車聯網中基于非正交多址接入的簇重疊區域性能改進

顧金媛， 章國安， 張鴻來

(1.南京醫科大學康達學院， 連云港 222000; 2.南通大學信息科學技術學院， 南通 226019)

近年來，因汽車數量持續增長而引起的交通安全、出行效率、環境保護等問題日益突出，車聯網相關領域的研究和發展受到了廣泛關注。車聯網是以車內網、車際網和車載移動互聯網為基礎，融合了全球定位系統(global position system，GPS)、傳感器、射頻識別(radio frequency identification,RFID)、數據挖掘、自動控制等相關技術，按照約定的體系架構及其通信協議和數據交互標準，在V2X(vehicle to everything)交互過程中，實現智能化交通管理、智能動態信息服務和車輛智能化控制的一體化網絡。車聯網是物聯網技術在交通系統領域的典型應用，其核心關鍵就是V2X無線通信技術。借助于V2X 無線通信技術，車聯網不僅可以突破單一汽車在智能化發展方面的非視距感知、車輛信息共享等技術瓶頸，還有望提高網聯汽車智能化水平和自動駕駛能力，從而提高交通效率，改善汽車駕乘感受，構建汽車和交通服務新業態，最終為用戶提供智能、舒適、安全、節能、高效的綜合服務[1-2]。V2X 通信的主流技術包括專用短程通信(dedicated short range communication，DSRC)技術[3]和基于蜂窩移動通信系統的C-V2X(cellular vehicle to everything)技術，C-V2X 技術目前以LTE-V2X 技術為主，未來將向5G-V2X 技術演進。基于蜂窩通信技術的LTE-V2X 是中國在智能網聯汽車領域主推的通信技術，匯集了通信、汽車、電子等各行業共同的智慧。

隨著第5 代移動通信(5G)的快速發展，面對未來網絡需求量的爆炸性增長，5G移動通信網絡需要考慮能更深入發掘頻譜效率提高潛力的無線傳輸技術，如大規模天線技術、毫米波通信、超密度網絡、非正交多址接入等[4]，為了滿足5G網絡海量接入和超高容量需求，非正交多址接入(non-orthogonal multiple access，NOMA)技術被認為是下一代移動通信中最為關鍵的技術。基于多用戶信息論，非正交的多址接入通過在已有的時間、頻率和空間等物理資源基礎上，引入了功率域、碼域等新的維度，可以進一步提高用戶的連接數，因此，能夠提供比正交多址接入更大的信道容量。

NOMA技術既能滿足移動業務速率的要求，又能提高系統的頻譜效率，是5G無線通信系統的一項有前途的技術[5]。該技術能夠提高整個系統的性能，引起了世界各國學者的關注。它不僅滿足不斷增長的流量需求，而且還支持大規模的設備連接[6]。因此，車輛網絡中NOMA技術的結合使得多個車輛能夠同時在同一信道上傳輸信息，從而緩解了V2X通信中傳輸容量有限、傳輸延遲不可預測等資源沖突。NOMA的基本思想是在發送端采用非正交傳輸，通過串行干擾抵消(successive interference cancellation，SIC)接收機主動引入干擾信息，在接收端實現正確解調。雖然使用SIC技術的接收機的復雜性有所提高，但是它可以實現高的頻譜效率。事實上，NOMA技術的核心思想是增加頻譜效率以接收機復雜度為代價[7]。隨著5G的深入研究以及芯片處理能力的不斷提升，接收機的處理復雜度有了顯著提升，因此非正交多址接入技術必然會成為學術界關注的熱點。與碼分多址和正交頻分多址相比，NOMA子信道之間采用正交傳輸。不會像第三代移動通信那樣產生明顯的遠近效應[8]。由于它可以獨立于用戶反饋信道狀態信息，在采用功率復用技術之后，即使在高速移動環境中也更容易對可變鏈路狀態做出響應，并且可以提供良好的速度性能。同一子信道上可以由多個用戶共享，跟第四代移動通信相比，在保證傳輸速度的同時，可以提高頻譜效率，這也是最重要的一點。因此，下一代車載網絡與NOMA技術相結合，可以緩解無線通信的頻譜短缺[9]。

