基于速度分簇的D2D车载通信中继协作传输策略*

王庆菊

（温州大学数理与电子信息工程学院，浙江 温州 325035）

1 引言

随着汽车行业的不断发展，车载通信技术越来越受到人们的高度重视。传统的车载通信是由基站向每辆车发送数据，为了减小基站的负担，基于5G通信技术引入D2D（Device to Device，设备到设备）通信[1]。车载D2D通信具有提高系统的频谱利用率和减小通信时延等优点[2]，但在D2D通信过程中若是不充分考虑车载速度的差异性，将限制数据传输速率。中继协作通信为解决这个问题提供了一个很好的途径[3]。传统的协作通信有两种方法，一种是AF（Amplify Forward，放大转发协议），另一种是DF（Decode Forward，译码转发协议）。在文献[4]中采用的是AF协作通信方式，其优点是可以降低复杂度和信令开销，但是中继节点在放大接收信号的同时也放大了噪声，导致系统性能下降。在文献[5]中针对AF中噪声的影响，选择DF协作方式，其优点是中继节点可以将接收到源节点的信息译码后重新编码转发，然而中继节点译码错误时会导致信息传输错误。文献[6]针对AF放大的噪声和DF译码错误造成的误差，提出了传输信号的信噪比自适应选择合适的转发算法分配功率，提高了系统的信道容量。文献[7]提出了一种增强选择的HDAF策略，不仅提高了混合译码放大转发系统的频谱效率，而且其误比特率和中断性能也比增强选择放大转发方案有较大改善。然而上述文献中，很少考虑速度的变化对车辆协作的影响，限制了数据传输速率。因此，本文提出了基于速度分簇的D2D车载通信中继协作传输策略。

2 车辆分簇

图1为车辆分簇模型，在公路上，车辆最小速度和最大速度表示为Vmin和Vmax，具体划分车载速度区间是Vmin+20 km/h分为第一个速度组，Vmin+40 km/h分为第二个速度组，一直可分到Vmax-20 km/h。道路上每辆车的速度已知，每一辆车可以通过自己的速度查询到自己所在这条公路所属的速度组，并在此速度组中选取平均速度作为簇头。

公路上有六辆车，分别为1～6号车，每辆车的速度均已知，v1、v3、v5速度查询为第一簇，v2、v6速度查询为第二簇，v4速度查询为第三簇。

图1 车辆分簇模型

2.1 簇头的选择

如图1所示，公路的总长度为L，且公路上有1、3、5三辆车为第一簇的车辆，每辆车的速度为v1、v3、v5，它们的平均速度为：

把三辆车速与平均速度进行比较，速度最接近平均速度的假设是1号车，就以1号车为簇头。若同时1号车与3号车的速度都为平均速度，就通过权值的大小来选择，权值大的选为簇头[8]，计算公式为：

为第一簇内车速最大的边界值，v为第i号车的车i速，vj为第一簇内每辆车的车速，N为第一簇内共有的车辆数目。若第i号车（1号车）的权值最大而且最接近于平均速度，则选择1号车为簇头，并向其余簇内车辆传输信息，直到当1号车的速度大于或小于第一簇的速度组时，1号车加入到其它的速度组，第一簇内开始重新选择速度最接近平均速度、权值最大的作为簇头。簇头在簇内的链路时间为：

（1）当1号车做加速运动时，a＞0，所用时间为：

（2）当1号车做减速运动时，a＜0，所用时间为：

所以，链路时间范围为其分别为第一簇内的最大速度和最小速度，a为车辆i的加速度。

2.2 簇的维护

以第一簇为例，公路上的距离是不会发生改变的，改变的只是车辆的运动状态，如车辆运动的速度、运行相对应的位移。但每辆车上的位置、速度、行驶方向等基本信息都会被记录[9]。当一辆进入到该公路上时，就会根据自己的速度找到对应的速度组，发送apply to join到簇头，当簇头车辆接收到信息后，会回复receive，这时这辆车加入簇成功。若收到No，此车辆再重新发送apply to join到簇头，直到簇头回复receive为止。当簇内车辆的速度大于或者小于此速度组的最大速度值或最小速度值时，车辆离开簇并加入新的簇内。

3 中继

3.1 车辆中继

每个簇与簇之间的通信选用D2D通信，每个簇的簇内情况如图2所示（第一簇内通信模型）。基站发送信息给簇头（蜂窝用户CU），再由蜂窝用户CU通过D2D通信传递给簇内其余车辆。

