王慶菊
(溫州大學(xué)數(shù)理與電子信息工程學(xué)院,浙江 溫州 325035)
隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展,車載通信技術(shù)越來(lái)越受到人們的高度重視。傳統(tǒng)的車載通信是由基站向每輛車發(fā)送數(shù)據(jù),為了減小基站的負(fù)擔(dān),基于5G通信技術(shù)引入D2D(Device to Device,設(shè)備到設(shè)備)通信[1]。車載D2D通信具有提高系統(tǒng)的頻譜利用率和減小通信時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)[2],但在D2D通信過(guò)程中若是不充分考慮車載速度的差異性,將限制數(shù)據(jù)傳輸速率。中繼協(xié)作通信為解決這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)很好的途徑[3]。傳統(tǒng)的協(xié)作通信有兩種方法,一種是AF(Amplify Forward,放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議),另一種是DF(Decode Forward,譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議)。在文獻(xiàn)[4]中采用的是AF協(xié)作通信方式,其優(yōu)點(diǎn)是可以降低復(fù)雜度和信令開(kāi)銷,但是中繼節(jié)點(diǎn)在放大接收信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲,導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。在文獻(xiàn)[5]中針對(duì)AF中噪聲的影響,選擇DF協(xié)作方式,其優(yōu)點(diǎn)是中繼節(jié)點(diǎn)可以將接收到源節(jié)點(diǎn)的信息譯碼后重新編碼轉(zhuǎn)發(fā),然而中繼節(jié)點(diǎn)譯碼錯(cuò)誤時(shí)會(huì)導(dǎo)致信息傳輸錯(cuò)誤。文獻(xiàn)[6]針對(duì)AF放大的噪聲和DF譯碼錯(cuò)誤造成的誤差,提出了傳輸信號(hào)的信噪比自適應(yīng)選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)算法分配功率,提高了系統(tǒng)的信道容量。文獻(xiàn)[7]提出了一種增強(qiáng)選擇的HDAF策略,不僅提高了混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的頻譜效率,而且其誤比特率和中斷性能也比增強(qiáng)選擇放大轉(zhuǎn)發(fā)方案有較大改善。然而上述文獻(xiàn)中,很少考慮速度的變化對(duì)車輛協(xié)作的影響,限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。因此,本文提出了基于速度分簇的D2D車載通信中繼協(xié)作傳輸策略。
圖1為車輛分簇模型,在公路上,車輛最小速度和最大速度表示為Vmin和Vmax,具體劃分車載速度區(qū)間是Vmin+20 km/h分為第一個(gè)速度組,Vmin+40 km/h分為第二個(gè)速度組,一直可分到Vmax-20 km/h。道路上每輛車的速度已知,每一輛車可以通過(guò)自己的速度查詢到自己所在這條公路所屬的速度組,并在此速度組中選取平均速度作為簇頭。
公路上有六輛車,分別為1~6號(hào)車,每輛車的速度均已知,v1、v3、v5速度查詢?yōu)榈谝淮?,v2、v6速度查詢?yōu)榈诙兀瑅4速度查詢?yōu)榈谌亍?/p>
圖1 車輛分簇模型
如圖1所示,公路的總長(zhǎng)度為L(zhǎng),且公路上有1、3、5三輛車為第一簇的車輛,每輛車的速度為v1、v3、v5,它們的平均速度為:
