LTE—D2D架構下的車輛分簇中繼機制

何新宇

摘 要 隨著汽車普及率的不斷提高，汽車在給人們出行帶來便利的同時，也給道路交通帶來了諸多問題，車聯網（VANET）技術作為解決道路交通系統中安全及效率問題的有效手段得到了極大的發展。目前針對車聯網場景的LTE-V技術應用越來越廣。由于基站與道路中每輛車的信道質量和路徑損耗的差異，使得其很難為道路中所有車輛提供優質的服務。本文基于LTE-V的網絡架構，針對處于基站覆蓋邊緣以及與基站信道質量差的車輛接收數據的成功率低而造成系統可靠性差的具體問題，提出了一種新的分簇中繼方案。該方案將數據分階段進行傳輸，第一階段由基站發送數據，而第二階段在成功接收數據的車輛中結合信號接收強度與信道質量選擇最合適的簇頭作為中繼節點，并以D2D通信的方式向簇內車輛傳輸數據。最后在Matlab的平臺下對系統性能進行仿真，并證明了該方案可以明顯增加簇內車輛成功接收數據的概率，提高系統的可靠性。

【關鍵詞】VANET LTE-V 分簇 中繼 可靠性

1 引言

LTE-V是以LTE蜂窩網絡作為車車通信的基礎，主要解決車輛之間的信息共享問題。車輛主動安全應用是其核心應用場景。LTE-V包括集中式（LTE-V-Cell）和分布式（LTE-V-Direct）兩種技術。其中LTE-V-Direct引入了LTE-D2D（Device-to-Device），數據通信無需經過基站，實現車車之間的直接通信，承載車輛的主動安全業務[1]。LTE-D2D有三種模式的通信場景：蜂窩網絡控制場景[2]；蜂窩網絡輔助場景；無蜂窩網絡場景。其中蜂窩網絡輔助是最常見的形式：在該場景下，基站無需花費大量開銷去調度與管理，只需利用其全局信息，為D2D用戶提高少量必需的控制信息，輔助D2D用戶進行資源調度；而D2D用戶則是以自主的方式對環境信息進行感知，獲取關鍵消息，進行資源管理。在D2D通信中，共存方式分為兩種：underlay和overlay模式。Underlay模式簡單來說就是D2D用戶復用蜂窩用戶的資源；而Overlay模式則是D2D通信有專有的通信頻段分配。所以對于共存模式的選擇的主要依據就是對于蜂窩用戶的干擾。如果D2D用戶復用蜂窩用戶資源，會對主用戶造成很大的干擾，為了避免該干擾，保證蜂窩通信的質量，此時會選擇overlay的共存模式；而如果干擾有限，為了提高資源頻譜的利用率，則選用underlay模式更佳。

在車聯網中，同一區域內的車輛請求的數據是相同的，并且在道路中車輛的分布是比較多的，故可將此類車輛歸為同一簇中。此時利用基站采用同一頻率向簇內同時發送相同的信息可以提高資源利用率。然而在上述多播場景中，每輛車接收到的信號強度以及與基站的傳輸質量各有差異，所以要使道路中所有車輛都得到滿意的服務比較困難。目前最常見的解決辦法是基站根據傳輸質量最差的車輛，降低組播速率，確保道路中的車輛都能正確接收數據[3]，而如果道路中只有少數車輛的信道質量差，該方法的資源利用率極低；而一旦基站以較大傳輸速率進行數據分發的話，系統的可靠性又不能得到保障。文獻[4]提出的數據分層思路將基站組播信息歸為基本層消息和增強型消息，為了保證車輛能正確接收基本層消息，基站將會以較低速率組播該消息。為了增多成功接收數據的車輛數目，文獻[5]提出了分段傳輸思想，第一階段基站以比較大的組播速率向車輛發送數據，第二階段成功接收數據的車輛以D2D的方式向未完全成功接收的車輛發送數據，此時第二階段發送數據的車輛必須根據車輛D2D鏈路最差質量確定最低組播速率，所以資源利用率很低。

本文在上述觀點基礎之上，基于消息傳輸可靠性的目標，提出了一種新的車輛分簇中繼方案，結合D2D多播技術，將數據分階段進行傳輸。首先將道路中向基站請求相同數據的車輛分為同一簇中；其次，在完全成功接收基站信息的車輛中基于信道質量與信號強度選舉簇頭作為第二階段數據轉發的最佳車輛；最后，再結合D2D多播技術，將數據由簇頭車輛對道路中未完全成功接收的車輛進行轉發。

2 系統模型

本文提出的道路交通模型如圖1所示，考慮單小區覆蓋模型。基站分布在四條互相交叉的直道中間，道路為單向單行類型。在同一條道路上車輛的行駛方向相同，車輛既可以與基站直接通信，也可以實現D2D終端直連通信。由于車輛在行駛過程中，為了保證安全性與提高行駛效率，需要得知附近車輛的消息與地理位置消息、路口紅綠燈消息、前方道路擁堵情況、道路服務情況如加油站等一系列信息。而在車聯網中，處于相近區域的行駛方向相同的車輛向基站請求的數據往往是相同的，此時我們就可以根據車輛的地理位置將向基站請求相同數據的車輛分到同一個簇中，后續將對具體分簇中繼方案進行討論。基站與D2D用戶以及D2D用戶之間的信道模型采用的是瑞利信道[6]。

