基于信道反轉的C-V2X動態功率控制方案

翟捷萍，劉小蘭，肖海林,2

研究與開發

基于信道反轉的C-V2X動態功率控制方案

翟捷萍1，劉小蘭1，肖海林1,2

（1. 桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004； 2. 湖北大學計算機與信息工程學院，湖北 武漢 430062）

蜂窩車用無線通信（cellular vehicle-to-everything, C-V2X）系統中，基于V2V（vehicle-to-vehicle）車載通信采用復用蜂窩用戶（cellular user, CUE）的頻譜資源減輕基站負載實現部分近場V2V通信，在提高系統傳輸速率的同時也產生了同頻干擾的問題。針對該問題，提出基于信道反轉的動態功率控制方案，在非截斷區內對V2V用戶（V2V user, VUE）進行信道反轉功率控制，補償因發射功率有限造成的截斷中斷，通過動態功率控制解決蜂窩用戶和V2V用戶間的同頻干擾。在此基礎上，通過拉格朗日乘子法得到目標函數的最優對偶解，利用二分法確定CUE和VUE的最優功率，滿足蜂窩用戶傳輸速率要求的同時最大化V2V用戶的總傳輸速率。數值仿真結果表明，當VUE總中斷概率為0.866時，該方案使系統性能提升了48%。

C-V2X；車載通信；信道反轉；功率控制

1 引言

隨著城市智能交通系統的快速發展，車輛間通信需求逐漸增多[1-3]。在車輛自組織網絡（vehicular Ad Hoc network）下車輛間通信對傳輸速率和可靠性的要求也隨之提高[4-5]。與傳統車輛自組織網絡相比，V2V（vehicular-to-vehicular）作為無須經過基站轉發近距離的自主通信，具有低時延、高速率的特點，而采用復用模式進行V2V通信，在減輕基站負擔的同時，也大大提高了頻譜資源的利用率。然而，在基于蜂窩車用無線（cellular vehicular-to-everything，C-V2X）通信系統中，V2V用戶（V2V user，VUE）復用蜂窩用戶（cellular user，CUE）信道資源進行V2V通信會隨之產生相應的同頻干擾問題[6-7]。

近年來，相關學者對復用模式下終端直通（device-to-device，D2D）通信的干擾問題展開相應研究[8-11]：

·參考文獻[8]分析了CUE及D2D用戶（D2D user，DUE）的干擾問題和系統的遍歷速率，但是只考慮了單個CUE及單個DUE；

·參考文獻[9]在基于蜂窩網絡的V2V通信下，以最大化總速率和最小可達速率為目標進行信道選擇與功率控制，以此實現系統的最佳性能；

·參考文獻[10]在混合D2D蜂窩網絡中采用模擬退火算法，從資源分配與功率控制兩方面來進一步增大系統總吞吐量，但CUE和DUE間的相互干擾并未詳細考慮；

·參考文獻[11]提出一種聯合功率及信道分配算法，在CUE的速率、DUE的中斷概率及等待時間約束下最大化CUE和速率。

以上研究表明，無線通信網絡中的同頻干擾通過功率控制可以有效解決。

為進一步實現網絡性能的優化，基于信道反轉的研究也引起了廣泛關注[12-13]：

·參考文獻[12]在蜂窩無線網絡中，由單層拓展到多層，上行鏈路傳輸采用基于信道反轉的功率控制，分析相應網絡參數與性能；

·參考文獻[13]著眼于安全D2D傳輸設計，采用信道反轉功率控制，推導出兩跳傳輸情況下的安全中斷概率表達式。

但參考文獻[12-13]都只考慮擁有單一用戶的無線通信網絡。

綜合以上考慮，本文在基于C-V2X通信系統中，針對CUE及VUE間的同頻干擾，提出了基于信道反轉的動態功率控制方案，利用信道反轉補償VUE在非截斷區內因有限發射功率造成的截斷中斷，在滿足所有CUE速率需求的情況下，通過拉格朗日乘子法及二分法確定CUE和VUE的最優功率，使VUE總傳輸速率最大化。數值仿真結果表明，本文所提方案與其他方案相比能夠很好地使系統中VUE總傳輸速率最大化。

2 模型建立

2.1 模型描述

圖1 系統模型

由于資源復用所引起的小區內干擾模型如圖2所示。從圖2中可以看出，VUE復用CUE上行資源，產生的干擾主要是 VUE發送端對基站的干擾、CUE對 VUE接收端的干擾、復用同一CUE資源的其他 VUE的干擾。

