基于能效管理的認(rèn)知車載網(wǎng)絡(luò)頻譜接入方案

田 亮，王衛(wèi)鋒

(新鄉(xiāng)學(xué)院計算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003)

基于能效管理的認(rèn)知車載網(wǎng)絡(luò)頻譜接入方案

田 亮，王衛(wèi)鋒

(新鄉(xiāng)學(xué)院計算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003)

在車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，車輛用戶根據(jù)距離接入點(diǎn)(AP)的遠(yuǎn)近使用不同的策略傳輸數(shù)據(jù)，為了控制策略切換造成的能量損耗，提出了一種適用于車載網(wǎng)絡(luò)的能量有效頻譜接入算法。通過車輛用戶與基站的協(xié)作感知，對各個時段車輛用戶的發(fā)射功率聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化，使用戶獲得盡可能多的可用頻譜資源，以最小化車輛用戶總的能量損耗，滿足車輛用戶的QoS需求。仿真結(jié)果最終驗(yàn)證了該算法的有效性。

車載網(wǎng);頻譜資源;吞吐量;能量損耗

有的專用短程通信技術(shù)(Dedicated Short Range Communications，DSRC)是一種適用于短距離快速移動的目標(biāo)識別技術(shù)，基本可以在車輛數(shù)量不多的情況下，完成以上交通管理通信服務(wù)［1－5］。

但是，隨著車輛道路安全服務(wù)的需求不斷增加，可用頻譜資源變得尤為緊缺。認(rèn)知無線電技術(shù)的引入，可以讓應(yīng)急用戶作為次用戶，尋找其所在地址的可用頻譜資源，從而最大可能地完成通信，以有效地解決頻譜資源短缺問題［6－9］。

在本文的工作中，主要關(guān)注的是認(rèn)知車載網(wǎng)絡(luò)的能量損耗問題。提出了一種適用于認(rèn)知車載網(wǎng)絡(luò)的車與路邊設(shè)備之間的通信(Vehicle－to－Infrastructure，V2I)上行鏈路的能量有效的頻譜接入算法，在給定的吞吐量需求和延時限制條件下，設(shè)計出一種新的頻譜接入策略，以最小化系統(tǒng)總的能量損耗。

1 系統(tǒng)模型

考慮V2I網(wǎng)絡(luò)中的上行鏈路的一個簡化模型，包括3個節(jié)點(diǎn)，1個車輛用戶傳輸數(shù)據(jù)給路邊節(jié)點(diǎn)(Access Point，AP)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。假定S表示發(fā)射節(jié)點(diǎn)，D表示AP上的接收節(jié)點(diǎn)。S快速駛向AP節(jié)點(diǎn)。S選擇一個運(yùn)行在S與D中間的車輛用戶作為中繼節(jié)點(diǎn)，記為R。假定每一個節(jié)點(diǎn)都安裝GPS導(dǎo)航，使其可以很方便地獲取節(jié)點(diǎn)的位置信息。由于車輛的快速移動，車載通信會受到路徑損耗衰減、陰影效應(yīng)和多普勒頻移等影響。在本文中，重點(diǎn)研究路徑損耗衰減對系統(tǒng)性能的影響。車輛與AP節(jié)點(diǎn)之間的距離直接影響到信道的容量。當(dāng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)S與D之間的距離很遠(yuǎn)時，S直接將數(shù)據(jù)傳輸給D并不是一個很好的選擇，距離太遠(yuǎn)使得路徑損耗增大。此時，S可以選擇一個中繼節(jié)點(diǎn)R進(jìn)行輔助傳輸。另一方面，當(dāng)S與D之間的距離較近時，S可以直接傳輸數(shù)據(jù)給AP。根據(jù)不同車輛的位置信息，S可以自適應(yīng)地選擇傳輸策略，包括直接傳輸策略和中繼傳輸策略。

圖1 V2I 上行鏈路的系統(tǒng)框圖

假定S總的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為C*，傳輸?shù)淖畲髸r延為T。節(jié)點(diǎn)S通過與AP節(jié)點(diǎn)以及其他車輛用戶合作頻譜感知獲得可用頻段。由于一般的通信周期都比較短(≤100 ms)，所以這里基本可以假定車輛的速度在一個通信周期內(nèi)是恒定的，則S與R之間的距離是恒定的。S的可用頻段帶寬為aB，其中a為帶寬因子，a＞0，B為單位頻段的帶寬。對于S而言，其要想獲得更多的帶寬，就需要對越多的信道進(jìn)行感知，同時也需要付出更多的感知代價，所以需要一個折中。在本文中，感知代價指的是節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)合作頻譜感知時的能量損耗。與S可以與基站合作頻譜感知得到可用頻段進(jìn)行傳輸，不同的是，中繼節(jié)點(diǎn)R是S的一個幫助者，沒有必要格外開銷去進(jìn)行感知。此時，R只能使用Underlay接入模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于是與主用戶共存，其傳輸功率需要嚴(yán)格進(jìn)行控制，以保證對主用戶的干擾在可接受的范圍內(nèi)。

