車聯(lián)網中基于有效信噪比的HARQ-CGM系統(tǒng)性能研究

余作奔，呂心浩，岑 崗，王中鵬，吳茗蔚

(浙江科技學院 信息與電子工程學院，杭州 310023)

智能交通系統(tǒng)(intelligent transportation system, ITS)是一個綜合了信息、計算機、傳感器及人工智能等先進技術的綜合運輸管理系統(tǒng)。通過行人、車輛及道路基礎設施之間的緊密配合，ITS在一定程度上可以減少交通擁堵和事故的發(fā)生，并降低能源消耗和緩解環(huán)境惡化[1]。車聯(lián)網是ITS的一項關鍵技術，主要負責行人、車輛及道路基礎設施之間的無線連接[2]。車輛對外界信息交互技術(vehicle to everything, V2X)是ITS的核心通信網絡，承擔了車聯(lián)網中各個節(jié)點之間的信息流通任務，在車聯(lián)網中扮演了核心的信息通道角色[3]。

車聯(lián)網采用混合自動重傳請求(hybrid automatic repeat request, HARQ)[4]協(xié)議來提高系統(tǒng)的可靠性[5-6]。重傳協(xié)議采用簡單的重傳機制來降低系統(tǒng)的差錯率，但每次重傳都需消耗相應能量。文獻[7-8]在研究重傳系統(tǒng)的可靠性時均未考慮系統(tǒng)的重傳能耗。在重傳系統(tǒng)中，為了更好滿足瞬時接收包差錯中斷(instantaneous accepted packet error outage, IAPEO)的性能要求，文獻[9]提出了信道增益監(jiān)測(channel gain monitoring, CGM)技術，即接收端只接收信道增益大于預先設定的信道增益閾值的碼字。文獻[10]推導了ARQ-CGM系統(tǒng)的IAPEO、吞吐量及有效吞吐量性能，通過選擇適當?shù)男诺涝鲆骈撝?，ARQ-CGM系統(tǒng)可在任一傳統(tǒng)信噪比下達到IAPEO的性能要求。然而在ARQ-CGM系統(tǒng)中，ARQ和CGM技術都會增加系統(tǒng)的重傳次數(shù)，基于傳統(tǒng)信噪比將不能真實反映ARQ-CGM系統(tǒng)的實際性能。傳統(tǒng)信噪比定義為接收端輸入處的單位比特能量與噪聲功率譜密度的比值，該定義雖反映出系統(tǒng)單次發(fā)射的能耗要求但未體現(xiàn)系統(tǒng)整體的重傳耗能。為了真實反映重傳系統(tǒng)為達到指定誤比特率(bit error rate, BER)所需的實際性能，文獻[11]定義能效為能耗吞吐量與碼字被正確接收概率的乘積，其中能耗吞吐量為碼字中負載的能耗與總能耗的比值。文獻[12]基于能效的定義得出ARQ系統(tǒng)的能效與最大重傳次數(shù)無關。雖然能效同時考慮了系統(tǒng)的能耗與可靠性，但未表明信噪比與可靠性的關系。筆者在文獻[13]中提出了有效信噪比這一概念，有效信噪比在傳統(tǒng)信噪比的基礎上同時考慮了校驗位與重傳能耗的開銷。相比傳統(tǒng)信噪比，有效信噪比更公平地反映了重傳系統(tǒng)的實際性能。在上述研究的基礎上，本文在車聯(lián)網系統(tǒng)中引入CGM技術，基于有效信噪比對車聯(lián)網HARQ-CGM系統(tǒng)的可靠性進行了研究。

1 系統(tǒng)模型

長期演進技術-車載通信(long term evolution-vehicle, LTE-V)被認為是實現(xiàn)車聯(lián)網的重要基石，在LTE-V下行鏈路傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射端以傳輸塊的形式將數(shù)據(jù)從媒體介入控制層(media access control, MAC)傳至物理層，其系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)發(fā)射端的數(shù)據(jù)處理過程可分為傳輸塊處理和物理信道處理。其中，傳輸塊處理包括循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check, CRC)編碼、子塊分割、信道編碼、速率匹配及碼字重組等模塊；物理信道處理包括加擾、調制、層映射、發(fā)射分集預編碼、資源元素映射及正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)調制等模塊。

圖1 長期演進技術-車載通信下行鏈路系統(tǒng)Fig.1 LTE-V downlink system

接收端的數(shù)據(jù)處理過程可視為發(fā)射端的逆過程。接收信號經過物理信道處理和傳輸塊處理后進行CRC校驗并判斷校正子。若校正子為零，則接收端接收該傳輸塊；否則接收端通過反饋信道向發(fā)射端發(fā)送重傳請求，重傳持續(xù)到校正子判斷為零或達到重傳次數(shù)的上限為止。

