LTE—D2D架構(gòu)下的車輛分簇中繼機(jī)制

何新宇

摘 要 隨著汽車普及率的不斷提高，汽車在給人們出行帶來便利的同時(shí)，也給道路交通帶來了諸多問題，車聯(lián)網(wǎng)（VANET）技術(shù)作為解決道路交通系統(tǒng)中安全及效率問題的有效手段得到了極大的發(fā)展。目前針對車聯(lián)網(wǎng)場景的LTE-V技術(shù)應(yīng)用越來越廣。由于基站與道路中每輛車的信道質(zhì)量和路徑損耗的差異，使得其很難為道路中所有車輛提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。本文基于LTE-V的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，針對處于基站覆蓋邊緣以及與基站信道質(zhì)量差的車輛接收數(shù)據(jù)的成功率低而造成系統(tǒng)可靠性差的具體問題，提出了一種新的分簇中繼方案。該方案將數(shù)據(jù)分階段進(jìn)行傳輸，第一階段由基站發(fā)送數(shù)據(jù)，而第二階段在成功接收數(shù)據(jù)的車輛中結(jié)合信號接收強(qiáng)度與信道質(zhì)量選擇最合適的簇頭作為中繼節(jié)點(diǎn)，并以D2D通信的方式向簇內(nèi)車輛傳輸數(shù)據(jù)。最后在Matlab的平臺(tái)下對系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真，并證明了該方案可以明顯增加簇內(nèi)車輛成功接收數(shù)據(jù)的概率，提高系統(tǒng)的可靠性。

【關(guān)鍵詞】VANET LTE-V 分簇 中繼 可靠性

1 引言

LTE-V是以LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為車車通信的基礎(chǔ)，主要解決車輛之間的信息共享問題。車輛主動(dòng)安全應(yīng)用是其核心應(yīng)用場景。LTE-V包括集中式（LTE-V-Cell）和分布式（LTE-V-Direct）兩種技術(shù)。其中LTE-V-Direct引入了LTE-D2D（Device-to-Device），數(shù)據(jù)通信無需經(jīng)過基站，實(shí)現(xiàn)車車之間的直接通信，承載車輛的主動(dòng)安全業(yè)務(wù)[1]。LTE-D2D有三種模式的通信場景：蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制場景[2]；蜂窩網(wǎng)絡(luò)輔助場景；無蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景。其中蜂窩網(wǎng)絡(luò)輔助是最常見的形式：在該場景下，基站無需花費(fèi)大量開銷去調(diào)度與管理，只需利用其全局信息，為D2D用戶提高少量必需的控制信息，輔助D2D用戶進(jìn)行資源調(diào)度；而D2D用戶則是以自主的方式對環(huán)境信息進(jìn)行感知，獲取關(guān)鍵消息，進(jìn)行資源管理。在D2D通信中，共存方式分為兩種：underlay和overlay模式。Underlay模式簡單來說就是D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的資源；而Overlay模式則是D2D通信有專有的通信頻段分配。所以對于共存模式的選擇的主要依據(jù)就是對于蜂窩用戶的干擾。如果D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶資源，會(huì)對主用戶造成很大的干擾，為了避免該干擾，保證蜂窩通信的質(zhì)量，此時(shí)會(huì)選擇overlay的共存模式；而如果干擾有限，為了提高資源頻譜的利用率，則選用underlay模式更佳。

在車聯(lián)網(wǎng)中，同一區(qū)域內(nèi)的車輛請求的數(shù)據(jù)是相同的，并且在道路中車輛的分布是比較多的，故可將此類車輛歸為同一簇中。此時(shí)利用基站采用同一頻率向簇內(nèi)同時(shí)發(fā)送相同的信息可以提高資源利用率。然而在上述多播場景中，每輛車接收到的信號強(qiáng)度以及與基站的傳輸質(zhì)量各有差異，所以要使道路中所有車輛都得到滿意的服務(wù)比較困難。目前最常見的解決辦法是基站根據(jù)傳輸質(zhì)量最差的車輛，降低組播速率，確保道路中的車輛都能正確接收數(shù)據(jù)[3]，而如果道路中只有少數(shù)車輛的信道質(zhì)量差，該方法的資源利用率極低；而一旦基站以較大傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)的話，系統(tǒng)的可靠性又不能得到保障。文獻(xiàn)[4]提出的數(shù)據(jù)分層思路將基站組播信息歸為基本層消息和增強(qiáng)型消息，為了保證車輛能正確接收基本層消息，基站將會(huì)以較低速率組播該消息。為了增多成功接收數(shù)據(jù)的車輛數(shù)目，文獻(xiàn)[5]提出了分段傳輸思想，第一階段基站以比較大的組播速率向車輛發(fā)送數(shù)據(jù)，第二階段成功接收數(shù)據(jù)的車輛以D2D的方式向未完全成功接收的車輛發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)第二階段發(fā)送數(shù)據(jù)的車輛必須根據(jù)車輛D2D鏈路最差質(zhì)量確定最低組播速率，所以資源利用率很低。

