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(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330013 2.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044

隨著城市化進(jìn)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(guān)注[1]?；谕ㄐ诺牧熊嚳刂疲╟ommunication-based train control，CBTC）系統(tǒng)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(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)。在CBTC系統(tǒng)中，通常采用無線保真（wireless fidelity，Wi-Fi）通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車和軌旁設(shè)備之間及時(shí)、準(zhǔn)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(shè)備結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)效率等提出的更嚴(yán)格的要求[4]，Wi-Fi技術(shù)已無法滿足未來城市軌道交通系統(tǒng)的安全要求以及無線通信的用戶服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）[5]。

由于長期演進(jìn)（long term evolution，LTE）系統(tǒng)中的無線通信技術(shù)能夠提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率并且具有更低的系統(tǒng)延遲，成為研究人員廣泛關(guān)注的下一代軌道交通無線通信技術(shù)[6]。國際鐵路聯(lián)盟在2010年明確指出，LTE系統(tǒng)將被用作未來鐵路專用無線通信的載體[7]。作為LTE系統(tǒng)中的直接通信技術(shù)，設(shè)備到設(shè)備（device-to-device，D2D）通信技術(shù)由于其發(fā)射器和接收器之間的距離相對較近，可以在低發(fā)射功率下獲得更好的信道質(zhì)量。如今，將D2D技術(shù)應(yīng)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(jīng)成為列車通信系統(tǒng)中一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域[9-10]。在2007年，Garcia等人研究了列車避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了T2T通信，大大降低了列車相撞的可能性[11]。文獻(xiàn)[12]分析了D2D技術(shù)是否可以用于城市軌道交通中的無線通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)[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(shù)的T2T通信有很多優(yōu)勢，但是在目前，系統(tǒng)中的軌旁設(shè)備仍然是必需的。當(dāng)兩列相鄰的列車通過T2T通信獲取彼此的位置和狀態(tài)信息時(shí)，列車仍需要與軌旁設(shè)備進(jìn)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(zhàn)。然而，目前對T2T通信資源分配的研究還十分匱乏。文獻(xiàn)[20]提出了一種應(yīng)用于列車控制系統(tǒng)上行鏈路的通信資源分配方案，該方案通過博弈論進(jìn)行信道分配，引入權(quán)重因子進(jìn)行資源分配，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[21]提出了一種基于多代理深度Q網(wǎng)絡(luò)（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(xiàn)有關(guān)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(jù)運(yùn)行環(huán)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(yīng)通信模式選擇算法。根據(jù)模式選擇算法，列車能夠在滿足QoS要求的條件下自適應(yīng)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(yùn)行。根據(jù)該算法，資源分配問題可以分為兩個(gè)過程。由于分解后的目標(biāo)函數(shù)是非凸的，需要將原始問題重構(gòu)。重構(gòu)后，通過拉格朗日對偶函數(shù)法獲得每種通信模式的最佳發(fā)射功率。

為方便讀者閱讀，本文已將后續(xù)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(tǒng)模型

基于D2D技術(shù)的T2T通信系統(tǒng)模型如圖1所示。為了降低軌旁設(shè)備的復(fù)雜性，列車和軌旁控制器集成了區(qū)域控制器（zone controller，ZC）、列車自動監(jiān)控（automatic train supervision，ATS）和計(jì)算機(jī)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(shè)備進(jìn)行通信，軌旁設(shè)備可以根據(jù)列車發(fā)送的路線信息直接控制道岔的旋轉(zhuǎn)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(dá)列車速度和位置等關(guān)鍵信息。相比于傳統(tǒng)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(shí)，從而提升列車運(yùn)行的安全性。區(qū)別于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在城市軌道交通系統(tǒng)中，基站（base station，BS）沿軌道線性分布，每個(gè)蜂窩小區(qū)中的列車數(shù)量有限。根據(jù)列車運(yùn)行環(huán)境的特殊性，假設(shè)該網(wǎng)絡(luò)中有V={ }1,2,…,M個(gè)T2G通信用戶，D={ }1,2,…,N個(gè)T2T通信用戶，V個(gè)T2G通信用戶在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用K個(gè)獨(dú)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(fù)用且只能復(fù)用一次。

圖1 基于D2D技術(shù)的T2T通信系統(tǒng)模型Fig.1 T2T communication system model based on D2D technology

T2G通信鏈路、T2T通信鏈路和復(fù)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(shí)，列車x2和BS之間的通信信道被T2T通信列車x0和x1復(fù)用，在復(fù)用過程中，列車x2將對列車x0和x1產(chǎn)生干擾。在本系統(tǒng)中，模型使用列車x0的初始位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)，列車自左向右以速度v在基站覆蓋范圍內(nèi)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(biāo)，y代表BS的縱坐標(biāo)，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(xué)處理危機(jī)善后，合理引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)輿情是減小旅游危機(jī)事件負(fù)面影響的重要措施。以開放、包容和坦誠的態(tài)度應(yīng)對危機(jī)，主動融入輿論場，積極糾正錯(cuò)誤、修復(fù)形象，有助于建立合理的輿情疏導(dǎo)機(jī)制。旅游危機(jī)事件的網(wǎng)絡(luò)輿情傳播給旅游目的地帶來的影響深遠(yuǎn)，短時(shí)間內(nèi)難以消除，因而旅游危機(jī)事件的善后處理應(yīng)注重對網(wǎng)絡(luò)輿情的長期正面引導(dǎo)。

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(shù)，βi,B代表對數(shù)正態(tài)陰影衰落隨機(jī)變量，ζi,B是小規(guī)模快速衰落功率分量，α是路徑損耗指數(shù)。

