譜資源的空時(shí)變化特性在車的高速移動(dòng)場景下會(huì)被 放大，因此為網(wǎng)絡(luò)的資源分配帶來挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的資源分配方法中，資源都是靜態(tài)不變的， 而在一般的動(dòng)態(tài)頻譜接入場景中，用戶的移動(dòng)性一般不大，即只考慮資源的時(shí)變特性，因 此，車聯(lián)網(wǎng)中需要新的資源分配方法。在論文"InterplayBetweenTVWSandDSRC:Optimal StrategyforSafetyMessageDisseminationinVANET" 中，作者提出用電視頻段空白 頻譜來補(bǔ)足專有頻段，從而保證安全相關(guān)的信息擴(kuò)散。然而，作者只考慮了較小的信息的 傳輸，并且主要通過車與車之間的通信而非有車聯(lián)網(wǎng)基站的通信。在論文"Modelingand analysisofdsa-basedvehicle-to-infrastructurecommunicationsystems'，中，作者利 用排隊(duì)論來對車的機(jī)會(huì)式接入建模，然而其結(jié)果主要是從延時(shí)角度考慮，并沒有針對網(wǎng)絡(luò) 吞吐量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 本發(fā)明針對在車聯(lián)網(wǎng)場景中如何高效的利用電視頻段空白頻譜這個(gè)問題，提供了 一種以網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化為目標(biāo)的資源分配方法。該方法考慮了資源的空時(shí)變化特性與車 的高速移動(dòng)特性，通過頻譜地理數(shù)據(jù)庫的方法表征資源，然后按照一定的時(shí)間間隔將空白 頻譜資源分配給其能夠服務(wù)的車，并盡可能滿足網(wǎng)絡(luò)總吞吐量最大的目標(biāo)。
[0007] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明提供了一種在高速公路場景下（即線性拓?fù)洌?，通過類似基站的車聯(lián)網(wǎng)基 站，利用電視頻段空白頻譜為車提供互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的頻譜資源分配方法，包括兩個(gè) 部分：基于頻譜地理數(shù)據(jù)庫的資源建模以及吞吐量最大化的資源分配。前者將資源的變化 特性具體表征出來，并以空-頻資源塊的形式呈現(xiàn)出來，保證了資源分配的可行性。后者通 過在時(shí)域和頻域的劃分，按固定的時(shí)間周期將子頻道分給在其可用范圍內(nèi)的車，同時(shí)保證 網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化的目標(biāo)。具體包括如下步驟：
[0009] 第一步，基于頻譜地理數(shù)據(jù)庫的資源建模，具體如下：
[0010] 11)車聯(lián)網(wǎng)基站獲取其覆蓋范圍內(nèi)的空白頻道信息；
[0011] 12)計(jì)算空白頻道信息的可用范圍：
[0012] 13)計(jì)算車所處位置能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，單位為bit，公式如下：
[0014] 其中V表示車的速度，AX和AW定表示資源塊在距離和頻率上的尺寸，Pt表示發(fā) 射功率，口[^表不噪聲功率，P表不電磁波的傳播損耗；
[0015] 第二步，進(jìn)行吞吐量最大化的資源分配，具體如下：
[0016] 24)建立車與空白頻道的二分圖G(F，V，E)，其中，F(xiàn)表示所有空白頻道的集合，V 表示所有車的集合，E表示二分圖的邊的集合，每條邊表示某個(gè)車在某個(gè)空白頻道的可用范 圍之內(nèi)；
[0017] 25)計(jì)算每條邊的收益u，即某條邊的收益表示為其對應(yīng)的車使用對應(yīng)的頻道能 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；
[0018] 26)根據(jù)G(F，V，E)得出最終的頻率資源分配結(jié)果G' (F'，V'，E')，其中 F'，V'，E'分別為F，V，E的子集，F(xiàn)'表示實(shí)際分配結(jié)果中被分配的頻道，V'表示實(shí)際 分配結(jié)果中獲得資源的車，E'中的每條邊表示將對應(yīng)的頻道中的某些子頻道分配給對應(yīng)的 車。
[0019] 所述的步驟23)具體包括以下步驟：
[0020] ⑴將所有頻道按照可用范圍由小到大的順序排列。
[0021] (ii)將所有車按照收益由大到小的順序排列，即在二分圖G中從所有與其鄰接的 邊的收益u中選出最大的，作為該車的收益，然后將所有車按照收益由大到小的順序排列；
[0022] (iii)進(jìn)行頻道和子頻率的分配：
[0023] 首先，從排序后的車集合中按順序每次選擇一輛車；
[0024] 然后，從排序后的頻道集合中按順序檢查每個(gè)頻道：如果該頻道能被該車使用且 該頻道的子頻率沒被分配完，則將該車需要的子頻率分配給它；如果該車需要的子頻率多 于當(dāng)前頻道剩余的子頻率個(gè)數(shù)，則先把當(dāng)前頻道的所有剩余子頻率分配給該車，然后根據(jù) 該車剩余未滿足的需求，檢查頻道集合中的下一個(gè)頻道，并按照之前的流程為該車分配子 頻率；反之，如果該頻道的子頻率能夠滿足該車，則開始進(jìn)行下一輛車的分配；
[0025] 當(dāng)所有車都完成上述分配過程之后，分配終止。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于以下幾點(diǎn)：
[0027] 1.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在車聯(lián)網(wǎng)中高效利用電視頻段空白頻譜資源，并不會(huì)對首要的電 視用戶產(chǎn)生干擾。通過基于頻譜地理數(shù)據(jù)庫的資源建模，形成了以空-頻資源塊為基本單 位的資源劃分，使得網(wǎng)絡(luò)資源分配更加容易并且能夠克服資源的空時(shí)變化特性，因而具備 可行性。
[0028] 2.本發(fā)明考慮了不同位置的車具有不同傳輸速率的特性，其中的資源分配結(jié)果可 以近似達(dá)到網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化，并通過低復(fù)雜度的啟發(fā)式算法實(shí)現(xiàn)分配過程，具有較強(qiáng)的 實(shí)用性。
[0029] 3.根據(jù)本發(fā)明的資源分配方法得出的結(jié)果具備中長期的吞吐量公平性，保證了車 聯(lián)網(wǎng)基站覆蓋范圍之內(nèi)的車都會(huì)獲得相近的傳輸數(shù)據(jù)量。
【附圖說明】：
[0030] 圖1.基于頻譜地理數(shù)據(jù)庫的資源建模示意圖，其中，圖la，為空白頻道可用范圍； 圖Ib為空-頻資源塊的劃分。
[0031] 圖2.空白頻道資源分配示意圖。
[0032] 圖3?資源分配流程圖。
[0033] 圖4?實(shí)施例分配結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】：
[0034] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。
[0035] 第一步，基于頻譜地理數(shù)據(jù)庫的資源建模，具體如下：
[0036] 資源分配以分配周期為最小單位來進(jìn)行。在每個(gè)資源分配周期前，車聯(lián)網(wǎng)基站與 頻譜地理數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器進(jìn)行通信，以獲取在其覆蓋范圍內(nèi)的空白頻道信息。頻譜地理數(shù) 據(jù)庫存儲了在每個(gè)地理位置的可用空白電視頻道信息，當(dāng)前有很多公司都已建立該數(shù)據(jù) 庫，例如：谷歌，微軟等。
[0037] 獲得信息之后