一种面向LTE-V2X分组优先级的消息传输方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种面向LTE-V2X分组优先级的消息传输方法。

背景技术

随着智能交通系统的发展和车辆自动驾驶技术的兴起，车辆之间的通信变得越来越重要。LTE-V2X作为一种强大的通信技术，能够支持车辆之间的直接通信和与基础设施的通信，为车辆安全、交通效率和驾驶体验提供了巨大的潜力。对比于基于IEEE 802.11p通信标准的专用短距离通信标准(DSRC)，基于3GPP长期演进(LTE)标准的LTE-V2X在通信性能、适用范围、通信服务质量(Quality of Service，QoS)需求方面有着显著提高。

然而，在实际应用中，由于车辆密度高和通信资源有限，LTE-V2X网络可能面临传输延迟、容量限制和消息丢失等问题。尤其在紧急情况下，例如紧急制动或交通事故预警，及时传输关键信息至关重要。

目前的LTE-V2X消息传输策略主要基于固定的调度算法，无法满足不同消息的优先级需求。现有策略未能充分利用LTE-V2X网络资源，无法对不同类型的消息进行差异化处理和优先传输。因此，需要一种新的消息传输策略，能够根据消息的重要性和紧急程度动态分配资源，提高关键信息的传输可靠性和实时性。

首先，由于车辆之间的通信需求多种多样，不同类型的通信消息对于通信延迟和可靠性有不同的要求。例如，紧急通知消息需要快速传输并确保及时到达，而普通的交通信息则对时延要求不那么严格。目前的LTE-V2X协议栈对于不同类型消息的处理方式比较统一，无法满足不同消息的分组优先级需求，导致通信效率低下。

其次，LTE-V2X通信中存在一定的信道竞争和碰撞问题。当多个车辆同时发送消息时，由于信道资源的有限性，会导致消息传输冲突和碰撞，进而影响通信的可靠性和吞吐量。目前的LTE-V2X协议栈对于消息的调度和冲突处理能力有限，无法有效解决信道竞争问题。

总之，基于分组优先级的LTE-V2X消息传输策略能够解决LTE-V2X网络传输中的瓶颈问题，提高关键信息的传输效率和可靠性。这将为智能交通系统的发展和车辆自动驾驶技术的实现带来重要的推动力。

发明内容

针对通信消息的分组优先级和信道竞争方面的不足，本发明提出一种面向LTE-V2X分组优先级的消息传输方法，如图5，具体包括以下步骤：

设置消息分类与分组优先级，根据分组优先级设定信道资源占比CRB的阈值；

判断节点缓冲区时候已满，若已满则丢弃后续数据包；

根据当前节点的信道资源占比CRB的阈值和当前用户通信范围内的用户计算其信道资源利用率阈值；

获取节点的信道资源利用率，若当前节点的信道资源利用率小于其信道资源利用率阈值，则继续按照当前状态传输；

若当前节点的信道资源利用率大于等于其信道资源利用率阈值，则按照优先级对数据包进行排序，优先传输优先级高的数据包并丢弃优先级低的数据包。

进一步的，设置消息分类与分组优先级，即为每一类型的消息设置一个类别和优先级，按照消息的紧急程度将再划分为多个组，每个组的优先级具有相同的优先级权重。

进一步的，针对每个分组优先级的优先级权重，优先级权重随着当前节点的信道资源占比变化，其中优先级高的分组随着当前节点的信道资源占比增大而增大，优先级低的分组随着当前节点的信道资源占比增大而减小。

进一步的，设置每个分组的优先级分组的权重包括以下步骤：

若根据优先级将消息划分为三个优先级分组，即P＝{P

若当前节点的信道资源占比大于X1％，则将优先级分组的优先级权重设置为：{ω

若当前节点的信道资源占比小于等于X1％且大于X2％，则将优先级分组的优先级权重设置为：{ω

若当前节点的信道资源占比小于等于X2％，则将优先级分组的优先级权重设置为：{ω

其中，P表示用户消息的优先级分组，P

进一步的，在每个优先级分组中包括多个优先级，每个优先级分组设置有一个信道资源利用率阈值，当当前优先级分组对应的信道资源利用率大于等于该分组的信道资源利用率条件时，则优先发送该分组中优先级高的数据包。