图2 第一簇内通信模型

图2 中CU为蜂窝用户（簇头，1号车）、DU（3号车）和DT（5号车）为D2D用户，基站发送信号给CU，第一阶段CU把信号传递给DU和DT，第二阶段DU为可作为中继，再次把信号传递给DT。假设CU与D2D用户都采用双瑞利衰落信道，第一阶段DU和DT的接收端信号分别为：

第二阶段DT再次接收到的信息可为：

其中，PC、PD为CU与DU的发射功率，hCD、hCT、hDT分别为CU到DU、CU到DT、DU到DT的链路增益，x为CU发送的信号，x^为DU发送的信号，nCD、nT1、nT2为链路上均值为0、方差为N0的高斯白噪声。

双瑞利信道下，通信方式选择半双工通信系统，其中继协议选择放大转发（AF）协议，系统的中断概率在高信噪比条件下为：

其中分别为CU到DT、CU到DU、DU到别为CU到DT、CU到DU、DU到DT链路的衰落系数，N0方差为噪声功率谱密度，I为双瑞利信道下收发信机间的信道容量，ϑ是信息的传输速率，PC、PD分别为CU和DU的发射功率。

当中继协议选择译码转发协议（DF）时，DF中继的最大平均互信息量为：

假设中继节点DU和目的节点DT完全解码的情况下：

系统的中断概率为：

3.2 改进的中继算法

在双瑞利信道下，D2D通信中，DU与DT进行D2D通信，DU作为中继传输给DT用户，DT用户最终收到两个时隙的信号，相应DT作为中继把信号传递给DU用户。

第一时隙，基站发送信号给CU，再由CU发送给DT与DU，DT与DU接收到的信号和式子(5)、(6)是一样的。

第二时隙，中继节点DU将接收到的信号yD进行放大，并以D2D通信转发给DT，中继放大系数采用归一化形式[10]，放大系数为：

DT最后收到的总的信号：

D2D通信DT端接收到的信噪比为[11]：

同理，D2D通信DU端接收到的信噪比为：

双瑞利信道下，D2D通信系统中断概率根据文献[12]可定义为：

令X=PD|hDC|2、Y=PT|hTC|2、V=PT|hTD|2和W=PD|hDT|2并代入式(14)和(15)中，得到简化的之后的中断概率为：

之后再经过积分运算，高信噪比条件下可得到：

若选用DF中断概率，在第二阶段如式(7)中x^为中继解码后的发送信号，DU与DT接收到的信噪比为：

其中，PT'、PD'分别为DT和DU解码后的发射功率。最后在高信噪比的条件下可以得到：

4 数值分析

图3是速度v与权值p之间的关系曲线，在图中可以看到在速度为60 km·h-1～80 km·h-1的范围内权值p的变化是一条直线，超出这个范围，权值的变化就会变得无规律，可说明在一定范围内可增加车载系统的稳定性。

图3 v与p之间的关系

图4 是AF中继与D2D通信下AF中继中断性能比较。设定门限值为γth=2，N0=1，SNR的范围是10 dB到30 dB，由图4可以看出，信噪比在10 dB～30 dB范围内，中断概率随信噪比的增加而不断的减小，而且D2D通信下AF中继的中断概率在相同信噪比的情况下，始终比AF中继下的小。

图4 AF中继与D2D通信下AF中继中断性能比较

图5 是DF中继与D2D通信下DF中继中断性能比较。信道增益设为1，由图中可以看出DF中继与D2D通信下DF中继的中断概率都是随着信噪比的不断增加而降低，后者要优于DF中继。

图5 DF中继与D2D通信下DF中继中断性能比较

图6 是D2D通信下AF/DF中继中断性能比较。由图中可以看出在D2D通信下中断概率随着信噪比的增加而减小，并在相同的信噪比下选择DF中继要优于AF中继。

图6 D2D通信下AF/DF中继中断性能比较

5 结论

本文提出了一种基于速度分簇的协作传输策略，该策略主要根据车辆速度大小划分区间进行分簇，簇头是通过簇内车辆的平均速度和加权值来选取，每个簇内车辆采用D2D中继AF/DF协作通信传输。从文中的数值结果可以看出，簇头在相应的速度范围内，权值变化不大，可增加簇内的稳定性。在相同的信噪比条件下，簇内采用的D2D中继AF/DF协作明显优于传统AF和DF协作的中断概率，中断概率随着信噪比的增加不断减小，提高了传输速率。

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