基于可变距离的车联网D2D通信连接选择

邱永芳，邱恭安，周永筝



基于可变距离的车联网D2D通信连接选择

邱永芳，邱恭安，周永筝

（南通大学电子信息学院，江苏南通 226019）

车联网是移动互联网的延伸，其中基站协作的D2D通信适用于车间交通消息的短距离无线传播。针对车辆快速移动导致的通信链路动态性，提出了一种基于可变距离的D2D连接选择方法。通过选择行车道及车间距离参数，估计D2D连接对的信道质量，推导了D2D连接选择的优先指数，并基于该优先指数建立D2D通信链路进行交通消息传播。仿真结果显示，所提方法在D2D连接的生存时间、传输效率方面得到提高，同时降低了D2D通信的中断概率，提升了车辆间通信可靠性。

D2D通信；连接选择；链路生存时间；车联网

1 引言

在蜂窝通信系统的控制下，D2D通信允许终端用户通过共享小区资源在一定范围内进行直接通信，是5G的关键技术之一[1-3]。当交通事件发生时，交通状态消息会在短时间和短距离范围内重复广播，容易造成有限链路拥塞。D2D通信作为一种可靠的短距离通信技术，能有效缓解核心网络的负载，实现数据分流，适用于车联网中短距离交通消息传播[4]。目前，车联网采用专用短距离通信（dedicated short range communication，DSRC）技术来实现车间及车路通信。但RSU/OBU（road side unit / on broad unit）通信距离短，容易导致交通消息网络的可扩展性问题，需要改进交通消息传输网络以提高交通消息传输的可靠性和实时性。因此，基于车辆的强移动性探索D2D连接对选择方法，以建立生存时间长、可靠性强的链路，能够降低D2D通信中断概率，提高交通消息传播性能。

一旦D2D通信链路建立起来，其通信所需的数据流量将不再经过基站和核心网，从而减少通信时延、减轻基站压力、缓解核心网负载，大大提升频谱利用率和吞吐量[5]。参考文献[6]指出当潜在D2D连接对确定后，所有可行链路的传输顺序将影响系统性能。参考文献[7]提出了一种分布式链路选择算法，但在高速行驶的车道中，链路状态动态变化，所获取的信道状态信息容易过时，从而导致不能获得最优链路选择。参考文献[8]提出的最短路径选择策略虽然满足了交通消息的时延敏感要求，但不适用于交通紧急预警消息的传播。参考文献[9]针对节点移动速度、道路宽度对链路生存时间的影响，建立链路动态分析模型，推导出链路生存时间的表达式。参考文献[10]提出的链路生存时间预测方法，研究了平均链路生存时间的性能，但其计算复杂度高，不适用于拓扑结构动态变化的车联网。参考文献[11]通过所获取的节点实时位置、移动速度以及方向参数，预测节点的下一个位置，延长与目的节点的链路生存时间，但实时更新位置信息会增加通信开销，导致系统性能降低。

针对车辆快速移动导致的通信链路动态性问题，提出了一种基于可变距离的车间通信链路选择方法，通过建立连接优先指数来选择D2D连接对，以提高直通通信连接的生存时间，改善交通消息传输性能。

2 系统模型

当交通事件发生时，交通状态消息会在短时间、短距离范围内重复广播，容易造成有限链路重负载。因此，车辆在基站控制下与其通信范围内的邻居车辆建立D2D连接对，传播实时交通安全告警消息，以预警交通事故。在车联网中，假设车辆能够在蜂窝网络基站控制下实现车间D2D通信，每个车辆的通信范围均为，车辆周期性地收集其邻居车辆的交通消息，主要包括当前速度、方向、位置以及位置精确度等。车辆间D2D连接对复用蜂窝网络的上行链路频谱资源，且基站为D2D用户和蜂窝用户分配正交的频谱资源，以减少与蜂窝用户之间的同频干扰，系统模型如图1所示。设行车道1中发生车辆碰撞事故，相关车辆车载传感器检测到该事故后生成简短的交通事故告警消息，包括事故位置、时间、事故类型，如图1中的碰撞消息。该消息被上传给基站，事故车辆即源车辆向基站请求建立D2D连接对以进行交通告警消息的传播，基站根据所获得的链路信息为源车辆建立D2D连接对。设D2D通信所需的传输功率自适应控制，且远小于蜂窝通信所需的传输功率。

3 D2D连接对选择方法

设某车辆与其通信范围内同向行驶的后方车辆建立D2D连接对，以进行交通预警消息传播，设车辆为消息发送者，车辆为任意邻居车辆，则两车辆间的欧式距离为：

={同一车道，相邻车道} （2）

为保证消息成功传输，源车辆会选择信道状态好的邻居车辆进行通信。若源车辆与其邻居车辆间存在视距，其信道状态一般比较好。当有紧急预警消息产生时，源车辆会优先发送给同车道后方车辆以防止连环碰撞发生。因此，对于邻居车辆来说，其与源车辆的距离以及所在的车道不同，被选择通信的可能性也会不同，则各邻居车辆被选择连接的优先指数可表示为：

其中，表示源车辆与邻居车辆间的欧式距离，s和R分别表示源车辆和邻居车辆所在的车道，表示总车道数，表示车辆的通信范围。优先指数越小，车辆的优先级就越高，被源车辆选择通信的可能性就越大。当两车辆的优先指数相同时，会优先选择与源车辆处于相同车道的车辆进行通信。基于优先指数的D2D连接对选择流程如图3所示。