該通信系統(tǒng)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(jìn)行通信，當(dāng)兩列列車相距較遠(yuǎn)時(shí)，此模式比較適用。此時(shí)，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(gè)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(shí)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(fù)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(fù)用，如果信道被復(fù)用，則xi,j=1，否則xi,j=0。然后，可以通過優(yōu)化用戶的發(fā)射功率來最大化系統(tǒng)信道容量，優(yōu)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(fù)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(yōu)化問題是非凸的，因此本文將該問題分解為兩個(gè)子問題。

2 自適應(yīng)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(jù)不同通信模式的信道容量關(guān)系獲得模式選擇矩陣，通過該矩陣，列車可以自適應(yīng)地選擇通信模式。然后，根據(jù)這兩種通信模式，將原始優(yōu)化問題分解為兩個(gè)子問題，分別在T2G通信模式和T2T通信模式下最大化系統(tǒng)的信道容量。由于原始優(yōu)化問題中系統(tǒng)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(yōu)化問題（6）是兩種通信模式的相加運(yùn)算，通過模式選擇指標(biāo)矩陣和優(yōu)化問題（6），可以實(shí)現(xiàn)列車自適應(yīng)模式選擇，并將原優(yōu)化問題分解為兩個(gè)子問題，其中一個(gè)可以表示為：

優(yōu)化問題（7）表示，當(dāng)系統(tǒng)滿足模式選擇條件時(shí)，將信道資源分配給目標(biāo)列車，列車采用T2G通信模式。

另一個(gè)優(yōu)化問題可以表示為：

優(yōu)化問題（8）表示，當(dāng)系統(tǒng)滿足模式選擇條件時(shí)，將信道資源分配給目標(biāo)列車，列車采用T2T通信模式。

2.2 最優(yōu)功率分配算法

當(dāng)系統(tǒng)采用T2G通信模式時(shí)，原始約束問題可以表示為式（7）。顯然，目標(biāo)函數(shù)是關(guān)于的凹函數(shù)，并且該函數(shù)的可行域是凸集，因此，優(yōu)化問題（7）可以表示為凸優(yōu)化問題。本文采用拉格朗日對偶方法來解決上述凸優(yōu)化問題，原問題的拉格朗日函數(shù)可以表示為：

式中，t k是搜索步長，?L是梯度下降方向。

當(dāng)系統(tǒng)采用T2T通信模式時(shí)，原約束問題可表示為式（8）。顯然，該問題是一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)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(yōu)化問題不是凸優(yōu)化問題。為了解決這個(gè)問題，需將變量xi,j放寬成連續(xù)變量，此時(shí)，約束條件c1和c2可以替換為：

經(jīng)過變量替換，優(yōu)化問題（8）的可行域已經(jīng)轉(zhuǎn)化為凸集，原優(yōu)化問題變?yōu)橥箖?yōu)化問題，此時(shí)，該優(yōu)化問題拉格朗日函數(shù)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(fù)用T2G通信用戶信道資源，此時(shí)，T2G通信用戶的功率可以表示為：

將T2G通信的最佳發(fā)射功率引入優(yōu)化問題（8）中，原優(yōu)化問題可表示為：

根據(jù)KKT條件，信道復(fù)用因子可以表示為：

3 實(shí)驗(yàn)仿真對比分析

本文提供了一些仿真結(jié)果以討論通信模式選擇和功率分配算法的系統(tǒng)性能。根據(jù)軌道交通列車的實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合文獻(xiàn)[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(fù)用一次的情況。此外，每輛列車都可以同時(shí)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(shù)。

表2 主要仿真參數(shù)Table 2 Main simulation parameters

模式選擇算法根據(jù)列車數(shù)量的不同使列車自適應(yīng)選擇通信模式，選擇結(jié)果如圖3所示。在T2G通信模式下，隨著列車數(shù)量的增加，系統(tǒng)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(dǎo)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(dāng)小區(qū)中列車數(shù)量較少時(shí)，由于T2G通信模式的列車對T2T通信模式的列車造成較強(qiáng)的干擾，導(dǎo)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(dāng)小區(qū)中列車數(shù)量適中時(shí)，T2T通信模式的列車總信道容量將大于T2G通信模式。當(dāng)列車數(shù)量增加到9輛時(shí)，小區(qū)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(shí)，T2G通信模式的列車總信道容量達(dá)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(yōu)化問題（6）和優(yōu)化問題（7）進(jìn)行求解，得到最優(yōu)信道容量。由仿真結(jié)果可以直觀看出，與文獻(xiàn)[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(jié)果優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(shí)，隨著間距的不斷變化，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)總信道容量隨著T2T和T2G通信列車之間距離變化的關(guān)系如圖7所示。在初始階段，列車從BS的邊緣運(yùn)行到BS的中心。此時(shí)，當(dāng)T2T通信列車重用T2G通信列車信道資源時(shí)，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(tǒng)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(yán)重。當(dāng)T2T通信列車與T2G通信列車之間的距離不斷變小時(shí)，系統(tǒng)的總信道容量在逐漸變大。這是因?yàn)榧词闺S著T2G通信列車與T2T通信列車之間的距離變小導(dǎo)致列車間的干擾變大，T2T通信技術(shù)產(chǎn)生的信道增益依然能夠?qū)α熊嚳傂诺廊萘康奶嵘兄艽蟮膸椭?/p>

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

4 結(jié)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(jù)兩種通信模式的QoS要求，設(shè)計(jì)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(tǒng)的吞吐量。理論分析和仿真結(jié)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(tǒng)的信道容量，能夠在T2T通信的資源分配中發(fā)揮重要作用。