2 ARQ-CGM系統(tǒng)

2.1 CGM技術

圖2 CGM系統(tǒng)接收端的結構 Fig.2 Receiver structure of CGM system

在移動通信系統(tǒng)中，碼字傳輸時會受到多徑干擾、多普勒頻移及噪聲干擾。為簡化問題，現(xiàn)考慮一個瑞利衰落信道下的簡單移動通信系統(tǒng)。設每個碼字周期內的信道環(huán)境不變，則接收端的接收碼字可以表示為[14]：

y=hx+n。

(1)

式(1)中：h為信道增益；x為發(fā)送碼字；n是均值為0、方差為σ2的復高斯白噪聲。若發(fā)射端等概率發(fā)送碼字，則接收端輸入處的傳統(tǒng)信噪比可以表示為：

(2)

(3)

由式(3)可知，采用CGM技術后，系統(tǒng)接收端成功接收碼字的傳統(tǒng)信噪比將大于預先設定的閾值，從而在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。在瑞利衰落系統(tǒng)中，信道增益的幅度|h|服從瑞利分布，其概率密度函數(shù)[15]可以表示為：

(4)

基于式(4)，CGM系統(tǒng)接收端成功接收一個碼字的概率可以表示為：

(5)

由文獻[13]可知，重傳系統(tǒng)的平均傳輸次數(shù)與接收概率成反比，與最大重傳次數(shù)無關。因而CGM系統(tǒng)的平均傳輸次數(shù)可以表示為：

(6)

式(6)中：LCGM為CGM系統(tǒng)成功接收一個碼字所需的傳輸次數(shù)。式(6)的數(shù)值計算結果如圖3所示。由數(shù)值計算結果可知，平均傳輸次數(shù)隨著信道增益閾值的增加而快速增加，呈指數(shù)增漲趨勢。因此，當信道增益閾值較大時，系統(tǒng)的重傳能耗不能被忽略，傳統(tǒng)信噪比不能真實反映重傳系統(tǒng)的實際性能。

圖3 信道增益閾值與平均傳輸次數(shù)的關系Fig.3 Relationship between channel gain monitoring threshold and average number of transmission

圖4 ARQ-CGM系統(tǒng)接收端的結構 Fig.4 Receiver structure of ARQ-CGM system

圖4為ARQ-CGM系統(tǒng)接收端的結構[9]。ARQ-CGM系統(tǒng)在CGM系統(tǒng)的基礎上增加了CRC校驗。接收端對接收信號進行CGM技術處理后還需進行CRC校驗，若校正子為零，則將該碼字傳遞給用戶；否則丟棄該碼字并再次請求重傳。相比CGM系統(tǒng)，ARQ-CGM系統(tǒng)進一步增加了系統(tǒng)的重傳能耗。

為真實反映重傳系統(tǒng)的實際性能，文獻[13]給出了有效信噪比：

(7)

式(7)中：k為二進制消息序列的信息長度；m為二進制消息序列的長度；L為ARQ-CGM系統(tǒng)成功接收一個碼字所需的傳輸次數(shù)；P為ARQ-CGM系統(tǒng)成功接收一個碼字的概率。

2.2 仿真結果

對上述ARQ-CGM系統(tǒng)進行仿真。系統(tǒng)采用二進制相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)和相干解調，校驗碼采用CRC-4，信道環(huán)境為瑞利衰落信道。圖5為瑞利衰落信道下ARQ-CGM系統(tǒng)的平均傳輸次數(shù)和誤比特率性能。以傳統(tǒng)信噪比為基準比較時，ARQ-CGM系統(tǒng)的誤比特率隨著信道增益閾值的增加而逐漸降低。如圖5(a)所示，ARQ-CGM系統(tǒng)的平均傳輸次數(shù)相對ARQ系統(tǒng)增加較少，因而有效信噪比下的誤比特率曲線右移不明顯。此時，CGM技術提高了ARQ-CGM系統(tǒng)的可靠性。如圖5(b)所示，基于有效信噪比，當信道增益監(jiān)測的閾值為0.3、傳統(tǒng)信噪比大于2 dB時，ARQ-CGM系統(tǒng)的誤比特率低于ARQ系統(tǒng)。此時，CGM技術可以提高ARQ-CGM系統(tǒng)的可靠性。當傳統(tǒng)信噪比小于2 dB時，ARQ-CGM系統(tǒng)的誤比特率高于ARQ系統(tǒng)，此時CGM技術產生的系統(tǒng)可靠性收益低于能耗代價。因此，ARQ-CGM系統(tǒng)的實際所需有效信噪比高于ARQ系統(tǒng)。將該有效信噪比稱為最小有效信噪比，定義為CGM技術提高ARQ-CGM系統(tǒng)性能所需的最小有效信噪比。當ARQ-CGM系統(tǒng)的有效信噪比小于最小有效信噪比時，CGM技術未能明顯提高ARQ-CGM系統(tǒng)的可靠性，且增加了ARQ-CGM系統(tǒng)的重傳次數(shù)。此時應提高系統(tǒng)的傳統(tǒng)信噪比，以降低系統(tǒng)的重傳能耗，從而提高有效信噪比。