本文在上述觀點(diǎn)基礎(chǔ)之上，基于消息傳輸可靠性的目標(biāo)，提出了一種新的車輛分簇中繼方案，結(jié)合D2D多播技術(shù)，將數(shù)據(jù)分階段進(jìn)行傳輸。首先將道路中向基站請求相同數(shù)據(jù)的車輛分為同一簇中；其次，在完全成功接收基站信息的車輛中基于信道質(zhì)量與信號強(qiáng)度選舉簇頭作為第二階段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的最佳車輛；最后，再結(jié)合D2D多播技術(shù)，將數(shù)據(jù)由簇頭車輛對道路中未完全成功接收的車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

2 系統(tǒng)模型

本文提出的道路交通模型如圖1所示，考慮單小區(qū)覆蓋模型?；痉植荚谒臈l互相交叉的直道中間，道路為單向單行類型。在同一條道路上車輛的行駛方向相同，車輛既可以與基站直接通信，也可以實(shí)現(xiàn)D2D終端直連通信。由于車輛在行駛過程中，為了保證安全性與提高行駛效率，需要得知附近車輛的消息與地理位置消息、路口紅綠燈消息、前方道路擁堵情況、道路服務(wù)情況如加油站等一系列信息。而在車聯(lián)網(wǎng)中，處于相近區(qū)域的行駛方向相同的車輛向基站請求的數(shù)據(jù)往往是相同的，此時(shí)我們就可以根據(jù)車輛的地理位置將向基站請求相同數(shù)據(jù)的車輛分到同一個(gè)簇中，后續(xù)將對具體分簇中繼方案進(jìn)行討論。基站與D2D用戶以及D2D用戶之間的信道模型采用的是瑞利信道[6]。

在上述場景中，四條道路都在基站的覆蓋范圍之內(nèi)，為了簡便后續(xù)分析，我們抽出其中一條直道的車輛進(jìn)行單獨(dú)分析?；鞠蛘埱笙嗤瑪?shù)據(jù)的車輛發(fā)生信息，由于車輛與基站的信道質(zhì)量各有差異，將會(huì)導(dǎo)致簇內(nèi)的部分車輛不能正確接收數(shù)據(jù)。而如果在簇內(nèi)根據(jù)一定算法選舉簇頭，在簇內(nèi)根據(jù)D2D多播規(guī)則，由簇頭作為中繼節(jié)點(diǎn)，并將基站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給未成功接受的D2D車輛。如此可以提高資源利用率，降低基站的負(fù)載，提高通信的可靠性[3]。為了簡化該模型的分析，在此提出一些合理的假設(shè)：

（1）所有車輛均在基站覆蓋范圍之下，車輛既可以與基站進(jìn)行蜂窩通信，互相之間也可以以D2D終端直連方式通信；

（2）基站可以即時(shí)知道車輛的地理位置以及網(wǎng)絡(luò)中各信道的質(zhì)量；

（3）通信信道均采用瑞利信道；

（4）每輛車輛均有獨(dú)一無二的ID標(biāo)示。

（5）D2D車輛采用正交復(fù)用方式，不考慮蜂窩用戶與D2D用戶的互相干擾問題。

3 車輛分簇中繼方案

我們首先確定分簇中繼方案中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€(gè)階段：

（1）根據(jù)不同業(yè)務(wù)簇的要求，基站以發(fā)射功率P與組播速率R進(jìn)行多播；

（2）在成功接收的車輛中，選舉簇頭，然后由簇頭作為中繼，將數(shù)據(jù)以D2D多播的方式傳輸給簇內(nèi)其他車輛。

所以接下來提出的基于信道質(zhì)量與信號強(qiáng)度結(jié)合的分簇中繼方案主要解決了上述的三個(gè)問題：如何判斷車輛是否成功接收到了數(shù)據(jù)、如何建立分簇模型以及如何進(jìn)行中繼。