可用時間(最大時延)T可以分為兩個時隙。發(fā)射節(jié)點(diǎn)S與中繼節(jié)點(diǎn)R的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。在第一個時隙，節(jié)點(diǎn)S通過感知得到的頻段傳輸數(shù)據(jù)給R。假定傳輸功率為P1，在該時隙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量為C1，d1為S與R之間的距離，則C1可以表示為

式中:τ表示的是第1個時隙的時長;r為信道的路徑損耗衰減系數(shù);N0表示的是次用戶接收端的噪聲功率;Γ1表示SNR的間隔;i=1，2，3，其表示的是信道實(shí)際容量與理論值之間的差距［10］。當(dāng)t=τ時，節(jié)點(diǎn)S的接入策略切換至直接傳輸策略。在第2個時隙，由于S與D之間的距離變短，S可以直接傳輸數(shù)據(jù)給D。假定d2(t)表示的是S與D之間的距離，這不是恒定的。C2為S在第2個時隙的總的傳輸數(shù)據(jù)量，其可以表示為

式中:P2表示的是S在第2個時隙的傳輸功率。

式中:t∈［τ，T］;L表示的是S與AP之間的初始距離; l0表示的是接收節(jié)點(diǎn)D到汽車行駛直線的垂直距離。

圖2 發(fā)射節(jié)點(diǎn)S與中繼節(jié)點(diǎn)R的結(jié)構(gòu)框圖

中繼節(jié)點(diǎn)R是以半雙工模式工作的，即其不能在接收數(shù)據(jù)的同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在第1個時隙，R接收節(jié)點(diǎn)S傳遞的數(shù)據(jù)信息，而在第2個時隙，R將接受到的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D。R沒有進(jìn)行頻譜感知，其數(shù)據(jù)傳輸是以Underlay接入策略進(jìn)行的，其傳輸功率P3是受限制的。假定C3為R在第2個時隙的總的傳輸數(shù)據(jù)量，可表示為

式中:B1表示的是Underlay接入策略下信道帶寬;Pp表示主用戶的發(fā)射功率;hpd表示的是干擾信道的信道增益; d3(t)表示的是R與D之間的距離，即

式中:t∈［τ，T］。對于節(jié)點(diǎn)D來說，其可以通過DOFDM技術(shù)在第2個時隙同時接收發(fā)射節(jié)點(diǎn)S與中繼節(jié)點(diǎn)R的傳輸數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)的傳輸模型如圖3所示。

圖3 傳輸模型

2 聯(lián)合優(yōu)化算法

在本文中，建立了一個關(guān)于信道帶寬因子a，切換時間和次用戶的發(fā)射功率P1，P2，P3的聯(lián)合優(yōu)化問題，以最小化系統(tǒng)的能量損耗，同時達(dá)到傳輸需求。系統(tǒng)總的能量損耗為

式中:Es表示的是次用戶系統(tǒng)感知單條頻段所需要的能量［11］。中繼節(jié)點(diǎn)R以Underlay模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸功率P3以滿足限制條件p3h3p≤I，I表示的是預(yù)設(shè)的主用戶在該信道的最大可容忍干擾功率。節(jié)點(diǎn)D總的接收數(shù)據(jù)量要不低于預(yù)定值C*。為了避免丟失數(shù)據(jù)，假定中繼節(jié)點(diǎn)R在第1個時隙接收到的數(shù)據(jù)量與第2個時隙轉(zhuǎn)發(fā)出去的數(shù)據(jù)量相等，即C3=C1。該聯(lián)合優(yōu)化問題可以表示為

式中:C3是關(guān)于P的單調(diào)遞增函數(shù)，中繼節(jié)點(diǎn)R更加靠近AP，其路徑損耗最小。因此，中繼節(jié)點(diǎn)將以最大的傳輸能力進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即P3=。通過分析限制條件C3= C1，傳輸功率P1可以改寫成關(guān)于τ與a的函數(shù)，為