圖5 瑞利衰落信道下ARQ-CGM系統(tǒng)性能Fig.5 ARQ-CGM system performance in Rayleigh fading channels

表1 不同信道增益閾值下的最小有效信噪比Table 1 Minimum effective SNR under different channel gain monitoring thresholds

表1列出了多種信道增益閾值下ARQ-CGM系統(tǒng)的最小有效信噪比，由此可知，隨著信道增益閾值的增加，ARQ-CGM系統(tǒng)的最小有效信噪比也逐漸增加。

3 車聯(lián)網中的HARQ-CGM系統(tǒng)

3.1 車聯(lián)網中的HARQ-CGM系統(tǒng)

圖6 車聯(lián)網中HARQ-CGM系統(tǒng)的接收端結構Fig.6 Receiver structure of HARQ-CGM in IOV

參數(shù)類型參數(shù)值子幀長度/bit8 260傳輸模式2×2空頻編碼CRCGCRC8(D)=D8+D7+D4+D3+D+1信道帶寬/MHz10調制類型16階正交振幅調制車輛移動速度km/h60、300、600信道MIMO信道最大重傳次數(shù)3

3.2 仿真結果

仿真采用圖1所示的LTE-V下行鏈路傳輸系統(tǒng)，具體參數(shù)參照表2及3GPP標準[5]，仿真結果如圖7、圖8所示。

圖7為車聯(lián)網中HARQ-CGM系統(tǒng)的誤比特率性能。基于傳統(tǒng)信噪比，當信道增益閾值在0～0.6時，多種信道增益閾值下的系統(tǒng)誤比特率性能相近，然而信道增益監(jiān)測技術會增加系統(tǒng)的平均傳輸次數(shù)。以有效信噪比為基準比較時，車聯(lián)網HARQ-CGM系統(tǒng)的誤比特率曲線隨信道增益閾值的增加而逐漸右移。在低傳統(tǒng)信噪比下，CGM技術未能明顯提高車聯(lián)網HARQ-CGM系統(tǒng)的可靠性，且增加了系統(tǒng)的重傳次數(shù)，此時HARQ-CGM系統(tǒng)的有效信噪比小于最小有效信噪比，需增加傳統(tǒng)信噪比，以降低系統(tǒng)重傳能耗，從而提高有效信噪比。

圖8為多種車輛移動速度下車聯(lián)網HARQ-CGM系統(tǒng)的誤比特率性能?；趥鹘y(tǒng)信噪比，CGM技術提高了HARQ-CGM系統(tǒng)的可靠性。由于CGM技術會增加系統(tǒng)的平均傳輸次數(shù)，因而有效信噪比下，系統(tǒng)的誤比特率曲線會明顯右移。當信道增益閾值為0.5時，基于傳統(tǒng)信噪比，隨著車輛移動速度的增加，系統(tǒng)的可靠性逐漸降低。隨著車輛移動速度的增加，信道環(huán)境逐漸變差，系統(tǒng)的平均傳輸次數(shù)也會逐漸增加，此時基于有效信噪比的誤比特率曲線右移明顯。由此可以說明，車輛移動速度增加會降低系統(tǒng)的可靠性并增加重傳系統(tǒng)的重傳能耗。

圖7 車聯(lián)網中HARQ-CGM系統(tǒng)的誤比特率性能Fig.7 BER performance of HARQ-CGM system in IOV

圖8 多種車輛移動速度下車聯(lián)網中HARQ-CGM 系統(tǒng)的誤比特率性能 Fig.8 BER performance of HARQ-CGM system in IOV at various vehicle movement speeds

4 結 論

CGM技術應用于車聯(lián)網可以提高系統(tǒng)的可靠性，但同時增加了系統(tǒng)的重傳次數(shù)。本文基于有效信噪比研究了CGM技術對車聯(lián)網系統(tǒng)性能的影響。仿真結果表明，只有在中高傳統(tǒng)信噪比下，CGM技術才能提高重傳協(xié)議系統(tǒng)的可靠性。在低傳統(tǒng)信噪比下，CGM技術未能明顯提高系統(tǒng)的可靠性，且增加了系統(tǒng)的重傳能耗，此時ARQ-CGM系統(tǒng)為達到指定誤比特率所需的實際有效信噪比大于ARQ系統(tǒng)。此外，隨著信道增益閾值的增加，ARQ-CGM系統(tǒng)的最小有效信噪比也逐漸增加。在低傳統(tǒng)信噪比下，車聯(lián)網下行鏈路中的HARQ-CGM系統(tǒng)具有類似性能，且隨著車輛移動速度的增加，HARQ-CGM系統(tǒng)的BER和重傳能耗逐漸增加。