把三輛車速與平均速度進(jìn)行比較,速度最接近平均速度的假設(shè)是1號(hào)車,就以1號(hào)車為簇頭。若同時(shí)1號(hào)車與3號(hào)車的速度都為平均速度,就通過(guò)權(quán)值的大小來(lái)選擇,權(quán)值大的選為簇頭[8],計(jì)算公式為:
為第一簇內(nèi)車速最大的邊界值,v為第i號(hào)車的車i速,vj為第一簇內(nèi)每輛車的車速,N為第一簇內(nèi)共有的車輛數(shù)目。若第i號(hào)車(1號(hào)車)的權(quán)值最大而且最接近于平均速度,則選擇1號(hào)車為簇頭,并向其余簇內(nèi)車輛傳輸信息,直到當(dāng)1號(hào)車的速度大于或小于第一簇的速度組時(shí),1號(hào)車加入到其它的速度組,第一簇內(nèi)開(kāi)始重新選擇速度最接近平均速度、權(quán)值最大的作為簇頭。簇頭在簇內(nèi)的鏈路時(shí)間為:
(1)當(dāng)1號(hào)車做加速運(yùn)動(dòng)時(shí),a>0,所用時(shí)間為:
(2)當(dāng)1號(hào)車做減速運(yùn)動(dòng)時(shí),a<0,所用時(shí)間為:
所以,鏈路時(shí)間范圍為其分別為第一簇內(nèi)的最大速度和最小速度,a為車輛i的加速度。
以第一簇為例,公路上的距離是不會(huì)發(fā)生改變的,改變的只是車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),如車輛運(yùn)動(dòng)的速度、運(yùn)行相對(duì)應(yīng)的位移。但每輛車上的位置、速度、行駛方向等基本信息都會(huì)被記錄[9]。當(dāng)一輛進(jìn)入到該公路上時(shí),就會(huì)根據(jù)自己的速度找到對(duì)應(yīng)的速度組,發(fā)送apply to join到簇頭,當(dāng)簇頭車輛接收到信息后,會(huì)回復(fù)receive,這時(shí)這輛車加入簇成功。若收到No,此車輛再重新發(fā)送apply to join到簇頭,直到簇頭回復(fù)receive為止。當(dāng)簇內(nèi)車輛的速度大于或者小于此速度組的最大速度值或最小速度值時(shí),車輛離開(kāi)簇并加入新的簇內(nèi)。
每個(gè)簇與簇之間的通信選用D2D通信,每個(gè)簇的簇內(nèi)情況如圖2所示(第一簇內(nèi)通信模型)。基站發(fā)送信息給簇頭(蜂窩用戶CU),再由蜂窩用戶CU通過(guò)D2D通信傳遞給簇內(nèi)其余車輛。
圖2 第一簇內(nèi)通信模型
圖2 中CU為蜂窩用戶(簇頭,1號(hào)車)、DU(3號(hào)車)和DT(5號(hào)車)為D2D用戶,基站發(fā)送信號(hào)給CU,第一階段CU把信號(hào)傳遞給DU和DT,第二階段DU為可作為中繼,再次把信號(hào)傳遞給DT。假設(shè)CU與D2D用戶都采用雙瑞利衰落信道,第一階段DU和DT的接收端信號(hào)分別為:
第二階段DT再次接收到的信息可為:
其中,PC、PD為CU與DU的發(fā)射功率,hCD、hCT、hDT分別為CU到DU、CU到DT、DU到DT的鏈路增益,x為CU發(fā)送的信號(hào),x^為DU發(fā)送的信號(hào),nCD、nT1、nT2為鏈路上均值為0、方差為N0的高斯白噪聲。
雙瑞利信道下,通信方式選擇半雙工通信系統(tǒng),其中繼協(xié)議選擇放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)協(xié)議,系統(tǒng)的中斷概率在高信噪比條件下為:
其中分別為CU到DT、CU到DU、DU到別為CU到DT、CU到DU、DU到DT鏈路的衰落系數(shù),N0方差為噪聲功率譜密度,I為雙瑞利信道下收發(fā)信機(jī)間的信道容量,?是信息的傳輸速率,PC、PD分別為CU和DU的發(fā)射功率。
當(dāng)中繼協(xié)議選擇譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(DF)時(shí),DF中繼的最大平均互信息量為:
