王桐 張耀
摘 要:在VANET城市場(chǎng)景中,由于路邊單元(RSU)覆蓋范圍有限,導(dǎo)致移動(dòng)中的部分車輛無(wú)法直接與路邊單元的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(AP)直接進(jìn)行通信,可以通過(guò)路邊單元覆蓋范圍內(nèi)的愿意充當(dāng)中繼角色的中繼車輛(RV)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)幫助源車輛(SV)完成與路邊單元之間通信。在此期間,由于同道干擾的的存在會(huì)對(duì)選擇最優(yōu)中繼車輛過(guò)程造成影響,提出了一種基于適用車輛節(jié)點(diǎn)間通信的Nakagami信道衰減模型的干擾受限場(chǎng)景中的多中繼選擇策略RSILV),該策略降低了中斷概率,優(yōu)化系統(tǒng)性能。
關(guān)鍵詞:VANET;同道干擾;中繼選擇;中斷概率;魯棒性;
1 引言
交通事故因其極強(qiáng)的"殺傷力"被稱為世界"頭號(hào)殺手"。作為智能交通系統(tǒng)重要基礎(chǔ)之一的車輛ad-hoc網(wǎng)絡(luò)(VANETs[1])概念就是在這種需求背景下提出的。VANETs在近些年備受關(guān)注。
文獻(xiàn)[2]提出了一種基于瞬時(shí)鏈路信息的RV車輛節(jié)點(diǎn)選擇方法,但是未考慮帶來(lái)的通道干擾問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]提出一種基于平均鏈路信息的RV車輛選擇算法。
文章結(jié)構(gòu)如下,第2章主要介紹系統(tǒng)模型;第3章主要對(duì)所提RSILV策略及其中斷概率分析;第4章主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)行分析;第5章主要是結(jié)論。
2 模型建立
圖1 .系統(tǒng)模型
考慮的是車載網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的上行鏈路,如圖1所示,該網(wǎng)絡(luò)是由兩個(gè)AP節(jié)點(diǎn)、若干SV節(jié)點(diǎn)和RV節(jié)點(diǎn)組成,這里采用二階段通信方法,它們的通信只能經(jīng)由一個(gè)潛在可用RV節(jié)點(diǎn)簇也就是集合 SRV={1,2…N}完成。根據(jù)分析需要將其分為兩個(gè)集群,分別為集群C1、集群C2。C1由與AP1節(jié)點(diǎn)通訊的相關(guān)SV節(jié)點(diǎn)和RV節(jié)點(diǎn)組成,也就是SV1節(jié)點(diǎn)通過(guò)潛在RV節(jié)點(diǎn)完成與AP1節(jié)點(diǎn)通信,C2由SV2節(jié)點(diǎn)和AP2節(jié)點(diǎn)組成,為SV2節(jié)點(diǎn)直接與AP2節(jié)點(diǎn)通信,完成聯(lián)網(wǎng)過(guò)程。
在潛在RV節(jié)點(diǎn)簇中,第k個(gè)RV節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)為:
(1)
AP1節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)
(2)
x為目標(biāo)集群SV1節(jié)點(diǎn)的信號(hào),x`為相鄰集群SV2節(jié)點(diǎn)的干擾信號(hào),PS和PS`為SV1節(jié)點(diǎn)和SV2節(jié)點(diǎn)發(fā)送單個(gè)符號(hào)的平均功率,hS,k、hS`,k和hk,D為SV1節(jié)點(diǎn)和RVk節(jié)點(diǎn)、SV2節(jié)點(diǎn)和RVk節(jié)點(diǎn)、RVk節(jié)點(diǎn)和AP節(jié)點(diǎn)之間的鏈路信道增益系數(shù),分別服從參數(shù)為Nakagami分布,nk和nD分別為SV1與SVk、SVk與RSU之間鏈路的加性高斯白噪聲,其方差都為N0。由于兩跳信道的對(duì)稱性,所以令ΩS,k=Ωk,D,因此,平均信號(hào)與干擾的功率比為:
(3)
γS,k和γINF分別代表SV1節(jié)點(diǎn)和RVk節(jié)點(diǎn)SNR、SV2節(jié)點(diǎn)和RVk節(jié)點(diǎn)鏈路的干擾與噪聲比(INF)。
放大系數(shù)G為:
(4)
假設(shè)SV節(jié)點(diǎn)和RV節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率相等,
(5)
分別為SV1節(jié)點(diǎn)到RVk節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)信噪比和RVk到AP1的瞬時(shí)信噪比,與之對(duì)應(yīng)的是SV2節(jié)點(diǎn)到RVk的瞬時(shí)信噪比。
(6)
根據(jù)傳統(tǒng)的最大最小RV選擇(Max-Min Relay Selection)推導(dǎo)得出瞬時(shí)SV1節(jié)點(diǎn)到AP1節(jié)點(diǎn)的端到端的瞬時(shí)信號(hào)與噪聲加干擾比SINR為:
