基于HDAF雙向中繼車載系統的功率分配

沈正源 邱斌 顏曉娟 金曉晴

摘 要： 在車載自組網的背景下，針對非對稱的車載協作通信系統中發射車輛節點到目的節點單向傳輸影響系統容量和頻譜利用率的問題，提出一種基于混合譯碼放大轉發（HDAF）雙向中繼系統的功率分配方案。該方案通過對車載系統所有節點總功率的約束，采用拉格朗日乘子法，在系統總功率一定的情況下最小化系統的中斷概率，實現對各節點功率分配情況的優化。數值分析表明，在相同的車載非對稱信道條件和系統總功率的約束下，相對于單向中繼HDAF傳輸方案，該方案下系統的中斷概率性能得到明顯改善。

關鍵詞： 智能交通系統； 車載自組網； 協作通信； 功率分配； 中斷概率； 雙向中繼

中圖分類號： TN929.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）15?0147?05

Power allocation for bidirectional relay vehicle system

based on hybrid decode?amplify?forward

SHEN Zhengyuan1， QIU Bin1， 2， YAN Xiaojuan1， JIN Xiaoqing1

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

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

Abstract： In wireless vehicle Ad Hoc networks， the one?way transmission from sending vehicle node to destination node has effected on system capacity and spectrum efficiency in asymmetric cooperative vehicle communication system. Therefore， a power allocation strategy for two?way relay vehicle system based on hybrid decode?amplify?forward （HDAF） is presented， in which the total power of all the nodes of the vehicle system is restrained， and the Langrange multiplier method is used to minimize the system outage probability under a certain total system power， so as to optimize the power allocation of each node. The numerical analysis result shows that， in comparison with one?way relay HDAF transmission strategy， the system outage probability performance of this scheme is significantly improved under the condition of same vehicle asymmetric channel and constraint of total system power.

Keywords： intelligent transport system； VANET； cooperative communication； power allocation； outage probability； two?way relay

0 引 言

車載自組網作為智能交通系統（Intelligent Transport System，ITS）的重要組成部分[1]，在車輛交通領域正發揮著越來越重要的作用[2]。在車載自組網中，車輛發射節點可以通過其裝載的車載單元收發信息，實現與其他車輛節點的通信。為了保障車輛節點間信息的傳輸，保證路上交通的安全，協作通信[3]越來越廣泛地被用于車載自組網中。

為了實現更高的通信增益和空閑資源的利用率，協作通信技術最早應用于無線通信網絡系統中，它的主要方法是通過多個節點終端之間的協作達到信號有效傳輸和接收的目的。根據協作通信系統的工作模式，可以分為全雙工和半雙工模式的中繼系統[4]，考慮到全雙工模式下系統的復雜度問題，半雙工模式下雙向中繼系統的提出能夠有效地彌補與全雙工模式之間頻譜利用率的差距。

在車載自組網中，相對于單向傳輸的中繼協作通信系統，車輛間的信息傳輸急需一種雙向的網絡來保證信息的交互。在雙向網絡中，兩個車輛節點在多個中繼車輛節點的幫助下實現信息的互換，兩條相向的信息流可以同時在相同的物理信道中進行傳輸，在增大信道頻譜利用率的同時，能夠有效提高整個車載網絡的吞吐量，降低各節點的發射功率。

在對車載協作通信系統的研究中，文獻[5]研究了放大轉發（Amplify?and?Forward，AF）、解碼轉發（Decode?and?Forward，DF）以及編碼協作（Coded Cooperation，CC）幾種常用的協議，并計算了這幾種協作方式在瑞利衰落環境下的系統中斷概率性能。文獻[6]則研究了車載中繼協作系統中兩個重要的研究方向，中繼選擇和功率分配，提出將發射車輛節點、中繼車輛節點傳輸功率與中繼功率分配系數相結合的聯合優化方案。單個或多個中繼車輛節點的選擇至關重要[7?8]，它直接影響整個系統的信道容量、中斷概率及誤碼率等性能[9?10]。文獻[11]通過對車輛多跳鏈接模型的分析，研究了車輛間通信鏈路的端到端中斷概率，得到了在一定的平均中斷概率下車載系統可承受的最大跳數和最小發射功率。文獻[12]研究了多跳的中繼通信系統在解碼轉發協作下的功率分配問題。上述文獻對于車載協作通信系統的研究，大多局限在車輛間單向傳輸的中繼系統模型中。關于對混合譯碼放大轉發（Hybrid Decode?Amplify?Forward，HDAF）協作方式的研究，文獻[13]提出一種基于信噪比的HDAF協作方案，通過蒙特卡洛仿真可以證明相比于AF和DF系統，在不同的干擾環境下該系統具有更高的安全性能。文獻[14]研究了在HDAF系統中，基于拉格朗日乘子和差分算法的功率分配方案，具有良好的誤碼率性能，但是系統并未考慮所選中繼車輛節點數量的增多給系統性能帶來的影響。