假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)DU和目的節(jié)點(diǎn)DT完全解碼的情況下:
系統(tǒng)的中斷概率為:
在雙瑞利信道下,D2D通信中,DU與DT進(jìn)行D2D通信,DU作為中繼傳輸給DT用戶,DT用戶最終收到兩個(gè)時(shí)隙的信號(hào),相應(yīng)DT作為中繼把信號(hào)傳遞給DU用戶。
第一時(shí)隙,基站發(fā)送信號(hào)給CU,再由CU發(fā)送給DT與DU,DT與DU接收到的信號(hào)和式子(5)、(6)是一樣的。
第二時(shí)隙,中繼節(jié)點(diǎn)DU將接收到的信號(hào)yD進(jìn)行放大,并以D2D通信轉(zhuǎn)發(fā)給DT,中繼放大系數(shù)采用歸一化形式[10],放大系數(shù)為:
DT最后收到的總的信號(hào):
D2D通信DT端接收到的信噪比為[11]:
同理,D2D通信DU端接收到的信噪比為:
雙瑞利信道下,D2D通信系統(tǒng)中斷概率根據(jù)文獻(xiàn)[12]可定義為:
令X=PD|hDC|2、Y=PT|hTC|2、V=PT|hTD|2和W=PD|hDT|2并代入式(14)和(15)中,得到簡(jiǎn)化的之后的中斷概率為:
之后再經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算,高信噪比條件下可得到:
若選用DF中斷概率,在第二階段如式(7)中x^為中繼解碼后的發(fā)送信號(hào),DU與DT接收到的信噪比為:
其中,PT'、PD'分別為DT和DU解碼后的發(fā)射功率。最后在高信噪比的條件下可以得到:
圖3是速度v與權(quán)值p之間的關(guān)系曲線,在圖中可以看到在速度為60 km·h-1~80 km·h-1的范圍內(nèi)權(quán)值p的變化是一條直線,超出這個(gè)范圍,權(quán)值的變化就會(huì)變得無(wú)規(guī)律,可說(shuō)明在一定范圍內(nèi)可增加車載系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖3 v與p之間的關(guān)系
圖4 是AF中繼與D2D通信下AF中繼中斷性能比較。設(shè)定門限值為γth=2,N0=1,SNR的范圍是10 dB到30 dB,由圖4可以看出,信噪比在10 dB~30 dB范圍內(nèi),中斷概率隨信噪比的增加而不斷的減小,而且D2D通信下AF中繼的中斷概率在相同信噪比的情況下,始終比AF中繼下的小。
圖4 AF中繼與D2D通信下AF中繼中斷性能比較
圖5 是DF中繼與D2D通信下DF中繼中斷性能比較。信道增益設(shè)為1,由圖中可以看出DF中繼與D2D通信下DF中繼的中斷概率都是隨著信噪比的不斷增加而降低,后者要優(yōu)于DF中繼。
圖5 DF中繼與D2D通信下DF中繼中斷性能比較
圖6 是D2D通信下AF/DF中繼中斷性能比較。由圖中可以看出在D2D通信下中斷概率隨著信噪比的增加而減小,并在相同的信噪比下選擇DF中繼要優(yōu)于AF中繼。
圖6 D2D通信下AF/DF中繼中斷性能比較
本文提出了一種基于速度分簇的協(xié)作傳輸策略,該策略主要根據(jù)車輛速度大小劃分區(qū)間進(jìn)行分簇,簇頭是通過(guò)簇內(nèi)車輛的平均速度和加權(quán)值來(lái)選取,每個(gè)簇內(nèi)車輛采用D2D中繼AF/DF協(xié)作通信傳輸。從文中的數(shù)值結(jié)果可以看出,簇頭在相應(yīng)的速度范圍內(nèi),權(quán)值變化不大,可增加簇內(nèi)的穩(wěn)定性。在相同的信噪比條件下,簇內(nèi)采用的D2D中繼AF/DF協(xié)作明顯優(yōu)于傳統(tǒng)AF和DF協(xié)作的中斷概率,中斷概率隨著信噪比的增加不斷減小,提高了傳輸速率。
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