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量C1與C2分別為關(guān)于傳輸功率P1和P2的單調(diào)遞增函數(shù)。為了最小化系統(tǒng)的能量損耗，限制條件C2+C3≥C*可以取等號，為C2+C3=C*。同時，C2為關(guān)于切換時間τ的連續(xù)函數(shù)。利用積分中值定理，則存在一個數(shù)ξ，τ≤ξ≤T，此時，C2可以改寫成關(guān)于ξ的函數(shù)

則P2可以改寫為關(guān)于τ與a的函數(shù)

當(dāng)τ=0時，本文給出的接入策略簡化成直接接入策略。在整個傳輸時間內(nèi)，S直接傳輸數(shù)據(jù)給AP，C3= C1=0。此時，優(yōu)化問題P1簡化為一個關(guān)于P2與a的問題

當(dāng)τ=T時，S傳輸數(shù)據(jù)給中繼節(jié)點(diǎn)R。在最大的時延前，D不能夠接收到任何的數(shù)據(jù)，C3=C2=0，這是因?yàn)镈只能在第2個時隙接收S與R的傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)0＜τ＜T時，P1與P2改寫成關(guān)于τ與a的函數(shù)，優(yōu)化問題P1可以改寫成

因?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)R(a，τ)不是關(guān)于τ的凸函數(shù)，所以問題P3不是凸優(yōu)化問題，若是直接對其進(jìn)行求解會很復(fù)雜。為此，將其轉(zhuǎn)化成一個輪流優(yōu)化問題，以減小其計算的復(fù)雜度。

先求關(guān)于a的單變量優(yōu)化子問題。當(dāng)

τ=τ*，該子問題為

定理1:優(yōu)化問題SP1是一個凸優(yōu)化問題。證明:為了證明SP1是一個凸優(yōu)化問題，只需要證明其目標(biāo)函數(shù)R(a，τ*)是凸函數(shù)即可

為了求解問題SP1，可以使用一些經(jīng)典的凸優(yōu)化算法，并得到SP1中最優(yōu)的解a*。當(dāng)a=a*時，得到關(guān)于τ的單變量優(yōu)化問題

目標(biāo)函數(shù)R(a*，τ)是關(guān)于τ的連續(xù)函數(shù)，且其自變量的取值區(qū)間是閉區(qū)間，因此，可以對目標(biāo)函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，并將其等于零，得

由此得到最優(yōu)的τ*和相對應(yīng)的R(a*，τ*)。同時，通過問題P2求解R(a*，0)，并將其與R(a*，τ*)進(jìn)行比較，最小的值即為所求。基于以上分析，可以通過關(guān)于a與τ的輪流優(yōu)化問題對P3進(jìn)行求解，并最終得到最優(yōu)的P1，P2。

3 數(shù)值仿真與分析

下面將對本文所提的算法進(jìn)行數(shù)值仿真與分析。在本文所提的策略中，車輛用戶根據(jù)不同的位置信息自適應(yīng)地選擇接入策略，記為混合接入策略(Hybrid access scheme)，它將與以下兩種策略進(jìn)行性能比較。

1)直接傳輸策略(Direct transmission scheme):S直接傳輸數(shù)據(jù)給D。

2)等間隔切換傳輸策略(Equal switching time scheme):S通過中繼節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)給D，直接傳輸和中繼傳輸策略的切換時間為τ=Τ/2。

車輛的速度設(shè)為v=100 km/h，S與R之間的距離為d1=40m。AP上的接收節(jié)點(diǎn)D距離汽車行駛的垂直距離為l0=15m。根據(jù)預(yù)期的誤碼率BERi，可以得到BER間隔Γi。Γi=ln(5BERi)/(－1.5)，Γ2=4，Γ3= 5。感知單位頻段所消耗的能量為Es=1.5(W·s)。

帶寬為B=B1=1MHz。仿真的其余參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

首先，為了論證本文所提的迭代輪流優(yōu)化算法的收斂性，與文獻(xiàn)［12］的分析相類似，將迭代輪流優(yōu)化算法與窮舉法的性能進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，迭代算法與窮舉法的曲線基本相吻合，這說明本章所提的迭代輪流優(yōu)化算法具有較好的收斂性。