在上述場景中，四條道路都在基站的覆蓋范圍之內，為了簡便后續分析，我們抽出其中一條直道的車輛進行單獨分析。基站向請求相同數據的車輛發生信息，由于車輛與基站的信道質量各有差異，將會導致簇內的部分車輛不能正確接收數據。而如果在簇內根據一定算法選舉簇頭，在簇內根據D2D多播規則，由簇頭作為中繼節點，并將基站數據轉發給未成功接受的D2D車輛。如此可以提高資源利用率，降低基站的負載，提高通信的可靠性[3]。為了簡化該模型的分析，在此提出一些合理的假設：

（1）所有車輛均在基站覆蓋范圍之下，車輛既可以與基站進行蜂窩通信，互相之間也可以以D2D終端直連方式通信；

（2）基站可以即時知道車輛的地理位置以及網絡中各信道的質量；

（3）通信信道均采用瑞利信道；

（4）每輛車輛均有獨一無二的ID標示。

（5）D2D車輛采用正交復用方式，不考慮蜂窩用戶與D2D用戶的互相干擾問題。

3 車輛分簇中繼方案

我們首先確定分簇中繼方案中數據傳輸的兩個階段：

（1）根據不同業務簇的要求，基站以發射功率P與組播速率R進行多播；

（2）在成功接收的車輛中，選舉簇頭，然后由簇頭作為中繼，將數據以D2D多播的方式傳輸給簇內其他車輛。

所以接下來提出的基于信道質量與信號強度結合的分簇中繼方案主要解決了上述的三個問題：如何判斷車輛是否成功接收到了數據、如何建立分簇模型以及如何進行中繼。

根據車聯網中車輛請求數據的特殊性，在相近區域內的車輛會向基站請求相同的信息，所以在簇建立的初始階段，本算法首先會將向基站請求相同數據的車輛劃分為一個簇。在劃分簇區域的步驟完成之后，由于基站向簇內車輛組播相同數據后，信噪比低于閾值的車輛將不能正確接收數據，所以接下來的工作就是在每一個簇內選舉合適的車輛作為簇頭中繼，將數據以D2D多播的方式傳遞給第一階段未成功接收數據的車輛，以提高系統的可靠性。

本算法在確保第一階段基站數據的成功接收的情況下，從成功接收數據的車輛集合中進行第二階段D2D通信的簇頭選舉。在第二階段數據傳輸之前，第一階段成功接收數據的車輛都將會向簇內其他車輛發送RTS信息，而接收到RTS的信息又將會向發送數據的車輛回饋一個CTS信息。此時簇內各個備選的簇頭節點將會根據CTS信息估計與其他車輛的信道質量。需要注意的是此處的RTS和CTS信息都是測試信號，并且每輛車都是以相同功率發送該測試信號，主要目的就是在數據傳輸之前估計信道質量。

通過式（3），我們不難發現在本系統中，信噪比的大小其實與路徑損耗以及信道增益有關，而在頻率一樣的情況下，路徑損耗又與發送端與接收端的距離d成正比。所以我們規定在簇內與其他車輛的平均信道增益越大并且平均距離越短的車輛更容易被推選成為簇頭。平均信道增益可以根據測試信號的發送與回饋得到估計值，而簇內各車輛的距離是已知的。此時設定一個參數εij，其與距離成反比，與信道增益成正比，如式（8）所示，εij越大，車輛越容易成為簇頭。

根據上述推選簇頭的規則選出的簇頭車輛是唯一的。然后簇頭車輛就會作為中繼節點，將自身收到的數據以D2D多播方式向簇內其他車輛進行傳輸。此時就需要根據式（4）統計簇內能成功接收數據的車輛數目。

現存的LTE-D2D分簇算法大多根據功率控制原理，得出D2D用戶的最低發射功率，然后以高于最低發射功率的固定功率對數據進行轉發，靈活性和可調性較差，并且其將D2D轉發模式與蜂窩通信的性能進行比較的時候，將前后兩次的基站發射功率設為一致，影響了仿真結果的科學性。在本文提出的分簇中繼算法當中，充分的考慮到這一問題，提出了兩個觀點：蜂窩通信與D2D協助通信的兩種情況下，保持系統總發射功率的一致性；簇頭車輛進行D2D多播時，該發射功率可動態調整。基于以上觀點，我們可以很容易的得到如下結論：如果車輛接收數據均是通過基站組播的形式，此時的基站發射功率為P；而如果考慮簇頭車輛接收基站數據隨后以D2D多播方式進行發送，此時的簇頭車輛發射功率為P1，而基站的發射功率為P0，滿足以下（9）式：

