基于Double-Nakagami-m的非對稱全雙工AF中繼車載通信系統

蔣 為， 肖海林， 金曉晴

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

車載通信系統作為城市智慧交通的關鍵組成部分，在保障公共安全、提升出行效率方面發揮著重要作用。智能車載協作網絡的可操作性和可控性很大程度上依賴于中繼協作方式和中斷概率性能[1-2]。在車載網絡中使用中繼技術，可以擴大車載無線通信的通信范圍，而且通過短距離、高性能信道的中轉發送替代長距離、弱信道的直傳發送，可以減輕車載通信網絡的多徑衰落與大尺度衰落，從而提升系統容量和穩定性。Ilhan[3]提出Double-Nakagami信道環境下的半雙工車載協作AF中繼系統，利用矩估計推導對稱速率模式下的中斷概率的方式衡量系統性能，但并未考慮到車輛在行駛過程中非對稱速率對系統可靠性的影響。Li等[4]提出非對稱Double-Nakagami信道下的半雙工AF車載協作通信系統，但僅在高信噪比條件下對系統進行分析，車輛通信中會存在信噪比不理想的情況，對系統的分析并不全面。并且文獻[3-4]的通信節點都工作于半雙工模式，無法緩解車輛通信對頻譜資源的壓力，所以相對于半雙工技術，全雙工技術允許通信設備同時同頻收發信號，能夠倍增系統容量，提高系統通信的頻譜資源效率。

車載無線通信系統的性能主要受到無線信道的制約，信道的衰落會對信號傳輸帶來影響，從而影響系統通信性能。相較于有線信道，無線信道的傳輸隨機性更強，通信終端所處的環境也更加復雜。Wang等[5]提出基于全雙工模式的雙向AF協作中繼系統，系統信道為對稱的高斯信道，但車輛作為通信終端，高斯信道模型無法滿足車輛運動速度變化、信息傳輸效率、時延的要求。而Double-Nakagami衰落信道模型可以滿足上述要求，Sohaib等[6]提出基于Double-Nakagami的全雙工中繼雙向AF協作中繼系統，該系統信道僅考慮了適用于V2I傳輸的Nakagami-m衰落信道，而未考慮車-車通信信道。

針對車載通信系統傳輸信息的過程中發生中斷的問題，提出了一種基于Double-Nakagami-m的非對稱全雙工AF中繼車載通信系統。

1 系統模型

通信車輛節點都處于移動狀態的通信場景如圖1所示。交通擁堵路段，距離較遠的2個車輛節點a與b之間信道嚴重衰落，直傳信號非常微弱，只能通過中間車輛節點r作為中繼轉發車輛節點a、b的通信信息。

圖1 系統通信模型

為降低車載通信單元的硬件復雜度，假設中繼車輛節點采用AF的網絡編碼方式轉發信息。為了提高車載通信頻帶利用率，同時縮短傳輸時延，假設所有車輛通信節點均工作于全雙工狀態。中繼車輛節點r與兩端車輛節點之間的信道可以是視距信道，也可以是非視距信道，因此，車間信道模型設為通用的M2M信道，服從Double-Nakagami衰落。

當所有車輛節點都采用全雙工模式傳輸信息，一次信息交換僅需要一個時隙，因此可假設一次信息傳輸過程中車輛節點a、b與中繼車輛節點r間的信道滿足互易性har=hra=ha，hbr=hrb=hb，且相互獨立，服從不完全同分布的Double-Nakagami衰落：

(1)

(2)

(3)

ha、hb的累計分布函數(cumulative distribution function，簡稱CDF)為

(4)

此外，考慮到通信車輛節點工作在全雙工模式，自干擾信號無法完全消除。常用的自干擾信號的模型有2種：1)瑞利或Nakagami-m衰落信道模型側重于自干擾(self-interface，簡稱SI)信道建模；2)復高斯隨機模型側重于殘余自干擾信號(residual self-interference，簡稱RSI)信道的建模。RSI服從復高斯歸一化分布[7-9]，本系統采用復高斯隨機模型[10]。假設各個節點的殘余自干擾信號va、vb、vr服從CN(0,lPi)分布，i=a,b,r，l為自干擾信號消除強度。

在多址接入階段(multiple access channel，簡稱MAC)階段：源車輛節點a、b向中繼車輛節點發送源信號xa、xb，中繼車輛節點接收信號為

(5)

中繼車輛節點對接收信號進行歸一化后以功率Pr放大轉發，

(6)

其中β為歸一化系數，

(7)

在攜帶邊信息的廣播階段(broadcast with side information，簡稱BCSI)階段：兩端車輛節點作為目的車輛節點接收到來自中繼的混合信號與自身干擾信號，

(8)

車輛節點可根據已知信息，對混合信號進行串行干擾消除，得到實際信號，

vi+ni,i,j=a,b;i≠j。

(9)

2 系統性能分析

為了最大程度地縮短傳輸時延，所有車輛節點都工作于全雙工模式，本系統相較于普通半雙工系統或僅中繼車輛節點全雙工的系統，增加了額外的殘余自干擾信號。因此，為了確保系統能夠在車載通信環境下實現可靠通信，分析系統的中斷概率性能。

以b-r-a鏈路為例，此時車輛節點a是目的接收節點，車輛節點a接收信干噪比為

(10)

從而有

RSIN，1=

(11)

其中:

(12)

(13)

(14)

全雙工模式允許車輛節點在一個時隙內完成信息交換，鏈路a-r-b、b-r-a的傳輸速率R1、R2分別為：

R1=log(1+RSIN，1)；

(15)