圖2 小區內干擾模型

2.2 中斷分析

2.2.1 CUE中斷概率

當CUE的通信服務質量（quality of service, QoS）被滿足時，其中斷概率可以表示為：

利用參考文獻[14]中公式（9.1）的定義，可以得到：

2.2.2 VUE中斷概率

當 VUE的QoS被滿足時，其中斷概率可以表示為：

將式（12）～式（15）代入式（11），可得 VUE的中斷概率表示為：

2.3 問題形成

根據上述分析，為提高系統性能，實現VUE總傳輸速率最大化的目標，在滿足所有CUE速率需求前提下，以及在最大發射功率和最小SINR約束下提出目標函數及約束條件表示如式（20）：

3 基于信道反轉的功率控制方案

3.1 功率控制方案

為了解決CUE和VUE間的同頻干擾問題，對VUE進行動態的功率控制，功率控制模型如圖3所示，保證區內用戶的正常通信。本文考慮以VUE發送端為中心，在其周圍形成兩個區域[17]——等強度邊界及非截斷區，分成（a）、（b）、（c）3種情況進行說明。

圖3 功率控制模型

等強度邊界在VUE發送端周圍形成，在此區域內VUE信號強度占主導，區域外CUE信號強度占主導，而在邊界處VUE和CUE的信號強度相等。

在非截斷區內，VUE因有限的功率導致V2V通信受到限制，無法通信。而超過非截斷區的邊界，VUE就會因為有限的功率而被截斷，所以在此區域內對VUE進行基于信道反轉的功率控制，增大VUE發射功率，補償VUE因發射功率有限而造成截斷中斷。此區域外，VUE發送端由于功率不足無法反轉路徑損耗而不能進行V2V通信。

上述兩種區域分為以下3種情況分別對應圖3中的（a）、（b）、（c）。

（a）等強度邊界>非截斷區

VUE與CUE距離較遠時，在兩環的邊界，VUE的信號強度不會對CUE引起強烈的干擾，但由于距離較遠，對VUE來說復用遠距離的CUE并不是一個很好的選擇，并且對VUE本身來說也沒有足夠的功率支持V2V通信。

（b）等強度邊界<非截斷區

此種情況下，兩區域的環空區CUE信號較弱，而非截斷區所擴展到等強度邊界外的區域VUE的信號將被浪費，因為它不會在CUE更強的信號干擾下進行V2V通信。

（c）等強度邊界=非截斷區

在特定傳輸功率下的VUE，距離CUE兩個區域的邊界重疊，這便產生了最有利于VUE通信的區域，在此區域內VUE有足夠的通信信號強度，并且大于CUE信號強度。

綜上分析，所提出的功率控制使得等強度邊界和非截斷區相等。在此區域內，VUE有足夠的功率進行通信，并且信號強度大于CUE的信號強度，保證了此區域是對VUE通信最有利的區域。

因此，功率優化方案下VUE的中斷概率表示為：

進一步化簡可得：

根據所提出的動態功率控制方案，VUE與最近的CUE距離很小時，VUE會降低其發射功率，減少與CUE間的同頻干擾，以確保區域內用戶的正常通信。同時，為減輕基站的負載且提高頻譜利用率，本文考慮所有VUE復用CUE上行鏈路資源進行通信，并對VUE總中斷概率進行分析。

3.2 VUE總中斷概率分析

基于低密度的C-V2X通信系統，截斷中斷發生時，VUE并不總能找到相應的CUE信道進行復用。而在非截斷區之外，VUE沒有足夠的功率進行V2V通信，會發生截斷中斷，所以VUE需要在特定區域內找到可以復用的CUE，以此進行V2V通信。此時，VUE復用距離最近的CUE信道，進行V2V通信。VUE復用CUE上行資源的復用模型如圖4所示。

圖4 VUE復用CUE上行資源的復用模型

基于上述分析，可知VUE總中斷概率包括SINR中斷概率和截斷中斷概率，VUE的總中斷概率表示為：

3.3 基于拉格朗日及二分法的功率分配

確定CUE和VUE最佳發射功率的優化問題可以改寫成：

4 數值分析

在本節中，首先對CUE中斷性能與SINR門限值的關系進行分析；其次分析VUE總中斷性能與SINR門限值間的關系；緊接著在系統性能分析的基礎上，將本文所提方案與參考文獻[20]和參考文獻[21]的方案進行了對比，分別對系統中不同用戶的傳輸速率及VUE總傳輸速率進行相應分析。具體仿真參數設置見表1。

