干擾受限場景中協作中繼選擇在VANET中的應用

王桐 張耀

摘 要：在VANET城市場景中，由于路邊單元（RSU）覆蓋范圍有限，導致移動中的部分車輛無法直接與路邊單元的網絡接入點（AP）直接進行通信，可以通過路邊單元覆蓋范圍內的愿意充當中繼角色的中繼車輛（RV）進行數據包的轉發來幫助源車輛（SV）完成與路邊單元之間通信。在此期間，由于同道干擾的的存在會對選擇最優中繼車輛過程造成影響，提出了一種基于適用車輛節點間通信的Nakagami信道衰減模型的干擾受限場景中的多中繼選擇策略RSILV），該策略降低了中斷概率，優化系統性能。

關鍵詞：VANET；同道干擾；中繼選擇；中斷概率；魯棒性；

1 引言

交通事故因其極強的"殺傷力"被稱為世界"頭號殺手"。作為智能交通系統重要基礎之一的車輛ad-hoc網絡（VANETs[1]）概念就是在這種需求背景下提出的。VANETs在近些年備受關注。

文獻[2]提出了一種基于瞬時鏈路信息的RV車輛節點選擇方法，但是未考慮帶來的通道干擾問題。文獻[3]提出一種基于平均鏈路信息的RV車輛選擇算法。

文章結構如下，第2章主要介紹系統模型；第3章主要對所提RSILV策略及其中斷概率分析；第4章主要是對實驗仿真進行分析；第5章主要是結論。

2 模型建立

圖1 .系統模型

考慮的是車載網應用場景的上行鏈路，如圖1所示，該網絡是由兩個AP節點、若干SV節點和RV節點組成，這里采用二階段通信方法，它們的通信只能經由一個潛在可用RV節點簇也就是集合 SRV={1，2…N}完成。根據分析需要將其分為兩個集群，分別為集群C1、集群C2。C1由與AP1節點通訊的相關SV節點和RV節點組成，也就是SV1節點通過潛在RV節點完成與AP1節點通信，C2由SV2節點和AP2節點組成，為SV2節點直接與AP2節點通信，完成聯網過程。

在潛在RV節點簇中，第k個RV節點接收的信號為：

（1）

AP1節點的接收信號

（2）

x為目標集群SV1節點的信號，x`為相鄰集群SV2節點的干擾信號，PS和PS`為SV1節點和SV2節點發送單個符號的平均功率，hS，k、hS`，k和hk，D為SV1節點和RVk節點、SV2節點和RVk節點、RVk節點和AP節點之間的鏈路信道增益系數，分別服從參數為Nakagami分布，nk和nD分別為SV1與SVk、SVk與RSU之間鏈路的加性高斯白噪聲，其方差都為N0。由于兩跳信道的對稱性，所以令ΩS，k=Ωk，D，因此，平均信號與干擾的功率比為：

（3）

γS，k和γINF分別代表SV1節點和RVk節點SNR、SV2節點和RVk節點鏈路的干擾與噪聲比（INF）。

放大系數G為：

（4）

假設SV節點和RV節點的發射功率相等，

（5）

分別為SV1節點到RVk節點的瞬時信噪比和RVk到AP1的瞬時信噪比，與之對應的是SV2節點到RVk的瞬時信噪比。

（6）

根據傳統的最大最小RV選擇（Max-Min Relay Selection）推導得出瞬時SV1節點到AP1節點的端到端的瞬時信號與噪聲加干擾比SINR為：

（7）

在高信噪比（SNR→）場景中，SINR的統計表達式可以簡化成：

（8）

根據文獻[4]可知，通過大量實驗和數據統計，車載網節點之間一跳平均通信距離為理論距離為150米，在此種距離時m的值大約為1，所以得到該系統漸進性描述信號與干擾加噪聲比的概率密度函數（PDF）和積累分布函數（CDF）分別為：

