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LTE—D2D架构下的车辆分簇中继机制

2017-03-27何新宇

电子技术与软件工程 2017年4期
关键词:中继可靠性

何新宇

摘 要 随着汽车普及率的不断提高,汽车在给人们出行带来便利的同时,也给道路交通带来了诸多问题,车联网(VANET)技术作为解决道路交通系统中安全及效率问题的有效手段得到了极大的发展。目前针对车联网场景的LTE-V技术应用越来越广。由于基站与道路中每辆车的信道质量和路径损耗的差异,使得其很难为道路中所有车辆提供优质的服务。本文基于LTE-V的网络架构,针对处于基站覆盖边缘以及与基站信道质量差的车辆接收数据的成功率低而造成系统可靠性差的具体问题,提出了一种新的分簇中继方案。该方案将数据分阶段进行传输,第一阶段由基站发送数据,而第二阶段在成功接收数据的车辆中结合信号接收强度与信道质量选择最合适的簇头作为中继节点,并以D2D通信的方式向簇内车辆传输数据。最后在Matlab的平台下对系统性能进行仿真,并证明了该方案可以明显增加簇内车辆成功接收数据的概率,提高系统的可靠性。

【关键词】VANET LTE-V 分簇 中继 可靠性

1 引言

LTE-V是以LTE蜂窝网络作为车车通信的基础,主要解决车辆之间的信息共享问题。车辆主动安全应用是其核心应用场景。LTE-V包括集中式(LTE-V-Cell)和分布式(LTE-V-Direct)两种技术。其中LTE-V-Direct引入了LTE-D2D(Device-to-Device),数据通信无需经过基站,实现车车之间的直接通信,承载车辆的主动安全业务[1]。LTE-D2D有三种模式的通信场景:蜂窝网络控制场景[2];蜂窝网络辅助场景;无蜂窝网络场景。其中蜂窝网络辅助是最常见的形式:在该场景下,基站无需花费大量开销去调度与管理,只需利用其全局信息,为D2D用户提高少量必需的控制信息,辅助D2D用户进行资源调度;而D2D用户则是以自主的方式对环境信息进行感知,获取关键消息,进行资源管理。在D2D通信中,共存方式分为两种:underlay和overlay模式。Underlay模式簡单来说就是D2D用户复用蜂窝用户的资源;而Overlay模式则是D2D通信有专有的通信频段分配。所以对于共存模式的选择的主要依据就是对于蜂窝用户的干扰。如果D2D用户复用蜂窝用户资源,会对主用户造成很大的干扰,为了避免该干扰,保证蜂窝通信的质量,此时会选择overlay的共存模式;而如果干扰有限,为了提高资源频谱的利用率,则选用underlay模式更佳。

在车联网中,同一区域内的车辆请求的数据是相同的,并且在道路中车辆的分布是比较多的,故可将此类车辆归为同一簇中。此时利用基站采用同一频率向簇内同时发送相同的信息可以提高资源利用率。然而在上述多播场景中,每辆车接收到的信号强度以及与基站的传输质量各有差异,所以要使道路中所有车辆都得到满意的服务比较困难。目前最常见的解决办法是基站根据传输质量最差的车辆,降低组播速率,确保道路中的车辆都能正确接收数据[3],而如果道路中只有少数车辆的信道质量差,该方法的资源利用率极低;而一旦基站以较大传输速率进行数据分发的话,系统的可靠性又不能得到保障。文献[4]提出的数据分层思路将基站组播信息归为基本层消息和增强型消息,为了保证车辆能正确接收基本层消息,基站将会以较低速率组播该消息。为了增多成功接收数据的车辆数目,文献[5]提出了分段传输思想,第一阶段基站以比较大的组播速率向车辆发送数据,第二阶段成功接收数据的车辆以D2D的方式向未完全成功接收的车辆发送数据,此时第二阶段发送数据的车辆必须根据车辆D2D链路最差质量确定最低组播速率,所以资源利用率很低。

