0 引言

    相比直接傳輸，車載協(xié)作通信技術(shù)可以滿足高傳輸速率、大覆蓋范圍、高可靠性等無線通信的需求，因而得到廣泛應(yīng)用^[1]。在車載協(xié)作通信系統(tǒng)中，常采用AF、DF或者HDAF協(xié)議。而AF協(xié)議對信號的處理過程簡單，時(shí)延較低，對硬件和系統(tǒng)的復(fù)雜度要求不高，在實(shí)際應(yīng)用較多^[2]。使用傳統(tǒng)的單向中繼協(xié)作技術(shù)的系統(tǒng)在第一時(shí)隙和第二時(shí)隙存在兩路信號傳輸干擾，消耗了系統(tǒng)的傳輸功率。相較于傳統(tǒng)的單向中繼技術(shù)，近幾年提出的雙向中繼協(xié)作系統(tǒng)雖然需要消耗2～3個(gè)時(shí)隙，但可以有效改善單向中繼協(xié)作技術(shù)的這一缺陷，節(jié)省傳輸功率，并提高了頻譜效率^[3-4]，該技術(shù)也因此得到深入研究和使用。車輛的離散性和高速移動(dòng)性、基站天線架設(shè)高度較低、散射環(huán)境復(fù)雜以及建筑物的阻擋等原因，降低了短距離內(nèi)通信系統(tǒng)的中斷性能。文獻(xiàn)[5]考慮復(fù)雜的車輛周邊環(huán)境，建立的雙瑞利(Double-Rayleigh)衰落模型能較好地反映V2V信道的小尺度衰落特性。文獻(xiàn)[6]基于雙向中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，研究了基站天線架設(shè)高度較高情況下的系統(tǒng)中斷性能，對于終端的移動(dòng)性對系統(tǒng)中斷性能的影響未進(jìn)行充分的考慮。文獻(xiàn)[7]在多種基站天線架設(shè)高度情況下進(jìn)行研究分析，得出的相關(guān)系數(shù)能夠較好地反映車輛移動(dòng)對系統(tǒng)中斷性能的影響，但是計(jì)算過程較復(fù)雜，也未提及相應(yīng)的功率分配方案。

    綜上所述，本文建立以架設(shè)高度較低的天線為中繼的車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)模型，并且采用相關(guān)系數(shù)描述車輛移動(dòng)造成的雙向鏈路特性。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)的中斷概率表達(dá)式，并分析相關(guān)系數(shù)和功率分配系數(shù)對系統(tǒng)中斷性能的影響。 

1 系統(tǒng)模型

    第n時(shí)隙：源節(jié)點(diǎn)S向周邊廣播信息，中繼節(jié)點(diǎn)R接收到的信息為： 

    源節(jié)點(diǎn)S接收到的信息為：

    在雙向轉(zhuǎn)發(fā)鏈路當(dāng)中，采用簡單便于性能分析的AF方式進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)發(fā)，其中β為中繼節(jié)點(diǎn)R的發(fā)射功率占比系數(shù)，滿足0≤β≤1。

    中繼節(jié)點(diǎn)R采用最大比合并，由于接收方本身已知自身信息，可以在接收到信息之后先消除本身的已知量再進(jìn)行信息合并。因此，為減少計(jì)算消耗，源節(jié)點(diǎn)S接收信息的表達(dá)式為：

    源節(jié)點(diǎn)S-中繼節(jié)點(diǎn)R傳輸鏈路信噪比為：

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 中斷性能分析

    在車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)下的中斷概率為：

2.2 最優(yōu)功率分配

    最優(yōu)功率分配方案對車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)有著重要影響。根據(jù)式(23)、式(24)可知，式(32)即系統(tǒng)的中斷概率與功率分配系數(shù)β相關(guān)，所以，為了求得中斷概率最小則需要對β求最值。根據(jù)中斷概率最小可得最優(yōu)功率分配關(guān)系式如下：

    中繼節(jié)點(diǎn)R根據(jù)最優(yōu)功率分配系數(shù)β_OPT分配功率給其余節(jié)點(diǎn)。根據(jù)式(25)與式(26)可知，信道容量最大時(shí)同樣可得中斷概率最小^[4]。在此系統(tǒng)當(dāng)中，直接根據(jù)信道容量求解最優(yōu)功率分配系數(shù)，計(jì)算相對簡單，所以將式(34)轉(zhuǎn)化為式(35)：

    在第三時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)計(jì)算源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的功率，再依據(jù)式(36)的最優(yōu)功率分配系數(shù)，同時(shí)向源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送信號，可以使得車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)的中斷概率得到最小化，既保證通信的服務(wù)質(zhì)量，又節(jié)省了系統(tǒng)功率。

