摘 要： 在車聯(lián)網(wǎng)中，車流量的實(shí)時(shí)改變以及安全信息的廣播通信模式會(huì)對信道負(fù)載產(chǎn)生影響。當(dāng)車輛密度較高時(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(diǎn);最后，通過系統(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： 車聯(lián)網(wǎng); 協(xié)作通信; 時(shí)變信道; 擁塞控制; 信噪比門限; 功率優(yōu)化

　　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(jìn)行傳輸。車輛與其附近的車輛組成一個(gè)臨時(shí)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(xiǎn)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(shí)時(shí)改變以及廣播通信模式對信道負(fù)載會(huì)有影響[3?4]。車輛密度較高時(shí)，信道會(huì)有擁塞情況;車輛密度較小時(shí)，較大功率會(huì)對信道造成干擾，也會(huì)導(dǎo)致能量浪費(fèi)。因此，功率分配是一個(gè)關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[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(shí)的擁塞控制并沒有過多深入的討論。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(shí)，較大的發(fā)射功率對信道會(huì)造成干擾，也會(huì)導(dǎo)致能量浪費(fèi)。

　　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(yùn)動(dòng)對信道的影響，建立一個(gè)符合道路特征的系統(tǒng)模型;其次，根據(jù)信噪比門限，挑選出協(xié)作節(jié)點(diǎn);最后，通過協(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)基站向車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，有些車輛節(jié)點(diǎn)因?yàn)閷ρ舆t敏感等原因未收到信息，已收到信息的車輛節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給未收到信息的車輛節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)[r]接收來自發(fā)射節(jié)點(diǎn)[s]所轉(zhuǎn)發(fā)的信息時(shí)，其他車輛節(jié)點(diǎn)[i]也試圖給接收節(jié)點(diǎn)[r]轉(zhuǎn)發(fā)信息。車輛均勻分布在發(fā)射節(jié)點(diǎn)[s]和接收節(jié)點(diǎn)[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(qiáng)度超過接收節(jié)點(diǎn)的靈敏度[γ]時(shí)，信號能被接收節(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)

　　載波范圍是車輛節(jié)點(diǎn)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(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]對節(jié)點(diǎn)[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(xiàng)表示從[s]發(fā)送到[r]的信號;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;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。

　　2 系統(tǒng)模型

　　2.1 信道建模

　　基于車輛處于不斷的運(yùn)動(dòng)，所以V2V的無線信道具有較高的時(shí)變性，而且信號會(huì)通過直射、折射等路徑到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)。針對以上特性，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(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(diǎn)[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(diǎn)的中斷概率[11]，則對于接收節(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[i]強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)[s]信道強(qiáng)度之比大于門限值[β]時(shí)，節(jié)點(diǎn)[r]能接收節(jié)點(diǎn)[i]的發(fā)射信號，則此類發(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，所有對接收節(jié)點(diǎn)[r]造成干擾的車輛節(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)

　　推薦閱讀：發(fā)表通信定位論文國內(nèi)外期刊