近年來，在車載網絡中采用NOMA技術已經成為一種流行的方式。文獻[10]研究了NOMA在V2X場景中的潛在容量以及在下一代通信中的困難，從單播系統出發，提出了基于 NOMA 的頻譜資源分配方案，并擴展到廣播系統中。文獻[11]研究了支持NOMA的5G車載通信系統中干擾管理和切換的關鍵問題。為了提高基于NOMA的5G車載通信系統的頻譜利用率，適應交通負載條件和高移動性，提出了一種分層的功率控制方案，實現小區關聯和功率控制的聯合優化。文獻[12]研究了非理想信道估計下基于NOMA的異構車載通信的功率分配問題，論證了車載通信中高移動性引起的信道估計誤差對實現有效功率分配和鏈路可靠性的影響，提出了一種改進方案。最近，文獻[13]提出了一種空間復用允許的NOMA-V2X網絡，并由此構造了一個干涉超圖來解決這一問題。然而該干擾模型只考慮了干擾是否超過一個固定的門限，并忽略了干擾水平的影響，不能反映真實的干擾環境。眾所周知，由于道路交通的實時變化，車輛網絡是動態的，不可避免地會帶來網絡拓撲不穩定的問題。然而，文獻[14]提出了一種通過建立車輛網絡節點之間的連通圖，使網絡拓撲具有層次性和可擴展性，通過簇首節點來降低端到端通信的復雜性[15]。這種分簇方法已廣泛應用于V2X通信中，以提高車載網絡的性能[16-17]。車載網絡的擴展導致了能源消耗的巨大增加，而功率控制是在不降低車載網絡連通性和覆蓋范圍的情況下降低功耗的有效方法[18]。為了平衡簇首節點之間的功率分配以進一步提高下行鏈路的吞吐量，在V2X通信中采用了功率控制方法。如上所述，NOMA已經開發出功率域復用以滿足高過載傳輸的要求[10]。基于此，一些研究人員研究了基于NOMA的V2X通信中的功率控制方案[12，19]。

以上研究表明，基于NOMA的V2X通信將是未來的一個趨勢，因為它具有提高頻譜效率和改善用戶接入的潛在能力。 因此基于NOMA的車聯網，如何通過功率分配和用戶配對算法，進一步提高小區總的吞吐量與小區邊緣用戶吞吐量的折中還需要進一步研究。由于基于資源共享的NOMA-V2X網絡性能優化的效果受到限制，目前在NOMA應用的車載通信場景中的干擾管理問題也仍待有效解決。如何有效利用車輛分簇減少V2X通信的復雜性以提高道路交通效率以及用NOMA功率控制方法平衡簇首車輛之間的功率分配以進一步提高下行吞吐量都亟待深入研究。針對上述問題提出有效解決方案，從而提高系統性能，是一個新穎而有意義的研究方向。

車輛分簇被用來降低車輛與一切通信的復雜性，最終提高道路交通效率。考慮一個疊加編碼信號被傳送到位于兩個相鄰簇頭車輛(cluster head vehicle, CHV)通信范圍重疊區域的車輛上。對于COR-NOMA疊加方案，兩個CHV都將疊加編碼信號轉發給目標車輛。此外，該方案可以為研究多CHVs 5G-V2X網絡提供思路，可應用于未來的合作NOMA網絡，并促使未來的研究基于NOMA和兩個CHV的分簇重疊區域的性能改進。

(1)為了進一步提高遍歷性SR，全面研究COR-NOMA與兩個CHV的疊加傳輸方案。在信號接收時，MRC被用于最大化性能。目前還沒有考慮在5G-V2X網絡中的簇重疊區域結合NOMA技術，這是一種更為普遍和具有挑戰性的方案。

(2)導出在高信噪比(signal noise ratio, SNR)下傳輸方案遍歷性SR的閉式解，其性能損失可以忽略不計。值得注意的是，針對多個CHVS 5G-V2X網絡的兩級疊加傳輸，由于很難得到遍歷SR的精確表達式，因此很少有研究工作。

(3)從分析和數值上比較NOMA方案和時分多址(time division multiple access， TDMA)方案在遍歷SR方面的優缺點。

1 系統模型

重點研究了由1個基站和2個基于NOMA的CHVs構成的下行鏈路傳輸方案。根據遠近效應，功率域NOMA為信道增益好的用戶分配較少的功率資源。2用戶模式不僅代表了用戶之間的權限域差異，而且有助于協同NOMA分析和部署。因此，兩輛CHV的功率分配足以說明車輛之間功率分配的關鍵方面，同時避免不必要的復雜化。雖然研究限制在兩個CHV間，但是所提出的方法可以擴展到多個CHV。

假設基站(base station, BS)和兩個CHV之間的距離為d1

然而，由于網絡的密集拓撲，當多個CHV(如圖1所示的CHV1和CHV2)被分配相同的時頻資源時，那些位于兩個相鄰CHV的通信范圍的重疊區域中的CV[如圖1所示，稱為干擾簇車輛(interference cluster vehicle，CVI)]可能有嚴重的沖突。在傳統的OMA情況下，沖突的CV可能由于嚴重的干擾而無法解碼多個CHV信號，從而導致額外的重傳延遲。為了降低沖突和傳輸延遲的概率，考慮無線資源的非正交分配，使得一個子信道可以同時被多個CHV占用。與OMA情況相比，CHV-CV鏈路的數據速率可以增加，并且每次碰撞的CV(如圖1中的CVI)更有可能使用SIC技術解碼接收到的疊加信號。這可以減少數據沖突并增加系統支持的用戶數。