3 數(shù)值分析

    為了探討車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)下的中斷性能影響因素，本文考率到雙向鏈路的相關(guān)性。在相關(guān)系數(shù)不同取值情況下，并結(jié)合功率分配系數(shù)相比較，對系統(tǒng)中斷性能進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)合傳統(tǒng)單向中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，對系統(tǒng)中斷概率所得最優(yōu)功率分配方案做了比較。

    忽略雙向鏈路相關(guān)性，僅考慮功率分配系數(shù)?茁取值對系統(tǒng)中斷性能的影響。設(shè)置相關(guān)系數(shù)ρ=0，此時(shí)認(rèn)為車輛移動(dòng)造成的鏈路相關(guān)性可以忽略不計(jì)。中繼節(jié)點(diǎn)R發(fā)射功率的分配系數(shù)分別取β=0.1、β=0.7。由圖2可知，中斷性能隨著信噪比的增加而下降。然而信噪比增大到20 dB時(shí)，才能對比出兩個(gè)不同的功率分配系數(shù)對應(yīng)的中斷概率曲線的不同?？梢姾雎韵嚓P(guān)系數(shù)的影響，僅提高功率分配系數(shù)對提升系統(tǒng)中斷性能的效果不顯著。

    針對圖2的情況，在圖3中，設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配系數(shù)均為β=0.3，觀測雙向鏈路相關(guān)系數(shù)取值分別為ρ=0.4、ρ=0.8、ρ=1時(shí)，對在車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)中斷性能的影響。圖3中，當(dāng)ρ=0.8、ρ=1時(shí)，系統(tǒng)中斷性能比ρ=0.4差，當(dāng)信噪比SNR增大到20 dB后，ρ=0.4對應(yīng)的系統(tǒng)的中斷性能呈指數(shù)下降。對比圖2和圖3可知，相關(guān)系數(shù)對系統(tǒng)中斷性能的影響更大。

    針對圖2和圖3的情況，圖4同時(shí)考慮不同的功率分配系數(shù)和相關(guān)系數(shù)對系統(tǒng)中斷性能的影響。由圖4可知，ρ=1的曲線始終在ρ=0.3的曲線上方，說明影響系統(tǒng)中斷性能主要取決于雙向鏈路的相關(guān)性。比較ρ=0.3、β=0.4和ρ=0.3、β＝0.7的中斷性能曲線，發(fā)現(xiàn)并不是功率分配系數(shù)β越大，系統(tǒng)中斷性能越好。利用合適的功率分配方案，可以有效提高系統(tǒng)的中斷性能。

    針對圖4考慮了不同功率分配系數(shù)和雙向鏈路相關(guān)系數(shù)對系統(tǒng)中斷性能的影響，圖5考慮在車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)下，使用最優(yōu)功率分配策略對系統(tǒng)中斷性能影響。如圖5所示，由于城市環(huán)境復(fù)雜，障礙物較多，車流量大，因此直接傳輸系統(tǒng)中斷性能最差，基本無法保障通信服務(wù)質(zhì)量。傳統(tǒng)單向中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配策略次優(yōu)，經(jīng)過中繼的協(xié)作可以有效降低系統(tǒng)的中斷概率。而結(jié)合雙向鏈路相關(guān)系數(shù)ρ得出的最優(yōu)功率分配方案的中斷性能，因?yàn)榻Y(jié)合了兩路信號并且考慮到了兩路之間的相關(guān)性，利用功率分配方案得出的中斷性能分析結(jié)果，比傳統(tǒng)的單向中繼協(xié)作系統(tǒng)中斷性能更優(yōu)。由圖5可知，最優(yōu)功率分配方案下可以有效節(jié)省能耗，平均可以節(jié)省功率2~4 dB。

4 結(jié)束語

    本文基于建立的車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)模型，通過相關(guān)系數(shù)來描述車輛移動(dòng)造成的雙向鏈路特性。采用便于性能分析的AF方式求出中斷性能的閉式解，簡化了計(jì)算復(fù)雜度，并得到了相應(yīng)的最優(yōu)功率分配系數(shù)。數(shù)值分析表明，車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)中，僅僅增大功率分配系數(shù)對系統(tǒng)的中斷性能影響較小，相關(guān)系數(shù)比功率分配系數(shù)對中斷性能影響的幅度更大。結(jié)合相關(guān)系數(shù)，在車載雙向鏈路相關(guān)性系統(tǒng)下的最優(yōu)功率分配方案，對比傳統(tǒng)單向AF中繼協(xié)作通信的最優(yōu)功率分配方案，可以減少系統(tǒng)功耗，具有一定的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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作者信息:

林瀟瑜1，邱  斌1，2，肖海林1，3

（1. 桂林電子科技大學(xué) 認(rèn)知無線電與信號處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541004；

2.桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林541004；3.溫州大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 溫州325035）