車聯(lián)網(wǎng)中基于非正交多址接入的簇重疊區(qū)域性能改進(jìn)

顧金媛， 章國(guó)安， 張鴻來

(1.南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院， 連云港 222000; 2.南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 南通 226019)

近年來，因汽車數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)而引起的交通安全、出行效率、環(huán)境保護(hù)等問題日益突出，車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展受到了廣泛關(guān)注。車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合了全球定位系統(tǒng)(global position system，GPS)、傳感器、射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)、數(shù)據(jù)挖掘、自動(dòng)控制等相關(guān)技術(shù)，按照約定的體系架構(gòu)及其通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在V2X(vehicle to everything)交互過程中，實(shí)現(xiàn)智能化交通管理、智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡(luò)。車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，其核心關(guān)鍵就是V2X無線通信技術(shù)。借助于V2X 無線通信技術(shù)，車聯(lián)網(wǎng)不僅可以突破單一汽車在智能化發(fā)展方面的非視距感知、車輛信息共享等技術(shù)瓶頸，還有望提高網(wǎng)聯(lián)汽車智能化水平和自動(dòng)駕駛能力，從而提高交通效率，改善汽車駕乘感受，構(gòu)建汽車和交通服務(wù)新業(yè)態(tài)，最終為用戶提供智能、舒適、安全、節(jié)能、高效的綜合服務(wù)[1-2]。V2X 通信的主流技術(shù)包括專用短程通信(dedicated short range communication，DSRC)技術(shù)[3]和基于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的C-V2X(cellular vehicle to everything)技術(shù)，C-V2X 技術(shù)目前以LTE-V2X 技術(shù)為主，未來將向5G-V2X 技術(shù)演進(jìn)?；诜涓C通信技術(shù)的LTE-V2X 是中國(guó)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域主推的通信技術(shù)，匯集了通信、汽車、電子等各行業(yè)共同的智慧。

隨著第5 代移動(dòng)通信(5G)的快速發(fā)展，面對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)需求量的爆炸性增長(zhǎng)，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要考慮能更深入發(fā)掘頻譜效率提高潛力的無線傳輸技術(shù)，如大規(guī)模天線技術(shù)、毫米波通信、超密度網(wǎng)絡(luò)、非正交多址接入等[4]，為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)海量接入和超高容量需求，非正交多址接入(non-orthogonal multiple access，NOMA)技術(shù)被認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信中最為關(guān)鍵的技術(shù)。基于多用戶信息論，非正交的多址接入通過在已有的時(shí)間、頻率和空間等物理資源基礎(chǔ)上，引入了功率域、碼域等新的維度，可以進(jìn)一步提高用戶的連接數(shù)，因此，能夠提供比正交多址接入更大的信道容量。

NOMA技術(shù)既能滿足移動(dòng)業(yè)務(wù)速率的要求，又能提高系統(tǒng)的頻譜效率，是5G無線通信系統(tǒng)的一項(xiàng)有前途的技術(shù)[5]。該技術(shù)能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，引起了世界各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。它不僅滿足不斷增長(zhǎng)的流量需求，而且還支持大規(guī)模的設(shè)備連接[6]。因此，車輛網(wǎng)絡(luò)中NOMA技術(shù)的結(jié)合使得多個(gè)車輛能夠同時(shí)在同一信道上傳輸信息，從而緩解了V2X通信中傳輸容量有限、傳輸延遲不可預(yù)測(cè)等資源沖突。NOMA的基本思想是在發(fā)送端采用非正交傳輸，通過串行干擾抵消(successive interference cancellation，SIC)接收機(jī)主動(dòng)引入干擾信息，在接收端實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)。雖然使用SIC技術(shù)的接收機(jī)的復(fù)雜性有所提高，但是它可以實(shí)現(xiàn)高的頻譜效率。事實(shí)上，NOMA技術(shù)的核心思想是增加頻譜效率以接收機(jī)復(fù)雜度為代價(jià)[7]。隨著5G的深入研究以及芯片處理能力的不斷提升，接收機(jī)的處理復(fù)雜度有了顯著提升，因此非正交多址接入技術(shù)必然會(huì)成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。與碼分多址和正交頻分多址相比，NOMA子信道之間采用正交傳輸。不會(huì)像第三代移動(dòng)通信那樣產(chǎn)生明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)[8]。由于它可以獨(dú)立于用戶反饋信道狀態(tài)信息，在采用功率復(fù)用技術(shù)之后，即使在高速移動(dòng)環(huán)境中也更容易對(duì)可變鏈路狀態(tài)做出響應(yīng)，并且可以提供良好的速度性能。同一子信道上可以由多個(gè)用戶共享，跟第四代移動(dòng)通信相比，在保證傳輸速度的同時(shí)，可以提高頻譜效率，這也是最重要的一點(diǎn)。因此，下一代車載網(wǎng)絡(luò)與NOMA技術(shù)相結(jié)合，可以緩解無線通信的頻譜短缺[9]。