根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)中車輛請求數(shù)據(jù)的特殊性，在相近區(qū)域內(nèi)的車輛會(huì)向基站請求相同的信息，所以在簇建立的初始階段，本算法首先會(huì)將向基站請求相同數(shù)據(jù)的車輛劃分為一個(gè)簇。在劃分簇區(qū)域的步驟完成之后，由于基站向簇內(nèi)車輛組播相同數(shù)據(jù)后，信噪比低于閾值的車輛將不能正確接收數(shù)據(jù)，所以接下來的工作就是在每一個(gè)簇內(nèi)選舉合適的車輛作為簇頭中繼，將數(shù)據(jù)以D2D多播的方式傳遞給第一階段未成功接收數(shù)據(jù)的車輛，以提高系統(tǒng)的可靠性。

本算法在確保第一階段基站數(shù)據(jù)的成功接收的情況下，從成功接收數(shù)據(jù)的車輛集合中進(jìn)行第二階段D2D通信的簇頭選舉。在第二階段數(shù)據(jù)傳輸之前，第一階段成功接收數(shù)據(jù)的車輛都將會(huì)向簇內(nèi)其他車輛發(fā)送RTS信息，而接收到RTS的信息又將會(huì)向發(fā)送數(shù)據(jù)的車輛回饋一個(gè)CTS信息。此時(shí)簇內(nèi)各個(gè)備選的簇頭節(jié)點(diǎn)將會(huì)根據(jù)CTS信息估計(jì)與其他車輛的信道質(zhì)量。需要注意的是此處的RTS和CTS信息都是測試信號，并且每輛車都是以相同功率發(fā)送該測試信號，主要目的就是在數(shù)據(jù)傳輸之前估計(jì)信道質(zhì)量。

通過式（3），我們不難發(fā)現(xiàn)在本系統(tǒng)中，信噪比的大小其實(shí)與路徑損耗以及信道增益有關(guān)，而在頻率一樣的情況下，路徑損耗又與發(fā)送端與接收端的距離d成正比。所以我們規(guī)定在簇內(nèi)與其他車輛的平均信道增益越大并且平均距離越短的車輛更容易被推選成為簇頭。平均信道增益可以根據(jù)測試信號的發(fā)送與回饋得到估計(jì)值，而簇內(nèi)各車輛的距離是已知的。此時(shí)設(shè)定一個(gè)參數(shù)εij，其與距離成反比，與信道增益成正比，如式（8）所示，εij越大，車輛越容易成為簇頭。

根據(jù)上述推選簇頭的規(guī)則選出的簇頭車輛是唯一的。然后簇頭車輛就會(huì)作為中繼節(jié)點(diǎn)，將自身收到的數(shù)據(jù)以D2D多播方式向簇內(nèi)其他車輛進(jìn)行傳輸。此時(shí)就需要根據(jù)式（4）統(tǒng)計(jì)簇內(nèi)能成功接收數(shù)據(jù)的車輛數(shù)目。

現(xiàn)存的LTE-D2D分簇算法大多根據(jù)功率控制原理，得出D2D用戶的最低發(fā)射功率，然后以高于最低發(fā)射功率的固定功率對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，靈活性和可調(diào)性較差，并且其將D2D轉(zhuǎn)發(fā)模式與蜂窩通信的性能進(jìn)行比較的時(shí)候，將前后兩次的基站發(fā)射功率設(shè)為一致，影響了仿真結(jié)果的科學(xué)性。在本文提出的分簇中繼算法當(dāng)中，充分的考慮到這一問題，提出了兩個(gè)觀點(diǎn)：蜂窩通信與D2D協(xié)助通信的兩種情況下，保持系統(tǒng)總發(fā)射功率的一致性；簇頭車輛進(jìn)行D2D多播時(shí)，該發(fā)射功率可動(dòng)態(tài)調(diào)整?；谝陨嫌^點(diǎn)，我們可以很容易的得到如下結(jié)論：如果車輛接收數(shù)據(jù)均是通過基站組播的形式，此時(shí)的基站發(fā)射功率為P；而如果考慮簇頭車輛接收基站數(shù)據(jù)隨后以D2D多播方式進(jìn)行發(fā)送，此時(shí)的簇頭車輛發(fā)射功率為P1，而基站的發(fā)射功率為P0，滿足以下（9）式：