进一步的，若共有m个优先级分组，每个优先级分组的信道资源利用率条件为：

其中，

进一步的，第i个优先级分组P

其中，

进一步的，根据信道资源利用率判断当前节点是否发生拥堵，即设置一个信道资源利用率阈值，当当前节点的信道资源利用率超过阈值则判断发生了拥堵。

进一步的，判断当前节点是否发生拥堵的过程包括：获取数据包到达的时间间隔ΔT

本发明相对于现有技术具有以下优点和积极效果：

1.提高通信效率：通过引入分组优先级消息传输机制和协议栈优化，本发明能够根据通信消息的重要性和紧急性进行差异化处理，实现更高效的通信传输。关键消息可以得到快速传输和及时响应，提升了通信效率和实时性。

2.提升通信可靠性：本发明的协议栈通信方法和装置通过智能的调度算法和冲突处理机制，合理分配信道资源，减少消息冲突和碰撞，从而提高了通信的可靠性，有效解决了现有LTE-V2X通信中存在的信道竞争问题，提供更稳定和可靠的通信环境。

3.支持分组优先级：本发明引入了分组优先级消息传输机制，可以根据不同类型的通信消息设置不同的分组优先级，使得通信系统能够根据不同消息的紧急性和重要性进行灵活调度，确保关键消息优先传输，提高了通信的优先级管理能力。

4.增强系统适应性：本发明的通信装置经过硬件优化，更好地适应了LTE-V2X通信的特殊需求。优化的硬件设计使得通信装置能够提供更高的性能和可靠性，适应复杂的通信环境和多样化的通信需求。

5.促进车联网发展：作为一种改进的LTE-V2X通信方法和装置，本发明有助于促进车联网技术的发展和智能交通系统的建设。通过提高通信效率、可靠性和优先级管理能力，本发明为车辆之间的高效通信和智能交通应用提供了更可靠的基础。

综上所述，本发明在与现有技术相比具有明显的优点和积极效果，能够提升LTE-V2X通信的效率、可靠性和适应性，为车联网领域的发展做出了积极贡献。

附图说明

图1为本发明采用的一种带有LTE-V2X分组优先级消息传输的协议栈示意图；

图2为本发明一种基于分组优先级的拥塞控制和流量控制传输策略的流程图；

图3为本发明中基于优先级的拥塞控制策略流程示意图；

图4为本发明中节点流量传输的示意图；

图5为本发明一种面向LTE-V2X分组优先级的消息传输方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种面向LTE-V2X分组优先级的消息传输方法，如图3，具体包括以下步骤：

设置消息分类与分组优先级，根据分组优先级设定信道资源占比CRB的阈值；

判断节点缓冲区时候已满，若已满则丢弃后续数据包；若节点缓冲区未满则监测输入包速率和输出包速率；

根据当前节点的信道资源占比CRB的阈值和当前用户通信范围内的用户计算其信道资源利用率阈值；

根据当前节点的输入包速率和输出包速率计算节点的信道资源利用率，若当前节点的信道资源利用率小于其信道资源利用率阈值，则继续按照当前状态传输；

若当前节点的信道资源利用率大于等于其信道资源利用率阈值，则按照优先级对数据包进行排序，优先传输优先级高的数据包并丢弃优先级低的数据包。

在本实施例中，一种面向LTE-V2X分组优先级的消息传输方法基于LTE-V2X的通信协议栈实现，如图1，该协议栈使用了软件分层的思想，以达到可以在不同V2X设备上进行移植及使用，根据《基于LTE的车联网无线通信技术网络层技术要求》，LTE-V2X协议栈分为应用层、网络层及LTE-V2X接入层。

LTE-V2X协议栈中的应用层是协议栈的最上层，主要包括数据编解码模块及消息填充模块，为了实现高效的数据传输和解析，应用层采用ASN.1编解码技术，其具有较好的灵活性和较高的标准化，能够有效地进行LTE-V2X消息的编码和解码，且应用层预留了接口，可以将填充好的消息集发送到网络层。