本文在上述观点基础之上,基于消息传输可靠性的目标,提出了一种新的车辆分簇中继方案,结合D2D多播技术,将数据分阶段进行传输。首先将道路中向基站请求相同数据的车辆分为同一簇中;其次,在完全成功接收基站信息的车辆中基于信道质量与信号强度选举簇头作为第二阶段数据转发的最佳车辆;最后,再结合D2D多播技术,将数据由簇头车辆对道路中未完全成功接收的车辆进行转发。

2 系统模型

本文提出的道路交通模型如图1所示,考虑单小区覆盖模型。基站分布在四条互相交叉的直道中间,道路为单向单行类型。在同一条道路上车辆的行驶方向相同,车辆既可以与基站直接通信,也可以实现D2D终端直连通信。由于车辆在行驶过程中,为了保证安全性与提高行驶效率,需要得知附近车辆的消息与地理位置消息、路口红绿灯消息、前方道路拥堵情况、道路服务情况如加油站等一系列信息。而在车联网中,处于相近区域的行驶方向相同的车辆向基站请求的数据往往是相同的,此时我们就可以根据车辆的地理位置将向基站请求相同数据的车辆分到同一个簇中,后续将对具体分簇中继方案进行讨论。基站与D2D用户以及D2D用户之间的信道模型采用的是瑞利信道[6]。

在上述场景中,四条道路都在基站的覆盖范围之内,为了简便后续分析,我们抽出其中一条直道的车辆进行单独分析。基站向请求相同数据的车辆发生信息,由于车辆与基站的信道质量各有差异,将会导致簇内的部分车辆不能正确接收数据。而如果在簇内根据一定算法选举簇头,在簇内根据D2D多播规则,由簇头作为中继节点,并将基站数据转发给未成功接受的D2D车辆。如此可以提高资源利用率,降低基站的负载,提高通信的可靠性[3]。为了简化该模型的分析,在此提出一些合理的假设:

(1)所有车辆均在基站覆盖范围之下,车辆既可以与基站进行蜂窝通信,互相之间也可以以D2D终端直连方式通信;

(2)基站可以即时知道车辆的地理位置以及网络中各信道的质量;

(3)通信信道均采用瑞利信道;

(4)每辆车辆均有独一无二的ID标示。

(5)D2D车辆采用正交复用方式,不考虑蜂窝用户与D2D用户的互相干扰问题。

3 车辆分簇中继方案

我们首先确定分簇中继方案中数据传输的两个阶段:

(1)根据不同业务簇的要求,基站以发射功率P与组播速率R进行多播;

(2)在成功接收的车辆中,选举簇头,然后由簇头作为中继,将数据以D2D多播的方式传输给簇内其他车辆。

所以接下来提出的基于信道质量与信号强度结合的分簇中继方案主要解决了上述的三个问题:如何判断车辆是否成功接收到了数据、如何建立分簇模型以及如何进行中继。

根据车联网中车辆请求数据的特殊性,在相近区域内的车辆会向基站请求相同的信息,所以在簇建立的初始阶段,本算法首先会将向基站请求相同数据的车辆划分为一个簇。在划分簇区域的步骤完成之后,由于基站向簇内车辆组播相同数据后,信噪比低于阈值的车辆将不能正确接收数据,所以接下来的工作就是在每一个簇内选举合适的车辆作为簇头中继,将数据以D2D多播的方式传递给第一阶段未成功接收数据的车辆,以提高系统的可靠性。

本算法在确保第一阶段基站数据的成功接收的情况下,从成功接收数据的车辆集合中进行第二阶段D2D通信的簇头选举。在第二阶段数据传输之前,第一阶段成功接收数据的车辆都将会向簇内其他车辆发送RTS信息,而接收到RTS的信息又将会向发送数据的车辆回馈一个CTS信息。此时簇内各个备选的簇头节点将会根据CTS信息估计与其他车辆的信道质量。需要注意的是此处的RTS和CTS信息都是测试信号,并且每辆车都是以相同功率发送该测试信号,主要目的就是在数据传输之前估计信道质量。