上述準(zhǔn)備工作完成之后，接下來就需要判斷能成功接收簇頭車輛D2D多播數(shù)據(jù)的簇內(nèi)車輛數(shù)目。該依據(jù)有兩個(gè)：首先簇頭車輛發(fā)射功率必須處于最小發(fā)射功率與D2D通信系統(tǒng)規(guī)定的最大發(fā)射功率之間；其次D2D通信車輛的信噪比必須高于β2。然后引入?yún)?shù)fij，同時(shí)滿足上述兩個(gè)依據(jù)時(shí)，將該參數(shù)記為1，表示簇內(nèi)車輛能夠成功接收簇頭車輛發(fā)送的信息，否則將參數(shù)置為0，參數(shù)矩陣如下式（12）所示。

4 仿真結(jié)果

根據(jù)上述提到的單小區(qū)覆蓋道路模型，本文基于Matlab系統(tǒng)搭建仿真平臺(tái)，將本文提出的分簇中繼算法與其他數(shù)據(jù)發(fā)送方式的性能進(jìn)行比較與分析。仿真參數(shù)具體設(shè)置如表1所示。

從圖2中可以看出利用本文提出的分簇中繼方案與前兩種方案相比，可以明顯的增多簇內(nèi)數(shù)據(jù)成功接收的車輛數(shù)目。而且從圖中的走勢來看，當(dāng)簇內(nèi)車輛比較少的時(shí)候，這種性能優(yōu)勢還不是特別明顯，而隨著簇內(nèi)的車輛越來越多，可以看出圖中代表分簇中繼方案性能的曲線的斜率越來越大，說明了在簇內(nèi)車輛總數(shù)增加相同的情況下，分簇中繼方案所能成功接收數(shù)據(jù)的車輛增加的比前兩種方案更快。

從圖3中數(shù)據(jù)成功接收的CDF也能清楚的看出：在簇內(nèi)車輛數(shù)目為10輛時(shí)，在基站組播方案中，簇內(nèi)將有很大一部分車輛不能成功接收數(shù)據(jù)；而在簇中如果引入一個(gè)隨機(jī)中繼，分階段的將數(shù)據(jù)傳輸出去，性能將會(huì)得到改善。如圖3的藍(lán)色曲線所示，在隨機(jī)中繼方案中，成功接收數(shù)據(jù)車輛數(shù)目小于等于5的概率為0.31左右，利用該方案所能正確接收數(shù)據(jù)的車輛數(shù)目主要分布在6、7輛范圍之內(nèi)，成功接收數(shù)據(jù)的車輛在7輛及7輛以上的概率提升到了0.48左右；如果利于本文提出的分簇中繼方案，成功接收數(shù)據(jù)車輛數(shù)據(jù)小于5的概率僅為0.15左右，利用該方案所能正確接收數(shù)據(jù)的車輛數(shù)目主要分布在7到9輛范圍之內(nèi)，成功接收數(shù)據(jù)的車輛在7輛及7輛以上的概率進(jìn)一步提升到0.72左右，當(dāng)然成功接收數(shù)據(jù)的車輛為9輛及以上的概率也有0.22上下。

圖4描述了利用本文提出的分簇中繼方案與隨機(jī)中繼方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)平均容量。從圖中可以明顯看出：利用分簇中繼方案后系統(tǒng)平均容量較隨機(jī)中繼方式有了提升。該現(xiàn)象說明了分簇中繼方案可以更加有效的利用信道資源。

從上述的仿真結(jié)果分析可以看出，利用本文提出的分簇中繼方案可以明顯增多簇內(nèi)車輛成功接收信息的數(shù)目與概率，可以提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性，并提高信道利用率。因?yàn)槔没径嗖シ桨?，?shù)據(jù)只有單個(gè)階段的傳輸過程并且網(wǎng)絡(luò)中車輛與基站的傳輸質(zhì)量有所差異，所以造成成功接收的概率比較低；而如果引入隨機(jī)中繼，在系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)分階段傳輸，性能會(huì)有所提高，但是由于簇內(nèi)中繼是隨機(jī)選舉的，其與基站的傳輸質(zhì)量以及與D2D車輛的傳輸質(zhì)量都得不到保證，所以網(wǎng)絡(luò)性能并沒有得到很大改善；最后引入的分簇中繼方案，在簇內(nèi)要根據(jù)其與基站的傳輸質(zhì)量以及其與D2D車輛的傳輸質(zhì)量選舉最合適的簇頭，然后才將數(shù)據(jù)進(jìn)行分階段傳輸，很好的保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并且大幅度的提升了網(wǎng)絡(luò)的性能。