LTE-V2X协议栈中的应用层包括用户应用和消息层两部分，其中消息层通过网络层预留的API与网络层进行数据交互，在发送端，消息层主要负责创建、填充和编码车联网消息集；在接收端，消息层对接收到的其他设备发来的车联网消息集进行解码并解析数据，用户应用可以通过获取消息层解析的车联网消息集完成用户层面的车联网应用操作。

LTE-V2X协议栈中的网络层包括数据子层和管理子层，具体地：

网络层的数据子层主要包括DSMP数据传输模块及DSA数据传输模块，所述的DSMP数据传输模块将接收到的应用层发来的填充好的消息集进行处理，加入对应的DSMP头部信息，并发送到适配层；DSA数据传输模块则加入对应的DSA头部信息发送到适配层进行处理，其中的DSMP数据流主要是在发送端，应用层发起对网络层的DSM服务请求，DSMP模块进行数据处理并传输到接入层。在接收端，接入层接收到DSM消息，发起DME请求，在网络层进行处理后，发送到应用层；

具体地，在发送端，应用层首先向网络层发起DSM请求，将准备好的车联网消息集通过网络层接口传入网络层，网络层的数据传输部分收到请求后，对消息集进行进一步加工，并附上相应的报文头，报文头具体内容符合车联网DSMP协议规定，主要包含版本、扩展域、应用标识和数据长度等信息。封装完成后，DSMP向适配层发起适配层请求，由适配层向DSM帧加入含有分类信息的帧头，最后，适配层向接入层发送接入层请求，通过接入层暴露的接口将DSM帧送入接入层。数据子层部分通过对数据宝的封装为协议栈确定了传输规范，在这样的规范下，不同出厂商的设备只要能满足统一数据封装标准，即可实现跨设备、跨平台的数据互通；

管理子层包括应用注册模块、服务管理模块、MIB信息维护模块及业务公告模块，其中：

应用注册模块用于提供应用注册功能，并配备有相应的数据管理表MIB，任何需要使用管理子层DME管理实体的应用都需在DME处注册，相应的，注册信息会保存在MIB表中，这样DME就可将接收到的DSM发送到对应的应用中；

服务管理模块主要用于管理提供者服务请求、用户服务请求、短消息服务请求，当DME接收到不同类型的服务请求时，会采取不同的动作类型，主要是增加、更新、删除三种动作类型，具体地：

a)当接收到动作类型为“增加”的服务请求时，在MIB中增加对应的服务信息；

b)当接收到动作类型为“更新”的服务请求时，更新MIB中对应的服务信息；

c)当接收到动作类型为“删除”的服务请求时，删除MIB中对应的服务信息；

MIB信息维护模块主要用于维护协议栈应用配置及状态信息，DME可以通过指定信令设置或查询MIB信息；DME通过指定的信令设置、查询MIB信息，当DME接收到一个业务请求消息后会在MIB中建立一个对应该业务的MIB信息表，该信息表项包含应用配置及状态信息，业务数据的传输环境配置基于该状态信息；在MIB表中，共分为四类数据项，分别为：本地信息表、短消息服务请求表、提供者服务请求表和用户服务请求表，分别对应协议栈本地信息、短消息服务信息和业务公告服务信息的管理与维护，表中记录了DME对上层应用支持的服务请求中的必要信息；

业务公告模块主要用于对专用业务公告(Dedicated Service Advertisement，DSA)消息的处理，实现方式主要是将对应的标识码AID设置为DSA对应的取值，进行数据流传输，即基于LTE的车联网专用业务公告DSA向车辆用户广播可选服务信息，车辆用户在接收到DSA后，判断该广播公告是否有自己感兴趣的内容，若有，则根据DSA携带的信道参数信息，接入服务信道SCH与服务提供者进行大数据量的信息下载；

具体地，在业务公告服务管理中，存在两个角色，提供者(Provider)和用户(User)，提供者一般由RSU或其他路边设施担任，负责向道路参与者(如车辆等)广播可选服务信息，车辆设备想要接收可选服务信息，则向DME注册成为用户，并告知DME自己感兴趣的内容类型，DME会依此筛选收到的DSA，发现匹配的DSA后，DME会完成解析DSA携带数据、通知上层应用和接入对应服务信道完成数据交换等操作；帧可以包含多个应用信息，由应用信息计数字段表示帧中应用信息的数量，应用信息携带了可选应用业务的信息，通过应用标识字段区分可选应用业务。