(7)
在高信噪比(SNR→)場(chǎng)景中,SINR的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式可以簡(jiǎn)化成:
(8)
根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知,通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),車載網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間一跳平均通信距離為理論距離為150米,在此種距離時(shí)m的值大約為1,所以得到該系統(tǒng)漸進(jìn)性描述信號(hào)與干擾加噪聲比的概率密度函數(shù)(PDF)和積累分布函數(shù)(CDF)分別為:
(9)
3 RSILV策略及其中斷概率分析
所提RSILV策略主要解決RV選擇過(guò)程的同道干擾問(wèn)題。在低信噪比區(qū)域時(shí),公式(7)中傳統(tǒng)項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干擾項(xiàng),也即是傳統(tǒng)項(xiàng)在退化系統(tǒng)性能方面占顯性,可以將公式(7)簡(jiǎn)化為無(wú)干擾的傳統(tǒng)兩跳的無(wú)干擾情況的RV選擇方案;由前邊可知,在高信噪比區(qū)域時(shí),干擾項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)項(xiàng),也就是說(shuō),在影響系統(tǒng)性能退化方面,干擾項(xiàng)占顯性;在中間信噪比區(qū)域,干擾項(xiàng)和傳統(tǒng)項(xiàng)都不占顯性。所以,RSILV策略按區(qū)域不同,分為三種,分別是適用于低信噪比區(qū)域的傳統(tǒng)RV選擇方案(CMRSS);適用于中間信噪比的半漸進(jìn)多RV選擇方案(SARSS);適用于高信噪比區(qū)域的漸進(jìn)多RV選擇方案(AMRSS)。 SAMRSS方案和AMRSS方案是在傳統(tǒng)RV選擇方案基礎(chǔ)上提出的,所以為了介紹RSILY策略,需要先介紹傳統(tǒng)最大最小RV選擇方案。
3.1傳統(tǒng)最大最小中繼選擇
首先考慮的是無(wú)干擾的環(huán)境的傳統(tǒng)RV選擇,可以表示為:
(10)
這種RV選擇方法是為無(wú)干擾場(chǎng)景設(shè)計(jì)的并沒(méi)有充分考慮干擾場(chǎng)景。所提所有策略都可以看成是該傳統(tǒng)選擇策略的拓展。
3.2漸進(jìn)中繼選擇方案AMRSS
第一個(gè)被提出的RV選擇方案是由在高信噪比環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)整體的SINR進(jìn)行漸進(jìn)而產(chǎn)生。該漸進(jìn)中繼選擇方案可以被描述為:
(11)
式中kAsym為被選擇RV的索引值。
因此,相應(yīng)的中斷概率為:
(12)
3.3 半漸進(jìn)中繼選擇方案SAMRSS
半漸進(jìn)選擇方案結(jié)合了傳統(tǒng)RV選擇方案和漸進(jìn)RV選擇方案,它適合“中間”區(qū)域的信噪比。半漸進(jìn)的RV選擇方案可以表示為:
(13)
經(jīng)過(guò)推導(dǎo)后,其中斷概率邊界為:
(14)
4 實(shí)驗(yàn)仿真
令Nakagami-m信道中參數(shù)m=1,Ω=1。圖2,3設(shè)RV數(shù)目為1,分別比較當(dāng)RV總數(shù)N=2 RVs,L=8和當(dāng)RV總數(shù)N=4 RVs,L=4時(shí),不同選擇方案在平均SNR(γ)下的誤碼率。進(jìn)行BPSK調(diào)制。用隨機(jī)RV選擇、干擾最小值的RV選擇、最優(yōu)S-k鏈路RV選擇幾種RV選擇作為BER的參照曲線。首先,可以看出被考慮的結(jié)構(gòu)性干擾限制了AF系統(tǒng)的分集增益。然而,“選擇”過(guò)程可以有效的提高系統(tǒng)性能。通過(guò)與隨機(jī)RV選擇和干擾最小的RV選擇比較,得到RV選擇能夠有效的降低干擾帶來(lái)的影響和提高系統(tǒng)信道容量。其次,與最小干擾選擇和最優(yōu)S→K鏈路RV選擇比較可以看出提出的兩種選擇方案都是最有效的,正如本身就是針對(duì)干擾受限場(chǎng)景設(shè)計(jì)的。此外,在低信噪比區(qū)域傳統(tǒng)RV選擇性能要優(yōu)于漸進(jìn)RV選擇和半漸進(jìn)RV選擇,在該區(qū)域,在影響系統(tǒng)性能降低方面AWGN占顯性,所以,該區(qū)域傳統(tǒng)方案是最有效的選擇方案。
5結(jié)論
在城市VANET場(chǎng)景中V2R通信中為了突破RSU覆蓋范圍有限的限制完成在覆蓋范圍外的SV與RSU的AP進(jìn)行通信過(guò)程,提出了RSILV方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真可以看出該方案能有效緩解由于應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性所帶來(lái)的同道干擾問(wèn)題。
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