表1 仿真參數設置

（1）中斷概率

CUE中斷概率與SINR門限值的關系如圖5所示，反映的是CUE的中斷性能與SINR門限值間的變化情況。隨著SINR逐漸增大，CUE的中斷概率隨之升高，并且在不同的VUE密度下，隨著VUE密度增大，CUE的中斷概率也逐漸升高。這是由于VUE密度越大時，VUE與CUE間的同頻干擾越大，CUE的中斷概率越高，所以解決CUE與VUE間的同頻干擾問題是很有必要的。

圖5 CUE中斷概率與SINR門限值的關系

本文中對VUE進行基于信道反轉的功率控制是對VUE截斷中斷的補償，VUE總中斷概率與SINR門限值間的關系曲線如圖6所示，通過分析信道反轉功率控制系數與總中斷性能間的關系驗證本文所提出的基于信道反轉的功率控制方案的有效性。

圖6 VUE總中斷概率與SINR門限值的關系曲線

（2）性能分析

不同用戶的總傳輸速率如圖7所示，將本文所提方案與參考文獻[20]、參考文獻[21]對系統中所有用戶的傳輸速率進行比較。結果表明，本文所提方案在VUE和速率、CUE和VUE總速率兩方面均優于其他方案。參考文獻[20]考慮和速率最大方案，參考文獻[21]考慮總速率最大方案，而本文所提方案在滿足所有CUE速率需求下對CUE和VUE確定了最優功率，因此從圖7中可以看出，本文所提方案既實現VUE總速率最大目標，也保證了CUE總速率處于較高水平。

圖7 不同用戶的總傳輸速率

VUE總速率與VUE數量變化趨勢如圖8所示，描繪了VUE對總和速率與VUE對數量變化的關系曲線評估功率分配的不同方案。從圖8中可以看出，隨著VUE數量的增多，VUE總速率單調遞增，本文所提的功率分配方案明顯優于參考文獻[20]、參考文獻[21]所提方案。本文所考慮的是多個VUE對復用同一CUE信道資源，在動態功率控制的基礎上，通過拉格朗日乘子法得到目標函數的最優對偶解、利用二分法確定了CUE和VUE的最優功率，實現了VUE總傳輸速率最大化。本文所提方案與參考文獻[21]所提方案相比在VUE的數量為50時，性能提升了48%。

圖8 VUE總傳輸速率與VUE數量變化趨勢

5 結束語

本文針對基于C-V2X系統復用模式下CUE與VUE間的同頻干擾問題，提出了動態功率控制方案，對VUE進行基于信道反轉的功率控制，補償因發射功率有限造成的截斷中斷，由動態功率控制解決CUE和VUE間的同頻干擾。再通過拉格朗日乘子法得到目標函數的最優對偶解，利用二分法確定了CUE和VUE的最優功率，實現了VUE總傳輸速率最大化。數值仿真結果表明，當VUE總中斷概率為0.866時，本文所提方案使系統性能提升了48%。

[1]HOU X S, LI Y, JIN D P, et al. Modeling the impact of mobility on the connectivity of vehicular networks in large-scale urban environments[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(4): 2753-2758.

[2]NABOULSI D, FIORE M. Characterizing the instantaneous connectivity of large-scale urban vehicular networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing, 2017, 16(5): 1272-1286.

[3]王君, 紀曉東, 張欣然, 等. 5G蜂窩車聯網組網性能研究[J]. 電信科學, 2020, 36(1): 49-57. WANG J, JI X D, ZHANG X R, et al. Performance evaluation of 5G cellular vehicle networks[J]. Telecommunications Science, 2020, 36(1): 49-57.

[4]LIANG L, LI G Y, XU W. Resource allocation for D2D-Enabled vehicular communications[J]. IEEE Transactions on Communications, 2017, 65(7): 3186-3197.

[5]CICALòS, TRALLI V. QoS-aware admission control and resource allocation for D2D communications underlaying cellular networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2018, 17(8): 5256-5269.

[6]LI X S, SHANKARAN R, ORGUN M A, et al. Resource allocation for underlay D2D communication with proportional fairness[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, 67(7): 6244-6258.

[7]LIU X L, XIAO H L, CHRONOPOULOS A T. Joint mode selection and power control for interference management in D2D-Enabled heterogeneous cellular networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020, 69(9): 9707-9719.

[8]NI Y Y, JIN S, XU W, et al. Beam forming and interference cancellation for D2D communication underlaying cellular networks[J]. IEEE Transactions on Communications, 2016, 64(2): 832-846.