近年來，在車載網(wǎng)絡(luò)中采用NOMA技術(shù)已經(jīng)成為一種流行的方式。文獻(xiàn)[10]研究了NOMA在V2X場(chǎng)景中的潛在容量以及在下一代通信中的困難，從單播系統(tǒng)出發(fā)，提出了基于 NOMA 的頻譜資源分配方案，并擴(kuò)展到廣播系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[11]研究了支持NOMA的5G車載通信系統(tǒng)中干擾管理和切換的關(guān)鍵問題。為了提高基于NOMA的5G車載通信系統(tǒng)的頻譜利用率，適應(yīng)交通負(fù)載條件和高移動(dòng)性，提出了一種分層的功率控制方案，實(shí)現(xiàn)小區(qū)關(guān)聯(lián)和功率控制的聯(lián)合優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]研究了非理想信道估計(jì)下基于NOMA的異構(gòu)車載通信的功率分配問題，論證了車載通信中高移動(dòng)性引起的信道估計(jì)誤差對(duì)實(shí)現(xiàn)有效功率分配和鏈路可靠性的影響，提出了一種改進(jìn)方案。最近，文獻(xiàn)[13]提出了一種空間復(fù)用允許的NOMA-V2X網(wǎng)絡(luò)，并由此構(gòu)造了一個(gè)干涉超圖來解決這一問題。然而該干擾模型只考慮了干擾是否超過一個(gè)固定的門限，并忽略了干擾水平的影響，不能反映真實(shí)的干擾環(huán)境。眾所周知，由于道路交通的實(shí)時(shí)變化，車輛網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的，不可避免地會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳环€(wěn)定的問題。然而，文獻(xiàn)[14]提出了一種通過建立車輛網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連通圖，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袑哟涡院涂蓴U(kuò)展性，通過簇首節(jié)點(diǎn)來降低端到端通信的復(fù)雜性[15]。這種分簇方法已廣泛應(yīng)用于V2X通信中，以提高車載網(wǎng)絡(luò)的性能[16-17]。車載網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展導(dǎo)致了能源消耗的巨大增加，而功率控制是在不降低車載網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋范圍的情況下降低功耗的有效方法[18]。為了平衡簇首節(jié)點(diǎn)之間的功率分配以進(jìn)一步提高下行鏈路的吞吐量，在V2X通信中采用了功率控制方法。如上所述，NOMA已經(jīng)開發(fā)出功率域復(fù)用以滿足高過載傳輸?shù)囊骩10]?；诖?，一些研究人員研究了基于NOMA的V2X通信中的功率控制方案[12，19]。

以上研究表明，基于NOMA的V2X通信將是未來的一個(gè)趨勢(shì)，因?yàn)樗哂刑岣哳l譜效率和改善用戶接入的潛在能力。 因此基于NOMA的車聯(lián)網(wǎng)，如何通過功率分配和用戶配對(duì)算法，進(jìn)一步提高小區(qū)總的吞吐量與小區(qū)邊緣用戶吞吐量的折中還需要進(jìn)一步研究。由于基于資源共享的NOMA-V2X網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的效果受到限制，目前在NOMA應(yīng)用的車載通信場(chǎng)景中的干擾管理問題也仍待有效解決。如何有效利用車輛分簇減少V2X通信的復(fù)雜性以提高道路交通效率以及用NOMA功率控制方法平衡簇首車輛之間的功率分配以進(jìn)一步提高下行吞吐量都亟待深入研究。針對(duì)上述問題提出有效解決方案，從而提高系統(tǒng)性能，是一個(gè)新穎而有意義的研究方向。

車輛分簇被用來降低車輛與一切通信的復(fù)雜性，最終提高道路交通效率?？紤]一個(gè)疊加編碼信號(hào)被傳送到位于兩個(gè)相鄰簇頭車輛(cluster head vehicle, CHV)通信范圍重疊區(qū)域的車輛上。對(duì)于COR-NOMA疊加方案，兩個(gè)CHV都將疊加編碼信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)車輛。此外，該方案可以為研究多CHVs 5G-V2X網(wǎng)絡(luò)提供思路，可應(yīng)用于未來的合作NOMA網(wǎng)絡(luò)，并促使未來的研究基于NOMA和兩個(gè)CHV的分簇重疊區(qū)域的性能改進(jìn)。