作为一种可选的实施方式，网络层一般还可以包括设置模块以及连接请求模块，其中：

设置模块，用于将网络层与应用层之间连接处的中间层设置为服务端，将网络层设置为客用户端；

服务原语模块，用于通过应用层向中间层发起连接请求，从而实现内部数据传输。

LTE-V2X接入层是物理底层，本实施例中采用中兴V2X通信模组ZM8350和恩智浦核心板IMX6Q作为硬件组件，该通信模组提供了CBR获取的接口函数，直接调用接口即可获取此时的CBR值。该协议栈根据T/ITS 0108—2019《基于LTE的车联网无线通信技术网络层技术要求》中给出的协议栈架构搭建，由应用层、网络层、接入层三层组成，各个层之间独立封装，并暴露出必要的接口，该协议站设计开发时采用模块化方式，每个模块独立占用一个进程，各个模块之间采用Socket方式进行通信，且Socket采用UDP方式创建句柄。

LTE-V2X协议栈的数据流向可从发送端和接收端进行分析，在发送端，车辆传感器采集系统将采集的信息送入应用层，并在应用层对数据进行处理，通过创建消息帧、填充消息帧、编码等操作创建车联网消息集，并通过网络层预留接口送入网络层进行消息帧封装，封装完成后通过接入层接口将消息帧送入接入层，并进行数据帧封装，再通过空中接口发送；在接收端，接入层通过空中接口与接收到数据帧后，需要剥离数据帧的MAC层帧头，再通过接入层接口将数据帧送入网络层，并在网络层进行筛选处理，再通过网络层接口送入应用层，应用层进行数据解码及处理后再发给上层应用实体。在上述的协议栈中，各层之间均为模块化设计，每一层在开发完毕后都进行独立封装，仅暴露出必要的接口(API)与其他层或其他模块进行信息交互。

在上述协议栈的基础上，本发明提出一种面向LTE-V2X分组优先级的消息传输方法，该方法结合基于分组优先级的拥塞控制及基于车辆传输节点的流量控制来对车车通信的通信质量进行优化。

基于分组优先级的拥塞控制，即本发明根据车联网消息的具体应用场景进行分组优先级分类，并基于此分组优先级，提出了一种拥塞控制算法，接下来本实施例对拥堵控制过程进行说明。

在资源池中，数据包的优先级映射为PPPP(ProSe Per-Packet Priority)值，一个数据包对应一个PPPP，将PPPP也设置为0-7的数值，预先以PPPP作为优先级等级进行传输，引入了一种基于消息紧急程度和重要性的分组优先级分类方法，根据消息的属性和关联信息，将消息分为不同的优先级组，使得关键信息能够得到优先处理和传输。

首先，本实施例将用于车联网中的紧急状况和重大安全事故的消息设为PPP0-PPP2级消息，该类消息传输可接受时延最短，一般由紧急车辆(医护车、警车等)发出或者由车辆发生紧急情况(如急刹车、超车警告等)产生，具体包括：

PPP0级消息:该类消息优先级最高，一般为车联网里紧急消息中关于时间有限的定期消息时间，例如碰撞风险警告、交叉口碰撞警告等；

PPP1级消息：将超越状态的广播事件设为PPP1级消息，例如超车警告、头部碰撞警告等；

PPP2级消息：该类消息主要包括车辆间合作保障道路安全的消息，例如换道协助、合作合并协助等消息；

其次，将车联网中与交通安全相关的车辆定期广播的安全消息定为PPP3-PPP4级消息，该类安全消息用于改善道路的交通状况，及时验证该类消息可以提前预知与规划安全交通，具体包括：

PPP3级消息:将通过定期广播协助驾驶员管理车辆的速度，帮助平稳行驶的定期永久广播消息定为PPP3，例如监管限速通知、绿队最佳速度咨询等；

PPP4级消息:将可以通过V2V/V2I的协作来管理车辆导航的合作意识消息定位为PPP4级消息，例如协同自适应巡航控制类消息、协作式车辆高速公路自动系统类；

最后，将车联网里娱乐与服务型的消息定义为PPP6-7级消息，该类消息与用户上网娱乐体验相关，该类消息的时延容忍较长，消息包的少量丢失不会影响车联网交通安全，引发重大安全事故。车联网里娱乐与服务型消息也是随机概率产生的，具体包括：