R2=log(1+RSIN，2)。

由圖2(a)的響應面圖可以看出：固液比對纖維素酶活力的影響較顯著，曲面較陡，隨著固液比的增大，纖維素酶活力呈現先快速增加后緩慢降低的趨勢；冬凌草與麩皮比對纖維素酶活力的影響不太顯著，曲面較緩和，隨著冬凌草與麩皮比的增大，纖維素酶活力呈現先增大后減小的趨勢。由圖2(a)的等高線圖可以看出，沿固液比軸向等高線密集，而冬凌草與麩皮比軸向等高線相對稀疏，說明固液比對纖維素酶活力的影響比冬凌草與麩皮比大，等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用較顯著。

(16)

可知整個系統的中斷概率為

pout=P[R1

P[RSIN，1<γt,1or RSIN，2<γt,2]=

1-P[RSIN，1>γt,1,RSIN，2>γt,2]。

(17)

其中Rt，1、Rt，2分別為車輛節點a、b的最低速率閾值，γt，1、γt，2為最低信噪比閾值，γt,1=2Rt,1-1，γt,2=2Rt,2-1。令

Φ=P[RSIN，1>γt,1,RSIN，2>γt,2]，

(18)

Φi=P[RSIN，i>γt,i]，

(19)

則系統中斷概率可描述為

pout=1-Φ=1-Φ1Φ2。

(20)

以a-r-b鏈路的Φ1為例，

(21)

對Φ1進行化簡，得

P[A1B1C1y-B1γt,1<0]。

(22)

令

(23)

其中γa、γb、γr分別為各車輛節點的信噪比，進一步化簡Φ1可得

(24)

令X=ha2，Y=hb2，則X=ha2的CDF為

(25)

將式(24)代入式(25)，得

(26)

(27)

當n≥1時，有

(28)

(29)

將式(27)代入式(28)，可以得到Y=hb2的PDF為

(30)

將式(27)、(29)代入式(30)，得

(31)

根據式(31)，當|y|≤1，可將Meijer′s G函數轉化為求和形式，進而得到

(32)

pout=1-Φ1Φ2=1-

(33)

3 仿真結果與分析

圖2為三車輛節點發射功率相等(Pa=Pb=Pr=P)時，本系統中斷概率與蒙特卡洛仿真中斷概率。其中信道參數Ωa1=Ωa2=1，Ωb1=Ωb2=1，目的車輛節點的接收功率閾值γt，1=γt，2=1 dBm。從圖2可看出，本系統中斷概率與蒙特卡洛仿真中斷概率的變化趨勢一致，驗證了所推導的簡化中斷概率閉式解的有效性。但是信道衰落對中斷概率影響較大，當發射功率P=80 dBm時，信道衰落系數m2=2，系統中斷概率減小到6.5×10-4。

圖2 本系統中斷概率與蒙特卡洛仿真中斷概率

圖3 不對稱速率下系統的中斷概率

圖4為三車輛節點發射功率相等(Pa=Pb=Pr=P)時，不同殘余自干擾系數l下的系統中斷概率。從圖4可看出，當自干擾信號完全消除時，系統中斷概率隨發射功率的增大而線性下降，當自干擾消除能力逐漸下降時，系統中斷概率也逐漸下降。此外，當殘余自干擾信號存在，但自干擾信號消除性能良好(l=10-5，10-7)時，中斷概率最低點存在一個極值點9×10-2。系統中斷概率并非隨著發射功率的增大而單調遞減，當大于發射功率閾值，中斷概率反而下降。但當自干擾信號消除性能不理想時(l=0，10-3))時，即使增大發射端功率，系統中斷概率仍然高達0.7。因此，由于殘余自干擾信號與發射功率相關，單純增加發射功率無法迅速降低系統的中斷概率，而通過其他方式，如降低自干擾信號的影響或者進行合理的功率分配，可滿足相應的需求。

圖4 不同殘余自干擾參數l下的系統中斷概率

圖5 不同信道參數m、Ω下的系統中斷概率

圖5為三車輛節點發射功率相等(Pa=Pb=Pr=P)時，不同信道參數(ma1=ma2=m1,mb1=mb2=m2,Ωa1=Ωa2=Ω1,Ωb1=Ωb1=Ω2)下的系統中斷概率。不同的m取值對應不同的信道分布，因此，信道的衰落特性是全雙工雙向系統性能的重要影響因子。當m增大，同等發射功率情況下，系統的中斷概率顯著降低。當m不變，發射功率從20 dBm增加至60 dBm，本系統中斷概率降低至4.83×10-5。而信道功率因子Ω對系統中斷性能的影響非常小，無論Ω如何改變，其中斷概率曲線基本重合，系統中斷概率最低也僅僅為8.8×10-3。所以，可以通過改善信道條件或者提升信道的檢測準確性改善車載全雙工系統的中斷性能。

4 結束語

針對城市擁堵路段移動車輛間相互通信的場景，采用通用Double-Nakagami信道模型，聯合全雙工技術、AF放大轉發的物理層網絡編碼技術、雙向中繼技術建立低復雜度的車載協作通信系統，并利用中斷概率衡量系統的性能優劣。實驗仿真了目的節點接收信號閾值、速率非對稱程度以及不同信道狀態對系統性能的影響。仿真結果表明，信道衰落對中斷概率影響較大，當發射功率P=80 dBm時，改變信道信息m可使得系統中斷概率減小到6.5×10-4。當m不改變時，隨著發射功率從20 dBm增加至60 dBm，本系統中斷概率降低至4.83×10-5。當車輛行駛的速度相差較大時，本系統可使得兩者通信中斷概率降低至3.85×10-4。因此，本通信系統可使車輛終端通信更加穩定可靠，保證了交通信息的安全傳輸。