通过式(3),我们不难发现在本系统中,信噪比的大小其实与路径损耗以及信道增益有关,而在频率一样的情况下,路径损耗又与发送端与接收端的距离d成正比。所以我们规定在簇内与其他车辆的平均信道增益越大并且平均距离越短的车辆更容易被推选成为簇头。平均信道增益可以根据测试信号的发送与回馈得到估计值,而簇内各车辆的距离是已知的。此时设定一个参数εij,其与距离成反比,与信道增益成正比,如式(8)所示,εij越大,车辆越容易成为簇头。

根据上述推选簇头的规则选出的簇头车辆是唯一的。然后簇头车辆就会作为中继节点,将自身收到的数据以D2D多播方式向簇内其他车辆进行传输。此时就需要根据式(4)统计簇内能成功接收数据的车辆数目。

现存的LTE-D2D分簇算法大多根据功率控制原理,得出D2D用户的最低发射功率,然后以高于最低发射功率的固定功率对数据进行转发,灵活性和可调性较差,并且其将D2D转发模式与蜂窝通信的性能进行比较的时候,将前后两次的基站发射功率设为一致,影响了仿真结果的科学性。在本文提出的分簇中继算法当中,充分的考虑到这一问题,提出了两个观点:蜂窝通信与D2D协助通信的两种情况下,保持系统总发射功率的一致性;簇头车辆进行D2D多播时,该发射功率可动态调整。基于以上观点,我们可以很容易的得到如下结论:如果车辆接收数据均是通过基站组播的形式,此时的基站发射功率为P;而如果考虑簇头车辆接收基站数据随后以D2D多播方式进行发送,此时的簇头车辆发射功率为P1,而基站的发射功率为P0,满足以下(9)式:

上述准备工作完成之后,接下来就需要判断能成功接收簇头车辆D2D多播数据的簇内车辆数目。该依据有两个:首先簇头车辆发射功率必须处于最小发射功率与D2D通信系统规定的最大发射功率之间;其次D2D通信车辆的信噪比必须高于β2。然后引入参数fij,同时满足上述两个依据时,将该参数记为1,表示簇内车辆能够成功接收簇头车辆发送的信息,否则将参数置为0,参数矩阵如下式(12)所示。

4 仿真结果

根据上述提到的单小区覆盖道路模型,本文基于Matlab系统搭建仿真平台,将本文提出的分簇中继算法与其他数据发送方式的性能进行比较与分析。仿真参数具体设置如表1所示。

从图2中可以看出利用本文提出的分簇中继方案与前两种方案相比,可以明显的增多簇内数据成功接收的车辆数目。而且从图中的走势来看,当簇内车辆比较少的时候,这种性能优势还不是特别明显,而随着簇内的车辆越来越多,可以看出图中代表分簇中继方案性能的曲线的斜率越来越大,说明了在簇内车辆总数增加相同的情况下,分簇中继方案所能成功接收数据的车辆增加的比前两种方案更快。

从图3中数据成功接收的CDF也能清楚的看出:在簇内车辆数目为10辆时,在基站组播方案中,簇内将有很大一部分车辆不能成功接收数据;而在簇中如果引入一个随机中继,分阶段的将数据传输出去,性能将会得到改善。如图3的蓝色曲线所示,在随机中继方案中,成功接收数据车辆数目小于等于5的概率为0.31左右,利用该方案所能正确接收数据的车辆数目主要分布在6、7辆范围之内,成功接收数据的车辆在7辆及7辆以上的概率提升到了0.48左右;如果利于本文提出的分簇中继方案,成功接收数据车辆数据小于5的概率仅为0.15左右,利用该方案所能正确接收数据的车辆数目主要分布在7到9辆范围之内,成功接收数据的车辆在7辆及7辆以上的概率进一步提升到0.72左右,当然成功接收数据的车辆为9辆及以上的概率也有0.22上下。

图4描述了利用本文提出的分簇中继方案与随机中继方式转发数据的系统平均容量。从图中可以明显看出:利用分簇中继方案后系统平均容量较随机中继方式有了提升。该现象说明了分簇中继方案可以更加有效的利用信道资源。