圖1 兩個分簇場景Fig.1 Two clustering scenarios

BS向兩個基于NOMA的CHV發送的消息信號表示為

式(1)中：ai(i=1,2)為功率分配系數；S1和S2分別為消息信號，滿足E[|Si|2]=1。 根據信道質量， 假設0

式中:hBi為從BS到CHV的瑞利信道衰落系數， 服從復高斯分布，均值為0、方差為σBi,即hBi～CN(0,σBi)。同樣地hCHViI為從CHVi到CVI的瑞利信道衰落系數,hCHViI～CN (0,σCHViI)。假設所有的信道都只受加性高斯白噪聲的影響，n1和n2分別是在CHV1和 CHV2 處、方差為N0的加性高斯白噪聲。

為了確保接收到的信號被成功解碼并且在CHVs處存在SIC，考慮鏈路BS-CHV的預定目標傳輸速率低于相應的可實現速率。在第一時間段，對于傳輸鏈路BS→CHV1，有

因此，傳輸鏈路BS→CHV1的消息S1的可達數據速率為

由于消息S2的信號功率大于消息S1，因此在CHV2處解碼消息S2的SNR直接可以表示為

傳輸鏈路BS→CHV2的可達數據速率表示為

同樣地，在CHV2處解碼消息S1的SNR可以表示為

在第二個時間段，圖2中的CVI接收來自CHV1和CHV2的轉發疊加信號，即

圖2 應用于簇間的疊加編碼信號傳輸方案Fig.2 Superposition coded signal transmission scheme applied to the clusters

式中：Pv1和Pv2分別為CHV1和CHV2的傳輸功率；bi為新的功率分配系數，滿足b1+b2=0.5，b1>b2,類似于ai的功率分配假設。為了簡化對V2V通信過程的分析，假設CHVs具有相同的傳輸功率。通過利用CVI上的最大速率合并(maximum ratio combining，MRC)接收，S1和S2相應的接收SNR可以表示為

因此，可達到的和速率SR可以表示為

2 基于NOMA的簇重疊區域性能改進

本節詳細分析了本文方案可達到的遍歷性SR，并在假設每個獨立信道都經歷瑞利衰落的情況下，得到了可達到的遍歷SR的閉式表達式。

很明顯，式(17)的導數相當復雜，故轉向一個近似的較高SNR，即

因為ρ?1，可以得到

對于式(21)，使用等式

S1遍歷性SR的閉式表達式可以表示為

最后，S1和S2總的SR閉式表達式可以表示為

3 仿真與性能評估

從遍歷SR的角度使用MATLAB仿真軟件檢驗提出的COR-NOMA方案的性能，所有結果的平均值都超過9 000個信道實現。仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

圖3 COR-NOMA疊加方案和TDMA方案相對于傳輸信噪比的遍歷性SR性能Fig.3 The ergodic SR of COR-NOMA superposition scheme and the TDMA schemes

圖4、圖5描述了COR-NOMA疊加方案的遍歷性SR性能與功率分配因子a2和b2的關系，設置σB1=σB2=15，σCHV1I=σCHV2I=2。由圖4(a)可知，存在一個最優值a2最大化遍歷性SR。此外，隨著信噪比的增加，對于最優遍歷性SR其對應的a2將接近于1。圖4(b)詳細顯示了ρ=35 dB的結果。從圖5可知，觀察到當b2接近0.5時，存在最優SR。此外，隨著a2值的增加，相應的遍歷性SR也將增加。

圖4 COR-NOMA疊加方案的遍歷性SR性能與功率分配因子a2的關系Fig.4 The ergodic SR with respect to power allocation factors a2 for the COR-NOMA superposition scheme

圖5 COR-NOMA疊加方案的遍歷性SR性能與功率分配因子b2的關系Fig.5 The ergodic SR with respect to power allocation factors b2 for the COR-NOMA superposition scheme

圖6比較了COR-NOMA方案的遍歷性SR性能與功率分配因子a2和b1的關系，設置σB1=1，σB2=10，σCHV1I=1，σCHV2I=2以及ρ=25、35 dB。由圖6可知，遍歷性SR的最大結果的5.201 2 bps/Hz和3.905 9 bps/Hz。總之，COR-NOMA疊加方案的遍歷性SR具有突出的優勢。

圖6 COR-NOMA疊加方案的遍歷性SR性能與功率分配因子a2和b1的關系Fig.6 The ergodic SR of the COR-NOMA schemes versus power allocation factors a2and b1

4 結論

在傳統的OMA情況下，相鄰兩個簇之間沖突的車輛可能由于嚴重的干擾而無法解碼多個CHV信號，從而導致額外的重傳延遲。為了降低沖突概率和傳輸延遲，考慮無線資源的非正交分配，提出了COR-NOMA疊加編碼信號傳輸方案，并推導了可實現遍歷SR的閉式表達式。數值結果驗證了理論分析的正確性，結果表明，對于COR-NOMA，遍歷性SR的性能得到了顯著的改善。