图3 基于优先指数的D2D连接对选择流程

第一步，车辆在行驶过程中，会周期性地获取周围邻居车辆的交通信息，当其有紧急预警消息要发送时，会向基站请求与周围的邻居车辆建立D2D连接对，进行短距离交通消息传播；第二步，计算车辆与各邻居车辆的距离以及各邻居车辆接入车辆的优先指数；第三步，比较各邻居车辆接入的优先指数大小，选出最小优先指数所对应的邻居车辆，车辆会与其连接进行交通消息传播，当有两个最小优先指数时，车辆会优先选择与其处于相同车道的邻居车辆进行连接；第四步，当车辆完成本次消息的传输后，仍有消息发送时，则重复上述步骤，直到没有消息发送。

4 性能分析

（1）链路生存时间

链路生存时间定义为任意两车辆间建立的链路保持时间。设某时刻时，车辆与车辆处于连通状态[13-14]，则其链路的生存时间为，由式（1）可得，则链路生存时间可改为：

其中，表示车辆、间的欧式距离，表示进行连接的两车辆的速度，为通信范围，为车辆间的纵向宽度。当进行连接的两车辆处于同一车道时，取=0，否则取=3。链路生存时间越长，链路的稳定性就越高，成功传输的概率就越大。

（2）传输效率

（3）中断概率

链路中断概率定义为链路上的信噪比低于预设阈值的概率。假设D2D用户之间的信道为威布尔衰落信道，对于任意两车辆间的链路，接收端的信噪比为：

（7）

（9）

5 仿真与分析

选择D2D连接链路的生存时间、传输效率以及中断概率为仿真性能参数，比较不同链路选择方法的性能。设同向两车道路段长度为1 km，两车道速度随机取值为[60,120] km/h。邻居列表交换周期和相对车距更新周期为100 ms。设在相同行驶道路上车辆到达过程服从泊松分布，车辆通信范围为300 m，当两车辆处于彼此通信范围时，认为两节点是可连通的。信号发射功率为2 W，韦伯衰落为2，衰减系数为，信噪比的预设阈值为10 dB。在MATLAB 2010b软件上进行仿真，仿真参数见表1。仿真统计了不同车道中车辆间的距离与链路生存时间关系，对不同D2D连接建立方法，仿真比较了所提方法、随机D2D连接建立方法以及参考文献[16]中的MLS（maximal lifetime scheduling）方法的平均链路生存时间、传输效率以及中断概率3个性能指标。为保证所提方法的有效性和正确性，仿真结果为随机场景下运行1 000次的结果。

表1 仿真参数

图4显示了车辆间的可变距离对链路生存时间的影响。车辆间的可变距离越小，其信道质量一般越好，所能保持的链路生存时间就越长，被选为D2D连接对的可能性就越大。通信距离大于200 m后，链路生存时间小于100 ms，中断概率增大，消息成功传输概率减小，无法保证消息的有效传输。

图5给出了3种连接选择方法的平均链路生存时间。由图5可知，与另外两种选择方法相比，基于优先级的连接选择方法大大提高了链路生存时间。这是因为本文所提的连接方法同时考虑了车距和车道因素，且对D2D连接对进行了有优先级的选择，从而能够很好地保证通信的可靠性。而随机选择方法没有考虑用户所处位置以及通信双方信道的好坏，MLS方法没有考虑用户所处位置的影响，因此链路生存时间短。

图6显示了车辆密度对传输效率的影响性能曲线。由图6可知，随着车节点密度的增加，传输效率逐渐增加。这是因为随着车辆密度的增大，源节点可以选择通信的车辆数增加，车辆间的距离变小，视距范围内链路质量一般较好，数据成功传输的概率增大，传输效率增加。

图7显示了车辆密度对中断概率的影响性能曲线。由图7可知，随着车节点密度的增加，中断概率整体呈下降趋势。这是因为随着车辆密度的增大，通信节点可以选择的车辆数增加，可以选择最优的链路进行数据传输，从而使中断概率减小。而车辆密度较低时，可选择通信的节点很少，且链路的干扰较大，所以中断概率会很大。

6 结束语

车联网是移动通信网络在交通系统中的扩展应用，是交通业务消息承载和传输的载体。D2D通信作为一种可靠的短距离通信技术，适用于车联网中短距离交通消息传播。本文针对车辆快速移动导致的通信链路动态性问题，提出了一种基于可变距离的D2D连接选择方法。其次，通过选择行车道及车间距离参数，估计车间D2D通信连接信道质量，推导了D2D连接对选择的优先指数表达式。仿真结果表明，本文所提的基于优先级连接选择方法有效提高了D2D连接对的链路生存时间、传输效率以及中断概率，提升了车辆间通信的可靠性，改善了交通消息的传播性能。

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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

国家自然科学基金资助项目（No.61371113，No.61601248）；南通市应用研究计划基金资助项目（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，南通大学电子信息学院硕士生，主要研究方向为车联网通信、D2D通信。

邱恭安（1973−），男，博士，南通大学电子信息学院副教授、硕士生导师，主要研究方向为车联网通信、认知无线网络。

周永筝（1992−），女，南通大学电子信息学院硕士生，主要研究方向为车联网通信。