圖4 迭代算法與窮舉法的能量損耗比較

圖5表示的是3種接入策略下總的能量損耗比較，包括混合接入策略、直接接入策略和等時間切換策略。X軸表示的是可用時間(時延門限值)T，S與AP的初始距離固定為L=110m?；旌辖尤氩呗耘c優(yōu)化問題P1相對應(yīng)，并使用迭代輪流優(yōu)化算法求解。等時間切換策略是混合接入策略的一種，兩種策略的切換時間固定為τ=Τ/2。由圖5可以發(fā)現(xiàn)3種策略總的能量損耗隨著可用時間T的增大而減小，這是因?yàn)楫?dāng)可用時間增大時，S會更加接近D。而需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量是一定的，距離越近，其路徑損耗衰減就越小，所需要的能量就越小。同時，可以看出本文所提的混合接入策略性能比其余兩種要好，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)S在根據(jù)車輛的位置信息來最優(yōu)選擇不同的接入策略。而在直接接入策略中，總的吞吐量減小，當(dāng)S距離D較遠(yuǎn)時，需要更多的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而在等時間切換策略中，由于切換時間是固定的，并不是最優(yōu)的，其系統(tǒng)性能受到了影響。當(dāng)T增大時，S有更多的機(jī)會切換至中繼傳輸策略，混合接入策略的優(yōu)勢變得更加明顯。混合接入策略是一種普遍的接入策略，與另外兩者相比，其更加靈活，系統(tǒng)的參數(shù)均得到了優(yōu)化處理，性能更優(yōu)。

圖5 能量損耗隨延時門限的變化(L=110m)

圖6和圖7表示的是總的能量損耗隨著S到AP的初始距離L變化的情況，可用時間固定為T=1.2 s。圖6中，車輛的運(yùn)行速度是恒定的，均為v=100 km/h;而在圖7中，車輛的速度可變，且不相等。S的速度是vs=30t+ 20(km/h)，中繼節(jié)點(diǎn)R的速度為vR=20t+20(km/h)。由圖7可以看出，無論車輛的速度是否是恒定的，本文所提的混合接入策略性能均是最優(yōu)的，當(dāng)距離L變小時，這種優(yōu)勢會更加明顯。這是因?yàn)楫?dāng)初始距離L縮短時，在一個可用時間內(nèi)的變化會很明顯，這樣本文所提出的混合接入策略切換有更多的機(jī)會。同時，當(dāng)距離L增大時，在一個可用時間內(nèi)，車輛運(yùn)行帶來的位置變化不是很大，3種策略的性能變得接近。

圖6 能量損耗隨節(jié)點(diǎn)S與AP距離的變化(T=1.2 s，速度恒定)

4 小結(jié)

本文將認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用到車載網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種適用于車載網(wǎng)絡(luò)的V2I上行鏈路的能量有效頻譜接入策略。車輛節(jié)點(diǎn)利用GPS實(shí)時獲得自身的位置信息及與AP之間的距離，自適應(yīng)地選擇不同的傳輸策略(直接傳輸策略和中繼傳輸策略)。發(fā)射節(jié)點(diǎn)S通過頻譜感知獲得可用頻段，中繼節(jié)點(diǎn)作為一個幫助者，不參與頻譜感知，直接以Underlay策略進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣就做到了節(jié)點(diǎn)的傳輸功率、兩者策略之間的切換時間以及感知的頻段寬度被聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化，以最小化系統(tǒng)總的能量損耗，同時，滿足系統(tǒng)的QoS需求。仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。

圖7 能量損耗隨節(jié)點(diǎn)S與AP距離的變化(T=1.2 s，速度變化)

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Spectrum Access Scheme Based on Energy Efficient M anagement in Cognitive Vehicle Network

TIAN Liang，WANGWeifeng
(Department of Computer and Information Engineering，Xinxiang University，Henan Xinxiang 453003，China)

In the vehicular network system，the vehicle users transmit data using different strategies based on the distance to the access point(AP)，to control the energy losswith switching strategy.A suitable in－vehicle network energy efficientspectrum accessalgorithm is proposed.Through the vehicle users and the base station cooperative sensing，the transmit power of the united with various periods is optimized，allowing users to get asmuch available spectrum resources asmore，in order tominimize the totalenergy consumption，at the same timemeeting the QoS requirements of the vehicle users.Simulation results verify the effectiveness of the algorithm eventually.

vehicular network;spectrum resource;throughput;energy consumption

TN919.8

A

田 亮(1982— )，副教授，研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)、帶寬測量。

?? 盈

2013－12－12

【本文獻(xiàn)信息】田亮，王衛(wèi)鋒.基于能效管理的認(rèn)知車載網(wǎng)絡(luò)頻譜接入方案［J］.電視技術(shù)，2014，38(13).

河南省科技廳2013年基礎(chǔ)與前言項(xiàng)目(132300410204)