基于信噪比門限的車載協(xié)作通信功率分配優(yōu)化方案

吳琪 邱斌 蔣為 李婉瑩

摘 ?要： 在車聯(lián)網(wǎng)中，車流量的實時改變以及安全信息的廣播通信模式會對信道負(fù)載產(chǎn)生影響。當(dāng)車輛密度較高時，信道的擁塞會導(dǎo)致安全信息的廣播作用失效;當(dāng)車輛密度較小時，采用大功率發(fā)送安全信息會導(dǎo)致能量的利用率較低。針對該問題，提出基于信噪比門限的車載協(xié)作通信功率優(yōu)化分配方案。首先，建立通用的交通流信道模型;然后，根據(jù)信噪比捕獲效應(yīng)模型來確定合適的協(xié)作節(jié)點;最后，通過系統(tǒng)的中斷概率推導(dǎo)出源節(jié)點功率和協(xié)作節(jié)點功率分配表達式。數(shù)值分析表明，該方案在車輛密度較小時與等功率分配方案相比，總功率降低11.5 dBm，在車流密度較大時與等功率分配方案相比，平均信道容量提高57 bit·s-1·Hz-1。

關(guān)鍵詞： 車聯(lián)網(wǎng); 協(xié)作通信; 時變信道; 擁塞控制; 信噪比門限; 功率優(yōu)化

中圖分類號： TN949.6?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）07?0010?04

Optimal power allocation scheme for multi?vehicle cooperative

communication based on SNR threshold

WU Qi1， QIU Bin1， 2， JIANG Wei1， LI Wanying1

（1. School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China;

2. College of Information Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： In VANET， the real?time traffic change and the broadcast communication mode of security information have influence on the channel load. The high vehicle density leads to channel congestion that results in the failure of the broadcast of safety information. The low vehicle density brings about low energy utilization due to high?power safety information sending. To solve this problem， an optimal power allocation scheme is presented for multi?vehicle node cooperative communication based on SNR threshold. In the scheme， a commonly?used model is established first to describe accurately the traffic road， and then， the appropriate cooperative node is determined according to the capture effect of the SNR model， and the distribution expression of source node power and cooperative node power is derived on the basis of the outage probability of the cooperative communication system. Numerical simulation results show that， when the vehicle density is low， the total power is reduced by 11.5 dBm， and when the vehicle density is high， the average channel capacity is increased by 57 bit·s-1·Hz-1 in comparison with equal power allocation scheme.

Keywords： VANET; cooperative communication; time?varying channel; congestion control; SNR threshold; power optimization

0 ?引 ?言

V2V（Vehical to Vehical）通信是指車車通信，信息能夠在車輛之間進行傳輸。車輛與其附近的車輛組成一個臨時的自組織網(wǎng)絡(luò)來傳輸車輛信息。V2V主要用于車輛的行駛安全方面，例如，車輛近距離危險警告、緊急車輛避行等其他安全性方面的應(yīng)用。通過V2V可以避免交通事故、緩解交通壓力、提高交通安全性和效率[1?2]。

然而在V2V通信中，車流量的實時改變以及廣播通信模式對信道負(fù)載會有影響[3?4]。車輛密度較高時，信道會有擁塞情況;車輛密度較小時，較大功率會對信道造成干擾，也會導(dǎo)致能量浪費。因此，功率分配是一個關(guān)鍵問題。文獻[5]將傳統(tǒng)MANET的功率控制應(yīng)用到車載通信中，通過功率控制以提高通信的有效性，但是對于車輛密度較大時的擁塞控制并沒有過多深入的討論。文獻[6]表明協(xié)作通信能提高V2V通信的有效性，但是當(dāng)協(xié)作車輛增多時，信道干擾也會增大，同時，其信道模型不能準(zhǔn)確描述V2V通信系統(tǒng)的信道特性。文獻[7]基于車輛密度提出基于簇的功率分配方法，該方法提高了車輛通信的有效性，當(dāng)信道容量較高時，較大的發(fā)射功率對信道會造成干擾，也會導(dǎo)致能量浪費。

綜合以上問題，本文提出基于信噪比門限的車輛協(xié)作通信功率分配優(yōu)化方案。首先，根據(jù)車輛運動對信道的影響，建立一個符合道路特征的系統(tǒng)模型;其次，根據(jù)信噪比門限，挑選出協(xié)作節(jié)點;最后，通過協(xié)作通信的中斷概率，給出協(xié)作節(jié)點功率與源節(jié)點功率的關(guān)系，從而提高信道容量。

1 ?系統(tǒng)模型

V2V協(xié)作通信系統(tǒng)模型[8]如圖1所示。在高速公路上，當(dāng)基站向車輛節(jié)點發(fā)送信息時，有些車輛節(jié)點因為對延遲敏感等原因未收到信息，已收到信息的車輛節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給未收到信息的車輛節(jié)點。車輛通過廣播的方式傳遞和接收信息。如圖1所示，當(dāng)接收節(jié)點[r]接收來自發(fā)射節(jié)點[s]所轉(zhuǎn)發(fā)的信息時，其他車輛節(jié)點[i]也試圖給接收節(jié)點[r]轉(zhuǎn)發(fā)信息。車輛均勻分布在發(fā)射節(jié)點[s]和接收節(jié)點[r]周圍。