(1)為了進(jìn)一步提高遍歷性SR，全面研究COR-NOMA與兩個(gè)CHV的疊加傳輸方案。在信號(hào)接收時(shí)，MRC被用于最大化性能。目前還沒有考慮在5G-V2X網(wǎng)絡(luò)中的簇重疊區(qū)域結(jié)合NOMA技術(shù)，這是一種更為普遍和具有挑戰(zhàn)性的方案。

(2)導(dǎo)出在高信噪比(signal noise ratio, SNR)下傳輸方案遍歷性SR的閉式解，其性能損失可以忽略不計(jì)。值得注意的是，針對(duì)多個(gè)CHVS 5G-V2X網(wǎng)絡(luò)的兩級(jí)疊加傳輸，由于很難得到遍歷SR的精確表達(dá)式，因此很少有研究工作。

(3)從分析和數(shù)值上比較NOMA方案和時(shí)分多址(time division multiple access， TDMA)方案在遍歷SR方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 系統(tǒng)模型

重點(diǎn)研究了由1個(gè)基站和2個(gè)基于NOMA的CHVs構(gòu)成的下行鏈路傳輸方案。根據(jù)遠(yuǎn)近效應(yīng)，功率域NOMA為信道增益好的用戶分配較少的功率資源。2用戶模式不僅代表了用戶之間的權(quán)限域差異，而且有助于協(xié)同NOMA分析和部署。因此，兩輛CHV的功率分配足以說明車輛之間功率分配的關(guān)鍵方面，同時(shí)避免不必要的復(fù)雜化。雖然研究限制在兩個(gè)CHV間，但是所提出的方法可以擴(kuò)展到多個(gè)CHV。

假設(shè)基站(base station, BS)和兩個(gè)CHV之間的距離為d1

然而，由于網(wǎng)絡(luò)的密集拓?fù)?，?dāng)多個(gè)CHV(如圖1所示的CHV1和CHV2)被分配相同的時(shí)頻資源時(shí)，那些位于兩個(gè)相鄰CHV的通信范圍的重疊區(qū)域中的CV[如圖1所示，稱為干擾簇車輛(interference cluster vehicle，CVI)]可能有嚴(yán)重的沖突。在傳統(tǒng)的OMA情況下，沖突的CV可能由于嚴(yán)重的干擾而無法解碼多個(gè)CHV信號(hào)，從而導(dǎo)致額外的重傳延遲。為了降低沖突和傳輸延遲的概率，考慮無線資源的非正交分配，使得一個(gè)子信道可以同時(shí)被多個(gè)CHV占用。與OMA情況相比，CHV-CV鏈路的數(shù)據(jù)速率可以增加，并且每次碰撞的CV(如圖1中的CVI)更有可能使用SIC技術(shù)解碼接收到的疊加信號(hào)。這可以減少數(shù)據(jù)沖突并增加系統(tǒng)支持的用戶數(shù)。

圖1 兩個(gè)分簇場(chǎng)景Fig.1 Two clustering scenarios

BS向兩個(gè)基于NOMA的CHV發(fā)送的消息信號(hào)表示為

式(1)中：ai(i=1,2)為功率分配系數(shù)；S1和S2分別為消息信號(hào)，滿足E[|Si|2]=1。 根據(jù)信道質(zhì)量， 假設(shè)0

式中:hBi為從BS到CHV的瑞利信道衰落系數(shù)， 服從復(fù)高斯分布，均值為0、方差為σBi,即hBi～CN(0,σBi)。同樣地hCHViI為從CHVi到CVI的瑞利信道衰落系數(shù),hCHViI～CN (0,σCHViI)。假設(shè)所有的信道都只受加性高斯白噪聲的影響，n1和n2分別是在CHV1和 CHV2 處、方差為N0的加性高斯白噪聲。

為了確保接收到的信號(hào)被成功解碼并且在CHVs處存在SIC，考慮鏈路BS-CHV的預(yù)定目標(biāo)傳輸速率低于相應(yīng)的可實(shí)現(xiàn)速率。在第一時(shí)間段，對(duì)于傳輸鏈路BS→CHV1，有