PPP6:将车辆相关的车辆软件/数据供应和更新，以及相关的媒体下载等相关内容设为PPP6；

PPP7:根据用户的上网需求，将一些带有广告需求的兴趣点通知消息、ITS本地电子商务消息设为PPP7级消息；

上述仅是本发明提出的一种对消息优先级的划分方案，本领域技术人员也可以根据实际需要对消息的优先级进行划分。

LTE-V2X消息按上述分类设定后，只是业务层面的分类，要想进行无线资源的调度，还需考虑每个资源块上的信道质量为便于后续对于此类分类的描述，本实施例进一步将优先级分为三类(本领域技术人员也可以根据实际需要进行划分将PPP0-PPP7划分为多个分组)，将PPP0-PPP3级的消息划分为较为紧急的P0级消息，将周期新道路辅助消息划分为P1级消息，娱乐性消息划分为P2级消息。并根据3GPP Release14对于拥塞控制给出的信道资源占比CBR及信道资源利用率CR两个指标对信道质量进行描述。

在3GPP Release14中CBR被定义为发送车辆在过去100个子帧中，RSSI值超过预设阈值的子帧个数占总子帧个数的比例，通常使用-107dBm/RB作为此预设阈值；CR被定义为发送车辆在1000个子帧期间占用的子信道量的比率，其中CBR可用于控制传输和数据传输，可通过前述协议栈实时获取。本实施例在传输过程中，将对不同优先级的分组设定不同的CBR阈值CBR

车辆用户设备(VUE)可通过将CBR的阈值CBR

其中，N

通过上述的F(CBR)来配置特定的用户分组优先级。VUE通过优先级来控制分组传输，即针对上述P＝{P

对于基于优先级的传输过程，当使用针对CBR的独立于传输优先级的单个门限可能不允许使较高优先级的传输优于较低优先级的传输。例如，信道资源利用率CR超过某个设定阈值50％时，则VUE可以先不发送较低优先级分组的数据。在上述过程中，我们将P

而根据CBR及CR之间的关系，有：

当发送P＝{P

据上述描述，VUE可以为不同的优先级分组分配不同的权重，而每个优先级的权重

经过上述归一化的权重总和在集合P内等于1；针对优先级的权重还是基于CBR值的，例如，分发给较高优先级的权重部分可以随着CBR增大而增大，类似地，分配给较低优先级的权重部分可以随着CBR的减小而增大。具体地，上述对于LTE-V2X消息的三种优先级分组，对于CBR>X1％时，{ω

综上所述，上述基于优先级的拥塞控制算法流程如下：

首先，根据车联网消息分类进行优先级分组；

其次，根据优先级分组为不同的优先级分组设定相应的CBR阈值；

然后，根据CR与CR

由于车联网消息传输量较大，随着时间的累计，传输节点的缓冲区会溢出导致数据包丢失，并增加排队延迟。因此，本实施例考虑不仅基于分组优先级进行拥塞控制，根据初始优先级及此时的拥塞状况，加入基于车辆通信的节点控制，进一步优化LTE-V2X的通信质量。首先需要考虑的是判断出传输节点何时产生缓冲区溢出以及何时产生拥堵的情况，并时刻监视传输节点的传输质量。根据此时传输节点的情况，判断是否需要进行消息传输的流量控制和拥塞控制。

在本实施例中，可以假设传输节点的总缓冲区大小为Q，并且当前缓冲区中的数据包数量为q，此时会有两种情况，即Q＝q，该节点已经完全拥塞，后续到来数据包将被丢弃。

当Q≠q，此时该传输节点未拥塞，通过监视输入包速率R

其中，

R

R

其中，ΔT

C(t)＝ΔT

将C(t)定义为传输节点平均分组服务时间与平均分组到达时间间隔之间的比值。当C(t)＞1时，节点发生拥塞，反之，C(t)＜1时，未发生拥塞。每当有N

至此，可根据实时的数据包服务时间ΔT

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。