假設(shè)信道服從萊斯平坦衰落，信號的衰減隨著車輛之間距離的增加而越來越嚴(yán)重。當(dāng)信號強度超過接收節(jié)點的靈敏度[γ]時，信號能被接收節(jié)點成功接收并解析。其計算模型可表示為：

[RCR=（PiGi，rγL）1a] （1）

載波范圍是車輛節(jié)點能夠感知到信號但不能解析該信號的最大范圍。如果發(fā)射信號的功率超過載波門限，則該車輛節(jié)點位于載波范圍內(nèi)。其計算模型可表示為：

[RIR=PiGi，rPcsL1a] （2）

那么接收節(jié)點[r]接收到的信號可以表示為：

[Yr=Hs，rps，rXs，r+i∈CRiHi，rpi，rXi，r+j∈IRik=1，k≠rNHj，rpj，rXj，r+n0] （3）

式中：[Hi，r]為節(jié)點[i]到節(jié)點[r]的信道;[Xi，r]為節(jié)點[i]對節(jié)點[r]的信號;[pi，r]為其功率值;[n0]表示信道噪聲。等號右側(cè)的第一項表示從[s]發(fā)送到[r]的信號;第二項表示通信節(jié)點集合[CRi：dir≤RCR]發(fā)送到[r]的有用信號;第三項表示干擾節(jié)點集合[IRi：RCR≤dir≤RIR]發(fā)送到[r]的干擾信號。

2 ?系統(tǒng)模型

2.1 ?信道建模

基于車輛處于不斷的運動，所以V2V的無線信道具有較高的時變性，而且信號會通過直射、折射等路徑到達接收節(jié)點。針對以上特性，建立符合V2V時變多散射信道模型[9?10]。如圖2所示，節(jié)點[s]和節(jié)點[r]在運動方向[?s]和[?r]下，分別以[vs]和[vr]的速度運動，假設(shè)[s]到[r]的傳輸過程中，信號只經(jīng)過一次散射，[?s，m]和[?m，r]為發(fā)射角和接收角。

則發(fā)送節(jié)點[s]到接收節(jié)點[r]的信道增益為：

[GTotal=GNLOS+GLOS] （4）

LOS分量的信道增益[GLOS]可以表示為：

[GLOS=K（K+1）ej2πtfLOS] （5）

式中：[K]表示萊斯因子;[t]近似為[dc0];[fLOS]為LOS分量多普勒頻移。

[fLOS=（f0c0）（vscos ?s-vrcos ?r）] （6）

式中[f0]為載波頻率。NLOS分量的信道增益[GNLOS]可表示為：

[GNLOS=（K+1）-1?n=1Naej2πtfNLOS+θn] （7）

式中：[a]表示衰減因子;[θn]表示信號相移;[fNLOS]表示NLOS分量多普勒頻移。

[fNLOS=f0c0vscos（?s-?s，m）-vmcos（?s，m-?m）-vmcos（?m-?m，r）+vrcos（?r-?m，r）] （8）

假設(shè)[?s，m]和[?m，r]在[0，[2π]]均勻分布，[?s]和[?r]也在[0，[2π]]均勻分布。

2.2 ?信道容量

通過采用協(xié)作通信技術(shù)來提高車輛通信之間的有效性。根據(jù)香農(nóng)定理，接收節(jié)點[r]的信道容量最大化問題可以表示為：

[C=Blog21+Gs，rps，r+i∈CRiGi，rpi，rInterferencer] （9）

考慮到用戶協(xié)作通信的基本要求，滿足一點的中斷概率[11]，則對于接收節(jié)點[r]的功率分配的約束條件可以用公式表示為：

[1-exp-1ps，rGs，r1-exp-i∈CRi1Gi，rpi，r=ρth] （10）

式中：[ps，r]和[pi，r]是節(jié)點[s]和協(xié)作節(jié)點[i]的發(fā)射功率;[ρth]是中斷概率。

3 ?功率分配

當(dāng)發(fā)送節(jié)點同時給接收節(jié)點發(fā)送信息，此時，發(fā)送節(jié)點會產(chǎn)生信道爭用，只有部分節(jié)點能與接收節(jié)點進行通信，此時其他節(jié)點視作干擾節(jié)點。協(xié)作通信系統(tǒng)中的功率分配分為兩步：確定與接收節(jié)點通信[r]的協(xié)作發(fā)送節(jié)點[i];對發(fā)射節(jié)點[s]和協(xié)作節(jié)點[i]的功率優(yōu)化，從而提高接收節(jié)點[r]的信道容量。