（9）

3 RSILV策略及其中斷概率分析

所提RSILV策略主要解決RV選擇過程的同道干擾問題。在低信噪比區域時，公式（7）中傳統項遠遠大于干擾項，也即是傳統項在退化系統性能方面占顯性，可以將公式（7）簡化為無干擾的傳統兩跳的無干擾情況的RV選擇方案；由前邊可知，在高信噪比區域時，干擾項遠遠大于傳統項，也就是說，在影響系統性能退化方面，干擾項占顯性；在中間信噪比區域，干擾項和傳統項都不占顯性。所以，RSILV策略按區域不同，分為三種，分別是適用于低信噪比區域的傳統RV選擇方案（CMRSS）；適用于中間信噪比的半漸進多RV選擇方案（SARSS）；適用于高信噪比區域的漸進多RV選擇方案（AMRSS）。 SAMRSS方案和AMRSS方案是在傳統RV選擇方案基礎上提出的，所以為了介紹RSILY策略，需要先介紹傳統最大最小RV選擇方案。

3.1傳統最大最小中繼選擇

首先考慮的是無干擾的環境的傳統RV選擇，可以表示為：

（10）

這種RV選擇方法是為無干擾場景設計的并沒有充分考慮干擾場景。所提所有策略都可以看成是該傳統選擇策略的拓展。

3.2漸進中繼選擇方案AMRSS

第一個被提出的RV選擇方案是由在高信噪比環境中對系統整體的SINR進行漸進而產生。該漸進中繼選擇方案可以被描述為：

（11）

式中kAsym為被選擇RV的索引值。

因此，相應的中斷概率為：

（12）

3.3 半漸進中繼選擇方案SAMRSS

半漸進選擇方案結合了傳統RV選擇方案和漸進RV選擇方案，它適合“中間”區域的信噪比。半漸進的RV選擇方案可以表示為：

（13）

經過推導后，其中斷概率邊界為：

（14）

4 實驗仿真

令Nakagami-m信道中參數m=1，Ω=1。圖2，3設RV數目為1，分別比較當RV總數N=2 RVs，L=8和當RV總數N=4 RVs，L=4時，不同選擇方案在平均SNR（γ）下的誤碼率。進行BPSK調制。用隨機RV選擇、干擾最小值的RV選擇、最優S-k鏈路RV選擇幾種RV選擇作為BER的參照曲線。首先，可以看出被考慮的結構性干擾限制了AF系統的分集增益。然而，“選擇”過程可以有效的提高系統性能。通過與隨機RV選擇和干擾最小的RV選擇比較，得到RV選擇能夠有效的降低干擾帶來的影響和提高系統信道容量。其次，與最小干擾選擇和最優S→K鏈路RV選擇比較可以看出提出的兩種選擇方案都是最有效的，正如本身就是針對干擾受限場景設計的。此外，在低信噪比區域傳統RV選擇性能要優于漸進RV選擇和半漸進RV選擇，在該區域，在影響系統性能降低方面AWGN占顯性，所以，該區域傳統方案是最有效的選擇方案。

5結論

在城市VANET場景中V2R通信中為了突破RSU覆蓋范圍有限的限制完成在覆蓋范圍外的SV與RSU的AP進行通信過程，提出了RSILV方案。通過實驗仿真可以看出該方案能有效緩解由于應用場景的特殊性所帶來的同道干擾問題。

參考文獻：

[1] H. Hartenstein and K. P. Laberteaux， A tutorial survey on vehicular ad hoc networks， IEEE Commun. Mag.， vol. 46， no. 6， pp. 164–171，Jun. 2008.

[2]LaI D， Manjeshwar A， Herrmann F， et al. Measurement and characterization of link quality metrics in energy constrained wireless sensor networks[C]// IEEE Global Telecommunications Conference， 2003， 1： 446-452.

[3] Zhao B， Valenti M C. Practical relay networks： a generalization of hybrid-ARQ[J].IEEE Journal onSelected Areas in Communications， 2005， 23（1）： 7-18.

[4] TORRENT -MORENO M ，JIANG D ，HARTENSTEIN . Broadcast reception rates and effects of priority access in 802. 11-based vehicular Ad-Hoc networks [C]/ / Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks. New York： ACM，2014： 10 - 18.