綜合以上研究，本文考慮在信道非對稱的雙向車載中繼系統中，從系統總功率和信噪比對中斷概率影響的角度出發，研究不同協作方式對系統中斷概率的影響以及多中繼協作下HDAF方式的功率分配優化方案。該方案利用拉格朗日乘子法對發射車輛節點和中繼車輛節點進行功率再分配，在降低系統中斷概率的同時降低了運算的復雜度，等同于在保證車輛間可靠通信的情況下降低了系統能耗，體現了協作通信在實際車載系統中應用的優勢。

1 系統模型

考慮如圖1所示的車載雙向中繼系統模型，系統中包含兩個發射車輛節點S和D以及i個中繼車輛節點R。發射車輛節點能夠同時收發信息，且兩點之間擁有直傳鏈路，可以直接進行通信，也可以在中繼車輛節點的轉發下進行信息交換，系統的工作模式為時分雙工。考慮到車載系統中車輛節點的移動性，假設兩發射車輛節點行駛方向與車速都相同，即保持相對靜止；而中繼車輛節點與兩發射車輛節點間距離不定，因此，兩發射車輛節點與中繼車輛節點間的信道是非對稱的。

同時，假設系統中各節點間的信道相互獨立，且服從準靜態的瑞利衰落分布，信道狀態信息可由發射車輛節點通過信道估計得到。

該系統傳輸過程可以分為2個時隙：第1個時隙，兩發射車輛節點[S]和[D]分別同時向外廣播各自的信息，則系統中各節點接收到的信息分別為：

式中：[Ps]，[Pd]和[Pi]分別代表兩發射車輛節點[S，D]和第[i]個中繼車輛節點的發射功率；[hsri]，[hdri]和[hsd]分別表示各個節點間信道的衰落系數，其分別服從均值為0，方差為[Ωsri]，[Ωdri]和[Ωsd]的復高斯分布；[nn]表示信道中均值為0，方差為[N0]的高斯白噪聲；[xn]是經過DF方式解碼重傳的轉發信息。

在雙向中繼系統中，由于發射車輛節點S和D在第1時隙各自所發送的信號是已知的，所以假設他們可以通過自干擾消除的方法濾除自身信號對系統的影響。因此在高信噪比的條件下，若中繼車輛節點采用AF方式，則[S→R→D]與[D→R→S]兩條傳輸鏈路上的信噪比分別為：

[γsrd=PsPihsri2hdri2N0（Pd+Pi）hdri2+Pshsri2] （8）

[γdrs=PdPihsri2hdri2N0（Ps+Pi）hsri2+Pdhdri2] （9）

若中繼車輛節點采用DF方式，為了方便計算，假設[S→D]鏈路上的信號功率大于[D→S]鏈路上的信號功率，即[Pshsri2>Pdhdri2]。此時，系統默認優先處理[xs]信號。當中繼車輛節點[Ri]解碼信號[xs]時，[xd]會被當作干擾信號進行處理。而在之后對[xd]進行解碼處理時，僅需考慮信道噪聲干擾，那么兩路方向的信噪比分別為：

最后，兩發射車輛節點根據不同的協作方式，采用最大比合并技術（MRC）處理在[M]個時隙下收到的信息，得到系統的瞬時互信息量[C]。

2 中斷概率分析與功率分配方案

基于第1節提出的系統模型，本節從系統的瞬時互信息量和傳輸鏈路的中斷概率出發，提出在信噪比門限的限制下，對系統模型中各個節點發射功率進行分配的優化方案。

2.1 放大轉發方式

采用AF方式的中繼協作系統，其包含發射車輛節點通過中繼車輛節點放大轉發和發射車輛節點之間直接傳輸兩條鏈路，系統中斷概率為：

2.2 解碼轉發方式

在采用DF方式的中繼協作系統中，若發射車輛節點廣播的信息無法被中繼車輛節點正確解碼，則發射車輛節點放棄使用中繼車輛節點進行協作通信，進而通過直傳鏈路直接向另一個發射車輛節點傳送信息，則中斷概率事件可描述為：