圖5描述了第一階段基站以γP向車輛組播數(shù)據(jù)，第二階段簇頭車輛以（1-γ）P的發(fā)射功率向簇內(nèi)用戶組播數(shù)據(jù)時(shí)簇內(nèi)車輛數(shù)目與兩個(gè)階段成功接收數(shù)據(jù)車輛總數(shù)目的關(guān)系圖。其中γ取1為純基站組播方式，而由于在LTE-D2D系統(tǒng)中，規(guī)定D2D車輛的最大發(fā)射功率為23dBm，即200mW，所以γ最小取得0.8。如圖5所示，當(dāng)簇內(nèi)車輛為10輛時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)簇頭的發(fā)射功率太小時(shí)，即使此時(shí)基站的發(fā)射功率比較大，簇內(nèi)成功接收數(shù)據(jù)的車輛都偏少；而隨著簇頭發(fā)射功率的逐步增加，成功接收概率會(huì)得到逐步的提升；最后當(dāng)簇頭發(fā)射功率增長到170mW到200mW之間時(shí)，系統(tǒng)的性能趨于一個(gè)平穩(wěn)緩慢增長的過程。究其原因：當(dāng)簇頭發(fā)射功率太小時(shí)，雖然基站的發(fā)射功率大，第一階段數(shù)據(jù)的成功接收率高，然而此時(shí)第二階段的數(shù)據(jù)傳送成功率由于簇頭的發(fā)射功率太低就得不到保障；而隨著基站發(fā)射功率的降低，簇頭發(fā)射功率的提升，成功接收車輛數(shù)目在170mW到200mW區(qū)間內(nèi)區(qū)域穩(wěn)定，說明此時(shí)通過基站的發(fā)射功率與D2D簇頭的發(fā)射功率的權(quán)衡使得系統(tǒng)的性能達(dá)到了一個(gè)比較穩(wěn)定且可靠的狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文在LTE-D2D的架構(gòu)下，提出了一種新的基于信號強(qiáng)度與信道質(zhì)量的分簇中繼方案，該方案在控制基站與簇頭車輛總發(fā)射功率不變的情況下，首先將數(shù)據(jù)從基站向車輛進(jìn)行組播，接著確定簇頭車輛后，以簇頭作為中繼節(jié)點(diǎn)向第一階段未成功接收數(shù)據(jù)的車輛進(jìn)行D2D多播。最后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析可以得到該分簇中繼方案可以明顯提高系統(tǒng)車輛接收數(shù)據(jù)的成功率，提高通信的可靠性，并提升系統(tǒng)中的信道利用率。

參考文獻(xiàn)

[1]黃海峰.LTE-V車聯(lián)網(wǎng)即將“開花結(jié)果”中國企業(yè)積極參與[J].通信世界，2016（26）：48-48.

[2]Asadi A，Mancuso V.WiFi Direct and LTE D2D in action[C]//Wireless Days （WD），2013 IFIP. IEEE，2013：1-8.

[3]王俊義，鞏志帥，符杰林，等.基于多跳 D2D 轉(zhuǎn)發(fā)的簇內(nèi)數(shù)據(jù)共享方案[J]. Computer Science， 2015，42（08）：124-127.

[4]Yu C H，Tirkkonen O，Doppler K，et al. On the performance of device-to-device underlay communication with simple power control[C]//Vehicular Technology Conference，2009.VTC Spring 2009.IEEE 69th.IEEE，2009：1-5.

[5]Hou F，Cai L X，Ho P H，et al.A cooperative multicast scheduling scheme for multimedia services in IEEE 802.16 networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8（03）：1508-1519.

[6]Wang L， Tang H， Wu H， et al. Resource Allocation for D2D Communications Underlay in Rayleigh Fading Channels[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016：1-1.

[7]彭博.蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)的多播組播增強(qiáng)技術(shù)：[碩士學(xué)位論文].北京：北京郵電大學(xué)，2014.

[8]Fedrizzi A，Ursin R，Herbst T，et al.High-fidelity transmission of entanglement over a high-loss free-space channel[J].Nature Physics，2009，5（06）：389-392.

作者單位

同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院 上海市 208104