吳琪 邱斌 蔣為 李婉瑩

摘 ?要： 在車(chē)聯(lián)網(wǎng)中，車(chē)流量的實(shí)時(shí)改變以及安全信息的廣播通信模式會(huì)對(duì)信道負(fù)載產(chǎn)生影響。當(dāng)車(chē)輛密度較高時(shí)，信道的擁塞會(huì)導(dǎo)致安全信息的廣播作用失效;當(dāng)車(chē)輛密度較小時(shí)，采用大功率發(fā)送安全信息會(huì)導(dǎo)致能量的利用率較低。針對(duì)該問(wèn)題，提出基于信噪比門(mén)限的車(chē)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(lái)確定合適的協(xié)作節(jié)點(diǎn);最后，通過(guò)系統(tǒng)的中斷概率推導(dǎo)出源節(jié)點(diǎn)功率和協(xié)作節(jié)點(diǎn)功率分配表達(dá)式。數(shù)值分析表明，該方案在車(chē)輛密度較小時(shí)與等功率分配方案相比，總功率降低11.5 dBm，在車(chē)流密度較大時(shí)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(chē)聯(lián)網(wǎng); 協(xié)作通信; 時(shí)變信道; 擁塞控制; 信噪比門(mén)限; 功率優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)： TN949.6?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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(chē)車(chē)通信，信息能夠在車(chē)輛之間進(jìn)行傳輸。車(chē)輛與其附近的車(chē)輛組成一個(gè)臨時(shí)的自組織網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸車(chē)輛信息。V2V主要用于車(chē)輛的行駛安全方面，例如，車(chē)輛近距離危險(xiǎn)警告、緊急車(chē)輛避行等其他安全性方面的應(yīng)用。通過(guò)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(chē)流量的實(shí)時(shí)改變以及廣播通信模式對(duì)信道負(fù)載會(huì)有影響[3?4]。車(chē)輛密度較高時(shí)，信道會(huì)有擁塞情況;車(chē)輛密度較小時(shí)，較大功率會(huì)對(duì)信道造成干擾，也會(huì)導(dǎo)致能量浪費(fèi)。因此，功率分配是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]將傳統(tǒng)MANET的功率控制應(yīng)用到車(chē)載通信中，通過(guò)功率控制以提高通信的有效性，但是對(duì)于車(chē)輛密度較大時(shí)的擁塞控制并沒(méi)有過(guò)多深入的討論。文獻(xiàn)[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(chē)輛增多時(shí)，信道干擾也會(huì)增大，同時(shí)，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(xiàn)[7]基于車(chē)輛密度提出基于簇的功率分配方法，該方法提高了車(chē)輛通信的有效性，當(dāng)信道容量較高時(shí)，較大的發(fā)射功率對(duì)信道會(huì)造成干擾，也會(huì)導(dǎo)致能量浪費(fèi)。

綜合以上問(wèn)題，本文提出基于信噪比門(mén)限的車(chē)輛協(xié)作通信功率分配優(yōu)化方案。首先，根據(jù)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)對(duì)信道的影響，建立一個(gè)符合道路特征的系統(tǒng)模型;其次，根據(jù)信噪比門(mén)限，挑選出協(xié)作節(jié)點(diǎn);最后，通過(guò)協(xié)作通信的中斷概率，給出協(xié)作節(jié)點(diǎn)功率與源節(jié)點(diǎn)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(chē)輛節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，有些車(chē)輛節(jié)點(diǎn)因?yàn)閷?duì)延遲敏感等原因未收到信息，已收到信息的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給未收到信息的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)。車(chē)輛通過(guò)廣播的方式傳遞和接收信息。如圖1所示，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)[r]接收來(lái)自發(fā)射節(jié)點(diǎn)[s]所轉(zhuǎn)發(fā)的信息時(shí)，其他車(chē)輛節(jié)點(diǎn)[i]也試圖給接收節(jié)點(diǎn)[r]轉(zhuǎn)發(fā)信息。車(chē)輛均勻分布在發(fā)射節(jié)點(diǎn)[s]和接收節(jié)點(diǎn)[r]周?chē)?/p>

假設(shè)信道服從萊斯平坦衰落，信號(hào)的衰減隨著車(chē)輛之間距離的增加而越來(lái)越嚴(yán)重。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)接收節(jié)點(diǎn)的靈敏度[γ]時(shí)，信號(hào)能被接收節(jié)點(diǎn)成功接收并解析。其計(jì)算模型可表示為：

[RCR=（PiGi，rγL）1a] （1）

載波范圍是車(chē)輛節(jié)點(diǎn)能夠感知到信號(hào)但不能解析該信號(hào)的最大范圍。如果發(fā)射信號(hào)的功率超過(guò)載波門(mén)限，則該車(chē)輛節(jié)點(diǎn)位于載波范圍內(nèi)。其計(jì)算模型可表示為：