[9]REN Y, LIU F Q, LIU Z, et al. Power control in D2D-based vehicular communication networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015, 64(12): 5547-5562.

[10]余翔, 張海波, 楊路. 混合D2D蜂窩網絡中基于模擬退火算法的資源調度策略[J]. 電信科學, 2017, 33(4): 71-77. YU X, ZHANG H B, YANG L. Resource scheduling strategy based on simulated annealing algorithm in hybrid D2D cellular networks[J]. Telecommunications Science, 2017, 33(4): 71-77.

[11]WANG Y L, CHEN M, HUANG N, et al. Joint power and channel allocation for D2D underlaying cellular networks with rician fading[J]. IEEE Communications Letters, 2018, 22(12): 2615-2618.

[12]ELSAWY H, HOSSAIN E. On stochastic geometry modeling of cellular uplink transmission with truncated channel inversion power control[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2014, 13(8):4454-4469.

[13]HU J S, YAN S H, ZHOU X Y, et al. Covert wireless communications with channel inversion power control in rayleigh fading[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019, 68(12): 12135-12149.

[14]JEFFREY A, ZWILLINGER D. Table of integrals, series, and products[M]. Cambridge: Academic Press, 2007.

[15]SUN J, ZHANG Z Z, XIAO H L, et al. Uplink interference coordination management with power control for D2D underlaying cellular networks: modeling, algorithms, and analysis[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, 67(9): 8582-8594.

[16]LEE N, LIN X Q, ANDREWS J G, et al. Heath. power control for D2D underlaid cellular networks: modeling, algorithms, and analysis[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2015, 33(1): 1-13.

[17]SWAMI P, MISHRA MK, TRIVEDI A. Analysis of downlink power control and cooperation scheme for two-tier heterogeneous cellular network[J]. International Journal of Communication Systems,2017, 30: e3282.

[18]WANG M, GAO H, SU X, et al. Joint channel allocation, mode selection and power control in D2D-enabled femtocells[C]//2016 IEEE Military Communications Conference. [S.l.:s.n.], 2016: 454-459.

[19]BOYD S, VANDENBERGHE L. Convex optimization[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2004.

[20]ABRARDO A, MORETTI M. Distributed power allocation for D2D communications underlaying/overlaying OFDMA cellular networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2017, 16(3): 1466-1479.

[21]SALEEM U, JANGSHER S, QURESHI H K, et al. Joint subcarrier and power allocation in the energy-harvesting-aided D2D communication[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2018, 14(6): 2608-2617.

Dynamic power control scheme for C-V2X communication with channel inversion

ZHAI Jieping1, LIU Xiaolan1, XIAO Hailin1,2

1. School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China 2. School of Computer and Information Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China

In cellular vehicle-to-everything（C-V2X）system, V2V（vehicle-to-vehicle）-based communication utilizes the spectrum resource of cellular users（CUE）to reduce the load of base stations, and thus realize partial near-field V2V communication. Although the V2V-based communication can improve the transmission rate of system, it causes co-frequency interference. To solve the problem, a dynamic power control scheme with channel inversion was proposed. In this scheme, channel inversion power control on V2V users（VUE）was performed to compensate the truncation interruption caused by limited transmission power in the non-truncated area, where the co-frequency interference between cellular users and V2V users was solved through dynamic power control. Furthermore, the optimal dual solution of objective function was obtained by Lagrange multiplier method and the optimal power allocation was carried out for cellular users and V2V users by bisection method, which met the rate requirements of all cellular users. Finally, the total transmission rate of V2V users was maximized. Numerical simulation results were shown that when the total outage probability of V2V users was 0.866, the proposed scheme was promoted by 48%.

C-V2X, vehicle communication, channel inversion, power control

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021030

2020?11?23；

2021?02?05

肖海林，xhl_xiaohailin@163.com

國家自然科學基金資助項目（No.61872406，No.61472094）；浙江省重點研發計劃項目（No.2018C01059）

The National Natural Science Foundation of China (No.61872406, No.61472094), The Key Research and Development Project of Zhejiang Province of China (No. 2018C01059)

翟捷萍（1995? ），女，桂林電子科技大學碩士生，主要研究方向為車載通信。

劉小蘭（1995?），女，桂林電子科技大學碩士生，主要研究方向為無線通信和協作通信。

肖海林（1976?），男，湖北大學計算機與信息工程學院教授，主要研究方向為車載無線通信、MIMO無線通信、協作通信。