基于速度分簇的D2D車載通信中繼協(xié)作傳輸策略*

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）

1 引言

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。

2 車輛分簇

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

2.1 簇頭的選擇

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。

2.2 簇的維護(hù)

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)。

3 中繼

3.1 車輛中繼

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：

3.2 改進(jìn)的中繼算法

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：

4 數(shù)值分析

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

5 結(jié)論

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。

[1] Zhou K, Gui J, Xiong N. Improving cellular downlink throughput by multi-hop relay-assisted outband D2D communications[J]. Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking, 2017,2017(1): 209.

[2] 彭軍,馬東,劉凱陽(yáng),等. 基于LTE D2D技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)通信架構(gòu)與數(shù)據(jù)分發(fā)策略研究[J]. 通信學(xué)報(bào), 2016,37(7):62-70.

[3] Bao J, Wu J, Liu C, et al. Optimized Power Allocation and Relay Location Selection in Cooperative Relay Networks[J]. Wireless Communications & Mobile Computing, 2017(2): 1-10.

[4] Choi S H, Back J S, Han J S, et al. Channel estimations using extended orthogonal codes for AF multiple-relay networks over frequency-selective fading channels[J].IEEE Trans. on Vehicular Technology, 2014,63(1): 417-423.

[5] Som P, Chockalingam A. Bit error probability analysis of SSK in DF relaying with threshold based best relay selection and selection combining[J]. IEEE Communication Letters, 2014,18(1): 18-21.

[6] 羅驥. 基于自適應(yīng)中繼的認(rèn)知協(xié)作網(wǎng)絡(luò)功率分配[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2017,43(7): 151-155.

[7] 章堅(jiān)武,蔣靜,包建榮,等. 混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)的增強(qiáng)選擇策略及性能分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2017,48(6): 1545-1551.

[8] 衛(wèi)鵬偉,何加銘,曾興斌. 基于城市道路的穩(wěn)定車載網(wǎng)分簇路由策略[J]. 移動(dòng)通信, 2014,38(24): 36-41.

[9] 陳培菊,唐倫,陳前斌. 車載自組織網(wǎng)絡(luò)中基于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的簇路由協(xié)議[J]. 計(jì)算機(jī)工程,2013,39(3): 87-92.

[10] J Lee, J H Lee. Relay assignment schemes for multiuser DF-AF cooperative wireless networks[C]//Vehicular Technology Conference(VTC Fall), 2011: 1-5.

[11] 蘇英彥. 多用戶AF協(xié)作通信系統(tǒng)中的用戶—中繼及天線選擇方案研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué),2017.

[12] Xuesong Liang, Shi Jin, Xiqi Gao, et al. Outage performance for interference-limited decodeand-forward two-way relaying network[C]//IEEE Conference on Global Communications, 2012: 4554-4559. ★