[RIR=PiGi，rPcsL1a] （2）

那么接收節(jié)點(diǎn)[r]接收到的信號(hào)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(diǎn)[i]到節(jié)點(diǎn)[r]的信道;[Xi，r]為節(jié)點(diǎn)[i]對(duì)節(jié)點(diǎn)[r]的信號(hào);[pi，r]為其功率值;[n0]表示信道噪聲。等號(hào)右側(cè)的第一項(xiàng)表示從[s]發(fā)送到[r]的信號(hào);第二項(xiàng)表示通信節(jié)點(diǎn)集合[CRi：dir≤RCR]發(fā)送到[r]的有用信號(hào);第三項(xiàng)表示干擾節(jié)點(diǎn)集合[IRi：RCR≤dir≤RIR]發(fā)送到[r]的干擾信號(hào)。

2 ?系統(tǒng)模型

2.1 ?信道建模

基于車(chē)輛處于不斷的運(yùn)動(dòng)，所以V2V的無(wú)線(xiàn)信道具有較高的時(shí)變性，而且信號(hào)會(huì)通過(guò)直射、折射等路徑到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)。針對(duì)以上特性，建立符合V2V時(shí)變多散射信道模型[9?10]。如圖2所示，節(jié)點(diǎn)[s]和節(jié)點(diǎn)[r]在運(yùn)動(dòng)方向[?s]和[?r]下，分別以[vs]和[vr]的速度運(yùn)動(dòng)，假設(shè)[s]到[r]的傳輸過(guò)程中，信號(hào)只經(jīng)過(guò)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(diǎn)[s]到接收節(jié)點(diǎn)[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L(zhǎng)OS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(hào)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(guò)采用協(xié)作通信技術(shù)來(lái)提高車(chē)輛通信之間的有效性。根據(jù)香農(nóng)定理，接收節(jié)點(diǎn)[r]的信道容量最大化問(wèn)題可以表示為：

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

考慮到用戶(hù)協(xié)作通信的基本要求，滿(mǎn)足一點(diǎn)的中斷概率[11]，則對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)[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(diǎn)[s]和協(xié)作節(jié)點(diǎn)[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(diǎn)同時(shí)給接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，此時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生信道爭(zhēng)用，只有部分節(jié)點(diǎn)能與接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，此時(shí)其他節(jié)點(diǎn)視作干擾節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)通信[r]的協(xié)作發(fā)送節(jié)點(diǎn)[i];對(duì)發(fā)射節(jié)點(diǎn)[s]和協(xié)作節(jié)點(diǎn)[i]的功率優(yōu)化，從而提高接收節(jié)點(diǎn)[r]的信道容量。

3.1 ?協(xié)作發(fā)射節(jié)點(diǎn)選擇

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

[CrSINR=pCRi，rGCRi，rps，rGs，r≥β] （11）

式中：[Cr]表示協(xié)作節(jié)點(diǎn)集合;[Zr]表示除了[Cr]以外，所有對(duì)接收節(jié)點(diǎn)[r]造成干擾的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)集合。綜上可知，接收節(jié)點(diǎn)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(guò)文獻(xiàn)[13]可知，在協(xié)作通信中，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)靠近某個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)時(shí)，其SINR很容易由該發(fā)射節(jié)點(diǎn)滿(mǎn)足，而其他協(xié)作傳輸節(jié)點(diǎn)的 [pi，r]與該發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(wèn)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(mén)限[β=10] dBm。首先，在車(chē)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(guò)不同車(chē)輛密度時(shí)，為了達(dá)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(chē)輛節(jié)點(diǎn)[n=20]時(shí)，基于不同的通信方案發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的功率一直增大，但前兩者的信道容量仍遠(yuǎn)超過(guò)后者。隨著發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(chē)輛節(jié)點(diǎn)[n=40]時(shí)，在發(fā)射節(jié)點(diǎn)功率為5～6 dBm時(shí)，協(xié)作功率分配的信道容量要略?xún)?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(guò)7 dBm時(shí)，協(xié)作通信功率分配優(yōu)化的信道容量逐漸超過(guò)協(xié)作功率分配。未采取協(xié)作的信道容量仍遠(yuǎn)小于前兩者。

圖3c）表示車(chē)輛節(jié)點(diǎn)[n=60]時(shí)，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(shí)驗(yàn)表明，在車(chē)輛密度較大時(shí)，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(chē)輛節(jié)點(diǎn)[n]=20，[n]=40和[n]=60時(shí)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(chē)輛節(jié)點(diǎn)數(shù)的不斷增加，協(xié)作功率優(yōu)化分配總功率遠(yuǎn)大于協(xié)作功率分配的總功率。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)中車(chē)流量的實(shí)時(shí)改變對(duì)信道負(fù)載有一定影響的問(wèn)題，提出基于信噪比門(mén)限的車(chē)載協(xié)作通信功率分配優(yōu)化方案。通過(guò)對(duì)車(chē)輛通信的中斷概率進(jìn)行分析，求解出發(fā)射節(jié)點(diǎn)和協(xié)作主節(jié)點(diǎn)功率之間的線(xiàn)性關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)表明，在車(chē)輛密度較小時(shí)，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(chē)流密度較大時(shí)，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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