基于LTE D2D技术的车联网通信架构与数据分发策略研究
彭军，马东，刘凯阳，张倩倩，张晓勇
【摘 要】基于5G通信技术的车联网面临高速率、低时延、高可靠性和大量流媒体数据分发等需求，提出了一种基于LTE D2D的车联网通信架构，设计基于运动一致性的车辆分簇算法，有效增加持续D2D通信时间，提高通信可靠性；其次，针对簇内车辆的流媒体数据分发，提出一种带时延约束的 D2D协作中继转发策略，设计最优中继选择算法，大幅提高数据传输速率，提升网络吞吐量。
【期刊名称】通信学报 【年(卷),期】2016(037)007 【总页数】9
【关键词】车联网；D2D通信；V2V通信；数据分发 【
文
献
来
源
】
https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_journal-
communications_thesis/0201237118929.html
1 引言
近年来，各种智能无线设备（如手机、平板电脑、穿戴式设备等）的海量涌现将人与物紧密联系起来，同时也给整个无线通信网络带来了爆炸式的数据流量增长，未来10年，移动互联网流量将增加1 000倍[1,2]。此外，各种物联网应用，如智能电网、智慧城市、移动医疗、车载娱乐、虚拟现实等的普及对无线接入带宽和通信延迟提出较高的需求[3]。未来5G网络旨在提供一个大容量、低成本、低功耗、安全可靠的无线网络[4]。同时，5G中不仅需要设备之间的交流，还需要与环境信息进行交流（如大规模无线传感器网络）。为满足上述性
能要求，3GPP组织针对5G提出了多种关键技术[5]。
作为LTE及未来5G的关键技术之一，D2D通信可在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区资源在一定范围内直接进行通信。该通信方式的数据流量不经过基站和核心网，进而减小通信时延、减轻基站压力、缓解核心网负载、提高频谱利用率和系统吞吐量[6,7]。D2D通信在内容分发、互动游戏、社交网络、紧急救援和公共安全领域将发挥其特有的优势。除了以人为中心的D2D通信网络，D2D在车联网中也有广阔的应用前景[8]。
文献[9]指出车辆已经成为日常生活中不可缺少的一部分，人们在车内消耗的时间仅次于家庭和办公室。同时，V2V通信也早已成为无线通信协会研究的重点，比如IEEE提出将基于DRSC技术的802.11p标准作为V2V通信标准，主要用于支持智能交通系统中的各种 V2V应用[10]。随着无人车技术的发展与普及，基于 V2V通信的车辆安全预警和辅助驾驶等车联网安全应用显得尤为重要。但由于现有的V2V通信技术DRSC传输范围有限且缺乏配套设施的部署，只能提供间歇性的、短暂的连接[11]。因此，利用完全分布式的DRSC作为 V2V通信标准无法保证通信的可靠性和有效性。
解决该问题的一个普遍认同的方法是使用LTE网络，但其本身不支持V2V通信[12]。当车辆密度较大时，车辆之间不断交互的安全信息极有可能超过基站负载，造成网络拥塞。因此，若采用不经过基站的D2D通信作为技术支撑，可大大提升网络性能。文献[13]根据V2V通信和D2D通信的特点，分析了将D2D通信用于V2V的优势。1) V2V通信的地理特性正是D2D通信的初衷，即实现一定范围内的设备直接通信。2) D2D通信的跳数增益刚好可以满足 V2V通信的低时延要求。3) D2D通信的邻近增益可满足V2V通信的高可靠性
要求。
目前，已有学者做了相关工作。文献[13]针对车联网中 D2D通信的上行链路资源共享问题，提出一种资源块分配和功率控制方案，满足车联网用户通信对时延与可靠性要求的同时，最大化蜂窝用户总速率。文献[14]提出一种基于分簇的分布式D2D架构，簇头作为上行链路数据流的网关，簇内车辆使用 D2D直接通信，提高了上行链路的资源利用率。文献[15] 针对车联网中的D2D通信，提出一种与车辆位置信息相关的启发式资源分配机制。该机制在满足车联网通信安全服务要求的同时，还减少了信令开销与通信干扰。
文献[16]提出将D2D通信用于车联网的故障恢复，并设计了一种包含智能交通系统架构、基于LTE的 D2D通信机制以及故障感知模型的混合交通系统。仿真结果表明，该系统可有效减少故障恢复时的通信时延和路由跳数。文献[17]根据高速行驶车辆中的地理位置信息，对 D2D-V进行了分组。通过信道复用和功率控制使系统总速率达到最大。文献[18]提出一种分布式D2D通信架构，采用混合分簇法对车辆进行分簇，不同车辆之间形成多个动态簇。由于车辆的移动性很强，因此该分簇法能有效减少车联网的通信时延。
以车辆为中心的 D2D通信与以人为中心的D2D通信最大的不同在于移动性。由于D2D通信范围有限，而车辆运动速度较快，正在进行D2D通信的车辆极易因超出通信范围而断开连接。然而，车辆只能在已有的公路上行驶，不同于其他移动设备可以向任意方向移动，又使其运动状态具有一定限制性。为此，本文结合 LTE和 D2D技术，针对车辆移动的快速性和限制性，提出一种基于运动一致性的分簇算法，增加簇内车辆的持续D2D通信时间，同时提高D2D通信的成功概率。
基于LTE D2D技术的车联网通信架构与数据分发策略研究