上述準備工作完成之后，接下來就需要判斷能成功接收簇頭車輛D2D多播數據的簇內車輛數目。該依據有兩個：首先簇頭車輛發射功率必須處于最小發射功率與D2D通信系統規定的最大發射功率之間；其次D2D通信車輛的信噪比必須高于β2。然后引入參數fij，同時滿足上述兩個依據時，將該參數記為1，表示簇內車輛能夠成功接收簇頭車輛發送的信息，否則將參數置為0，參數矩陣如下式（12）所示。

4 仿真結果

根據上述提到的單小區覆蓋道路模型，本文基于Matlab系統搭建仿真平臺，將本文提出的分簇中繼算法與其他數據發送方式的性能進行比較與分析。仿真參數具體設置如表1所示。

從圖2中可以看出利用本文提出的分簇中繼方案與前兩種方案相比，可以明顯的增多簇內數據成功接收的車輛數目。而且從圖中的走勢來看，當簇內車輛比較少的時候，這種性能優勢還不是特別明顯，而隨著簇內的車輛越來越多，可以看出圖中代表分簇中繼方案性能的曲線的斜率越來越大，說明了在簇內車輛總數增加相同的情況下，分簇中繼方案所能成功接收數據的車輛增加的比前兩種方案更快。

從圖3中數據成功接收的CDF也能清楚的看出：在簇內車輛數目為10輛時，在基站組播方案中，簇內將有很大一部分車輛不能成功接收數據；而在簇中如果引入一個隨機中繼，分階段的將數據傳輸出去，性能將會得到改善。如圖3的藍色曲線所示，在隨機中繼方案中，成功接收數據車輛數目小于等于5的概率為0.31左右，利用該方案所能正確接收數據的車輛數目主要分布在6、7輛范圍之內，成功接收數據的車輛在7輛及7輛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繼方案，成功接收數據車輛數據小于5的概率僅為0.15左右，利用該方案所能正確接收數據的車輛數目主要分布在7到9輛范圍之內，成功接收數據的車輛在7輛及7輛以上的概率進一步提升到0.72左右，當然成功接收數據的車輛為9輛及以上的概率也有0.22上下。

圖4描述了利用本文提出的分簇中繼方案與隨機中繼方式轉發數據的系統平均容量。從圖中可以明顯看出：利用分簇中繼方案后系統平均容量較隨機中繼方式有了提升。該現象說明了分簇中繼方案可以更加有效的利用信道資源。

從上述的仿真結果分析可以看出，利用本文提出的分簇中繼方案可以明顯增多簇內車輛成功接收信息的數目與概率，可以提高網絡系統的可靠性，并提高信道利用率。因為利用基站多播方案，數據只有單個階段的傳輸過程并且網絡中車輛與基站的傳輸質量有所差異，所以造成成功接收的概率比較低；而如果引入隨機中繼，在系統中將數據分階段傳輸，性能會有所提高，但是由于簇內中繼是隨機選舉的，其與基站的傳輸質量以及與D2D車輛的傳輸質量都得不到保證，所以網絡性能并沒有得到很大改善；最后引入的分簇中繼方案，在簇內要根據其與基站的傳輸質量以及其與D2D車輛的傳輸質量選舉最合適的簇頭，然后才將數據進行分階段傳輸，很好的保證了網絡的可靠性，并且大幅度的提升了網絡的性能。

圖5描述了第一階段基站以γP向車輛組播數據，第二階段簇頭車輛以（1-γ）P的發射功率向簇內用戶組播數據時簇內車輛數目與兩個階段成功接收數據車輛總數目的關系圖。其中γ取1為純基站組播方式，而由于在LTE-D2D系統中，規定D2D車輛的最大發射功率為23dBm，即200mW，所以γ最小取得0.8。如圖5所示，當簇內車輛為10輛時，我們發現當簇頭的發射功率太小時，即使此時基站的發射功率比較大，簇內成功接收數據的車輛都偏少；而隨著簇頭發射功率的逐步增加，成功接收概率會得到逐步的提升；最后當簇頭發射功率增長到170mW到200mW之間時，系統的性能趨于一個平穩緩慢增長的過程。究其原因：當簇頭發射功率太小時，雖然基站的發射功率大，第一階段數據的成功接收率高，然而此時第二階段的數據傳送成功率由于簇頭的發射功率太低就得不到保障；而隨著基站發射功率的降低，簇頭發射功率的提升，成功接收車輛數目在170mW到200mW區間內區域穩定，說明此時通過基站的發射功率與D2D簇頭的發射功率的權衡使得系統的性能達到了一個比較穩定且可靠的狀態。

5 結論

本文在LTE-D2D的架構下，提出了一種新的基于信號強度與信道質量的分簇中繼方案，該方案在控制基站與簇頭車輛總發射功率不變的情況下，首先將數據從基站向車輛進行組播，接著確定簇頭車輛后，以簇頭作為中繼節點向第一階段未成功接收數據的車輛進行D2D多播。最后對仿真結果進行分析可以得到該分簇中繼方案可以明顯提高系統車輛接收數據的成功率，提高通信的可靠性，并提升系統中的信道利用率。

參考文獻

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作者單位

同濟大學電信學院 上海市 208104