从上述的仿真结果分析可以看出,利用本文提出的分簇中继方案可以明显增多簇内车辆成功接收信息的数目与概率,可以提高网络系统的可靠性,并提高信道利用率。因为利用基站多播方案,数据只有单个阶段的传输过程并且网络中车辆与基站的传输质量有所差异,所以造成成功接收的概率比较低;而如果引入随机中继,在系统中将数据分阶段传输,性能会有所提高,但是由于簇内中继是随机选举的,其与基站的传输质量以及与D2D车辆的传输质量都得不到保证,所以网络性能并没有得到很大改善;最后引入的分簇中繼方案,在簇内要根据其与基站的传输质量以及其与D2D车辆的传输质量选举最合适的簇头,然后才将数据进行分阶段传输,很好的保证了网络的可靠性,并且大幅度的提升了网络的性能。

图5描述了第一阶段基站以γP向车辆组播数据,第二阶段簇头车辆以(1-γ)P的发射功率向簇内用户组播数据时簇内车辆数目与两个阶段成功接收数据车辆总数目的关系图。其中γ取1为纯基站组播方式,而由于在LTE-D2D系统中,规定D2D车辆的最大发射功率为23dBm,即200mW,所以γ最小取得0.8。如图5所示,当簇内车辆为10辆时,我们发现当簇头的发射功率太小时,即使此时基站的发射功率比较大,簇内成功接收数据的车辆都偏少;而随着簇头发射功率的逐步增加,成功接收概率会得到逐步的提升;最后当簇头发射功率增长到170mW到200mW之间时,系统的性能趋于一个平稳缓慢增长的过程。究其原因:当簇头发射功率太小时,虽然基站的发射功率大,第一阶段数据的成功接收率高,然而此时第二阶段的数据传送成功率由于簇头的发射功率太低就得不到保障;而随着基站发射功率的降低,簇头发射功率的提升,成功接收车辆数目在170mW到200mW区间内区域稳定,说明此时通过基站的发射功率与D2D簇头的发射功率的权衡使得系统的性能达到了一个比较稳定且可靠的状态。

5 结论

本文在LTE-D2D的架构下,提出了一种新的基于信号强度与信道质量的分簇中继方案,该方案在控制基站与簇头车辆总发射功率不变的情况下,首先将数据从基站向车辆进行组播,接着确定簇头车辆后,以簇頭作为中继节点向第一阶段未成功接收数据的车辆进行D2D多播。最后对仿真结果进行分析可以得到该分簇中继方案可以明显提高系统车辆接收数据的成功率,提高通信的可靠性,并提升系统中的信道利用率。

参考文献

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[2]Asadi A,Mancuso V.WiFi Direct and LTE D2D in action[C]//Wireless Days (WD),2013 IFIP. IEEE,2013:1-8.

[3]王俊义,巩志帅,符杰林,等.基于多跳 D2D 转发的簇内数据共享方案[J]. Computer Science, 2015,42(08):124-127.

[4]Yu C H,Tirkkonen O,Doppler K,et al. On the performance of device-to-device underlay communication with simple power control[C]//Vehicular Technology Conference,2009.VTC Spring 2009.IEEE 69th.IEEE,2009:1-5.

[5]Hou F,Cai L X,Ho P H,et al.A cooperative multicast scheduling scheme for multimedia services in IEEE 802.16 networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2009,8(03):1508-1519.

[6]Wang L, Tang H, Wu H, et al. Resource Allocation for D2D Communications Underlay in Rayleigh Fading Channels[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2016:1-1.

[7]彭博.蜂窝与D2D混合网络的多播组播增强技术:[硕士学位论文].北京:北京邮电大学,2014.

[8]Fedrizzi A,Ursin R,Herbst T,et al.High-fidelity transmission of entanglement over a high-loss free-space channel[J].Nature Physics,2009,5(06):389-392.

作者单位

同济大学电信学院 上海市 208104

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