因此，傳輸鏈路BS→CHV1的消息S1的可達(dá)數(shù)據(jù)速率為

由于消息S2的信號(hào)功率大于消息S1，因此在CHV2處解碼消息S2的SNR直接可以表示為

傳輸鏈路BS→CHV2的可達(dá)數(shù)據(jù)速率表示為

同樣地，在CHV2處解碼消息S1的SNR可以表示為

在第二個(gè)時(shí)間段，圖2中的CVI接收來自CHV1和CHV2的轉(zhuǎn)發(fā)疊加信號(hào)，即

圖2 應(yīng)用于簇間的疊加編碼信號(hào)傳輸方案Fig.2 Superposition coded signal transmission scheme applied to the clusters

式中：Pv1和Pv2分別為CHV1和CHV2的傳輸功率；bi為新的功率分配系數(shù)，滿足b1+b2=0.5，b1>b2,類似于ai的功率分配假設(shè)。為了簡(jiǎn)化對(duì)V2V通信過程的分析，假設(shè)CHVs具有相同的傳輸功率。通過利用CVI上的最大速率合并(maximum ratio combining，MRC)接收，S1和S2相應(yīng)的接收SNR可以表示為

因此，可達(dá)到的和速率SR可以表示為

2 基于NOMA的簇重疊區(qū)域性能改進(jìn)

本節(jié)詳細(xì)分析了本文方案可達(dá)到的遍歷性SR，并在假設(shè)每個(gè)獨(dú)立信道都經(jīng)歷瑞利衰落的情況下，得到了可達(dá)到的遍歷SR的閉式表達(dá)式。

很明顯，式(17)的導(dǎo)數(shù)相當(dāng)復(fù)雜，故轉(zhuǎn)向一個(gè)近似的較高SNR，即

因?yàn)棣?1，可以得到

對(duì)于式(21)，使用等式

S1遍歷性SR的閉式表達(dá)式可以表示為

最后，S1和S2總的SR閉式表達(dá)式可以表示為

3 仿真與性能評(píng)估

從遍歷SR的角度使用MATLAB仿真軟件檢驗(yàn)提出的COR-NOMA方案的性能，所有結(jié)果的平均值都超過9 000個(gè)信道實(shí)現(xiàn)。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖3 COR-NOMA疊加方案和TDMA方案相對(duì)于傳輸信噪比的遍歷性SR性能Fig.3 The ergodic SR of COR-NOMA superposition scheme and the TDMA schemes

圖4、圖5描述了COR-NOMA疊加方案的遍歷性SR性能與功率分配因子a2和b2的關(guān)系，設(shè)置σB1=σB2=15，σCHV1I=σCHV2I=2。由圖4(a)可知，存在一個(gè)最優(yōu)值a2最大化遍歷性SR。此外，隨著信噪比的增加，對(duì)于最優(yōu)遍歷性SR其對(duì)應(yīng)的a2將接近于1。圖4(b)詳細(xì)顯示了ρ=35 dB的結(jié)果。從圖5可知，觀察到當(dāng)b2接近0.5時(shí)，存在最優(yōu)SR。此外，隨著a2值的增加，相應(yīng)的遍歷性SR也將增加。

圖4 COR-NOMA疊加方案的遍歷性SR性能與功率分配因子a2的關(guān)系Fig.4 The ergodic SR with respect to power allocation factors a2 for the COR-NOMA superposition scheme

圖5 COR-NOMA疊加方案的遍歷性SR性能與功率分配因子b2的關(guān)系Fig.5 The ergodic SR with respect to power allocation factors b2 for the COR-NOMA superposition scheme

圖6比較了COR-NOMA方案的遍歷性SR性能與功率分配因子a2和b1的關(guān)系，設(shè)置σB1=1，σB2=10，σCHV1I=1，σCHV2I=2以及ρ=25、35 dB。由圖6可知，遍歷性SR的最大結(jié)果的5.201 2 bps/Hz和3.905 9 bps/Hz?？傊珻OR-NOMA疊加方案的遍歷性SR具有突出的優(yōu)勢(shì)。

圖6 COR-NOMA疊加方案的遍歷性SR性能與功率分配因子a2和b1的關(guān)系Fig.6 The ergodic SR of the COR-NOMA schemes versus power allocation factors a2and b1

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)的OMA情況下，相鄰兩個(gè)簇之間沖突的車輛可能由于嚴(yán)重的干擾而無法解碼多個(gè)CHV信號(hào)，從而導(dǎo)致額外的重傳延遲。為了降低沖突概率和傳輸延遲，考慮無線資源的非正交分配，提出了COR-NOMA疊加編碼信號(hào)傳輸方案，并推導(dǎo)了可實(shí)現(xiàn)遍歷SR的閉式表達(dá)式。數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，結(jié)果表明，對(duì)于COR-NOMA，遍歷性SR的性能得到了顯著的改善。