2.3 混合解碼放大轉發方式

采用多中繼混合轉發方式進行通信時，假設兩發射車輛節點之間擁有兩條通信鏈路，其中一條采用HDAF協作方式，另一條采用DF協作方式。對于HDAF的發射?中繼車輛節點鏈路，通過對鏈路中信噪比與門限[γth]大小進行比較來決定具體使用AF或DF協作方式進行信息的傳輸。若中繼鏈路的信噪比大于信噪比門限，即中繼解碼正確，則系統以DF方式工作；相反，若解碼失敗，系統則以AF方式進行通信，該鏈路使用的中繼車輛節點為[Ri]。對于另一條DF的發射?中繼車輛節點鏈路，使用的中繼車輛節點為[Rl]。

系統的中斷概率可以表示為：

[PHDAFout=Pr（C

式中[g（R）=23R-1]。

根據文獻[15]中的推導：

假設兩發射車輛節點的發射功率相等，則令：

[A=g2（R）N3012ΩdrlΩsd1Ωsrl+1Ωdrl1Ωsri+1Ωdri]

[B=6γth-g（R）， γth≥g（R）3γth， γth

[C=g（R）]

系統的中斷概率為：

[PHDAFout=1PsPlMPs+NPi] （23）

式中：[M=AB]；[N=AC]。

根據式（23）中對于中斷概率的表達式，在系統總功率受限的條件下，可以利用構造優化模型對雙向系統中各個車輛節點進行功率的優化。

因此，構造Lagrange函數：

[L（Ps，Pl，Pi，μ）=1PsPlMPs+NPi+μ（2Ps+Pl+Pi-P）] （24）

根據KKT條件，分別對[Ps]，[Pl]，[Pi]求偏導，并令其等于零，可得到如下等式：

[?L（Ps，Pl，Pi，μ）?Ps=0?L（Ps，Pl，Pi，μ）?Pl=0?L（Ps，Pl，Pi，μ）?Pi=02Ps+Pl+Pi-P=0] （25）

由式（25）可以解得最優的功率分配方案，其各節點的功率分配情況分別為：

[Ps=Pd=16MN32MN+8NK+K2P] （26）

[Pi=4NK32MN+8NK+K2P] （27）

[Pl=4NK+K232MN+8NK+K2P] （28）

式中[K=N2+16MN-N]。

3 數值分析

本節將主要通過數值仿真來驗證非對稱信道下車載雙向傳輸系統中各種協作方式相比于單向傳輸系統下的優越性，以及基于HDAF協作方式下優化功率分配方案相比于等功率分配方案的優越性。設置參數為[Ωsd=2]，[Ωsrl=Ωsri=1]，[Ωdrl=Ωdri=5]，[N0=1]，[M=3]，[R=][1 b/s/Hz]，[γth=4 dB]，路徑損耗因子[α=4]。

假設中繼車輛節點的位置處于兩個發射車輛節點所連直線之間，圖2～圖4給出了相對發射車輛節點S不同距離的中繼車輛節點在不同系統環境和中繼協作方法下中斷概率與信噪比的關系，其中設兩個發射車輛節點之間的距離為500 m，中繼車輛節點與發射車輛節點S的距離依次為100 m，250 m，400 m。

從3幅圖中可以看出，在一定的信噪比門限下，系統的中斷概率性能隨著信噪比的增大而減小。在高信噪比條件下，不管是雙向還是單向HDAF協作方式，在系統中斷概率上，他們相對于AF或者DF的單一方式協作都有明顯的優勢。圖中，單向DF方式在不同位置上的中斷概率變化較大，這是由于中繼車輛節點與發射車輛節點距離增大，導致中繼車輛節點無法對信息進行全面的正確解碼，使系統中斷概率增大。同時，也可以觀察到雙向HDAF方式下的系統性能則一直優于單向HDAF方式，這些都使雙向中繼系統的性能優于單向中繼系統的結論得到了驗證。

圖5說明了在單、雙向混合轉發協作方式下，等功率分配方案和本文所提出的優化功率分配方案對于系統中斷概率的影響。從圖5中可以看出，不論是等功率分配還是優化功率分配，其系統的中斷概率都隨著系統總功率的增大而降低。而在系統總功率相同的條件下，優化功率分配方案得到的系統中斷概率性能要優于等功率分配方案。同時，在同樣的功率分配方案下，雙向HDAF系統的中斷概率小于單向HDAF系統。

4 結 語

車載自組網是未來協作通信的一大應用方向，本文針對雙向中繼車載系統提出基于HDAF協作方式的優化功率分配方案。該方案在系統總功率受限的條件下以最小化系統中斷概率為目標，構造拉格朗日函數，計算得出各個節點的功率分配情況，具有廣泛的實際應用性。根據本文的分析結果可以看出，在高信噪比條件下，相同工作方式的雙向中繼系統相較于傳統的單向中繼系統，其在性能上具有明顯的優勢。在相同系統總功率條件下，通過對系統節點功率的優化分配，系統的中斷概率性能得到了顯著的改善。

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