3.1 ?協(xié)作發(fā)射節(jié)點選擇

本節(jié)采用SINR捕獲效應(yīng)模型[12]選取協(xié)作節(jié)點。當(dāng)節(jié)點信號[i]強度與節(jié)點[s]信道強度之比大于門限值[β]時，節(jié)點[r]能接收節(jié)點[i]的發(fā)射信號，則此類發(fā)射節(jié)點[i]定義為協(xié)作節(jié)點：

[CrSINR=pCRi，rGCRi，rps，rGs，r≥β] （11）

式中：[Cr]表示協(xié)作節(jié)點集合;[Zr]表示除了[Cr]以外，所有對接收節(jié)點[r]造成干擾的車輛節(jié)點集合。綜上可知，接收節(jié)點所受到的干擾量可表示為：

[Interferencer=j∈Zrk=1，k≠rNGj，rpj，k+n0] （12）

3.2 ?功率控制優(yōu)化

通過文獻[13]可知，在協(xié)作通信中，當(dāng)接收節(jié)點靠近某個發(fā)射節(jié)點時，其SINR很容易由該發(fā)射節(jié)點滿足，而其他協(xié)作傳輸節(jié)點的 [pi，r]與該發(fā)射節(jié)點的功率關(guān)系可以表示為：

[Pi，r=Pm，rGi，rGm，r] ?（13）

聯(lián)立式（9），式（10）和式（12），優(yōu)化問題可表示為：

[1pm，rGm，r+i∈CrG2i，rGm，r-2CB-1j∈Snk=1，k≠rNGj，rpj，k+n0=ln1-ρth?1-exp-1pm，rGm，r+i∈CrG2i，rGm，r-1] （14）

4 ?仿真結(jié)果

本文選取參數(shù)靈敏度[γ=0.001]，衰減因子[a=2]，中斷概率[ρth=0.05]，信噪比門限[β=10] dBm。首先，在車輛密度不同的情況下，比較協(xié)作通信功率優(yōu)化分配方案與協(xié)作通信功率分配方案以及未采取協(xié)作通信的信道容量;其次，通過不同車輛密度時，為了達到相同的信道容量，比較協(xié)作通信功率分配優(yōu)化方案與協(xié)作通信功率分配方案消耗的總功率。

圖3a）表示在車輛節(jié)點[n=20]時，基于不同的通信方案發(fā)射節(jié)點功率和信道容量的關(guān)系。協(xié)作功率分配和協(xié)作通信功率分配優(yōu)化的信道容量隨著發(fā)射節(jié)點的功率增加而減小，未采取協(xié)作的信道容量隨著發(fā)射節(jié)點的功率一直增大，但前兩者的信道容量仍遠超過后者。隨著發(fā)射節(jié)點功率的增加，協(xié)作功率分配的信道容量與協(xié)作通信功率優(yōu)化分配的差距一直不斷減小。

圖3b）表示車輛節(jié)點[n=40]時，在發(fā)射節(jié)點功率為5～6 dBm時，協(xié)作功率分配的信道容量要略優(yōu)于協(xié)作通信功率優(yōu)化分配。但是當(dāng)發(fā)射功率超過7 dBm時，協(xié)作通信功率分配優(yōu)化的信道容量逐漸超過協(xié)作功率分配。未采取協(xié)作的信道容量仍遠小于前兩者。

圖3c）表示車輛節(jié)點[n=60]時，協(xié)作通信功率優(yōu)化分配的通信質(zhì)量一直大于協(xié)作功率分配。實驗表明，在車輛密度較大時，協(xié)作功率優(yōu)化分配的信道容量要優(yōu)于協(xié)作功率分配方案和未采取協(xié)作方案。

圖4表示基于相同的信道容量，協(xié)作功率分配和協(xié)作功率優(yōu)化分配這兩者的系統(tǒng)總功率消耗情況。其中，50，100，150分別代表車輛節(jié)點[n]=20，[n]=40和[n]=60時的信道容量，在低密度的情況下，在相同的信道容量，協(xié)作功率優(yōu)化分配的總功率低于協(xié)作功率分配的總功率。但是隨著車輛節(jié)點數(shù)的不斷增加，協(xié)作功率優(yōu)化分配總功率遠大于協(xié)作功率分配的總功率。

5 ?結(jié) ?語

本文針對車聯(lián)網(wǎng)中車流量的實時改變對信道負(fù)載有一定影響的問題，提出基于信噪比門限的車載協(xié)作通信功率分配優(yōu)化方案。通過對車輛通信的中斷概率進行分析，求解出發(fā)射節(jié)點和協(xié)作主節(jié)點功率之間的線性關(guān)系。

實驗表明，在車輛密度較小時，與協(xié)作通信功率分配方案相比，該優(yōu)化方案的總功率降低11.5 dBm;在車流密度較大時，與協(xié)作功率分配方案相比，平均信道容量提高57 bit·s-1·Hz-1。

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