干扰受限场景中协作中继选择在VANET中的应用

王桐 张耀

摘 要：在VANET城市场景中，由于路边单元（RSU）覆盖范围有限，导致移动中的部分车辆无法直接与路边单元的网络接入点（AP）直接进行通信，可以通过路边单元覆盖范围内的愿意充当中继角色的中继车辆（RV）进行数据包的转发来帮助源车辆（SV）完成与路边单元之间通信。在此期间，由于同道干扰的的存在会对选择最优中继车辆过程造成影响，提出了一种基于适用车辆节点间通信的Nakagami信道衰减模型的干扰受限场景中的多中继选择策略RSILV），该策略降低了中断概率，优化系统性能。

关键词：VANET；同道干扰；中继选择；中断概率；鲁棒性；

1 引言

交通事故因其极强的"杀伤力"被称为世界"头号杀手"。作为智能交通系统重要基础之一的车辆ad-hoc网络（VANETs[1]）概念就是在这种需求背景下提出的。VANETs在近些年备受关注。

文献[2]提出了一种基于瞬时链路信息的RV车辆节点选择方法，但是未考虑带来的通道干扰问题。文献[3]提出一种基于平均链路信息的RV车辆选择算法。

文章结构如下，第2章主要介绍系统模型；第3章主要对所提RSILV策略及其中断概率分析；第4章主要是对实验仿真进行分析；第5章主要是结论。

2 模型建立

图1 .系统模型

考虑的是车载网应用场景的上行链路，如图1所示，该网络是由两个AP节点、若干SV节点和RV节点组成，这里采用二阶段通信方法，它们的通信只能经由一个潜在可用RV节点簇也就是集合 SRV={1，2…N}完成。根据分析需要将其分为两个集群，分别为集群C1、集群C2。C1由与AP1节点通讯的相关SV节点和RV节点组成，也就是SV1节点通过潜在RV节点完成与AP1节点通信，C2由SV2节点和AP2节点组成，为SV2节点直接与AP2节点通信，完成联网过程。

在潜在RV节点簇中，第k个RV节点接收的信号为：

（1）

AP1节点的接收信号

（2）

x为目标集群SV1节点的信号，x`为相邻集群SV2节点的干扰信号，PS和PS`为SV1节点和SV2节点发送单个符号的平均功率，hS，k、hS`，k和hk，D为SV1节点和RVk节点、SV2节点和RVk节点、RVk节点和AP节点之间的链路信道增益系数，分别服从参数为Nakagami分布，nk和nD分别为SV1与SVk、SVk与RSU之间链路的加性高斯白噪声，其方差都为N0。由于两跳信道的对称性，所以令ΩS，k=Ωk，D，因此，平均信号与干扰的功率比为：

（3）

γS，k和γINF分别代表SV1节点和RVk节点SNR、SV2节点和RVk节点链路的干扰与噪声比（INF）。

放大系数G为：

（4）

假设SV节点和RV节点的发射功率相等，

（5）

分别为SV1节点到RVk节点的瞬时信噪比和RVk到AP1的瞬时信噪比，与之对应的是SV2节点到RVk的瞬时信噪比。

（6）

根据传统的最大最小RV选择（Max-Min Relay Selection）推导得出瞬时SV1节点到AP1节点的端到端的瞬时信号与噪声加干扰比SINR为：

（7）

在高信噪比（SNR→）场景中，SINR的统计表达式可以简化成：

（8）

根据文献[4]可知，通过大量实验和数据统计，车载网节点之间一跳平均通信距离为理论距离为150米，在此种距离时m的值大约为1，所以得到该系统渐进性描述信号与干扰加噪声比的概率密度函数（PDF）和积累分布函数（CDF）分别为：

（9）

3 RSILV策略及其中断概率分析

所提RSILV策略主要解决RV选择过程的同道干扰问题。在低信噪比区域时，公式（7）中传统项远远大于干扰项，也即是传统项在退化系统性能方面占显性，可以将公式（7）简化为无干扰的传统两跳的无干扰情况的RV选择方案；由前边可知，在高信噪比区域时，干扰项远远大于传统项，也就是说，在影响系统性能退化方面，干扰项占显性；在中间信噪比区域，干扰项和传统项都不占显性。所以，RSILV策略按区域不同，分为三种，分别是适用于低信噪比区域的传统RV选择方案（CMRSS）；适用于中间信噪比的半渐进多RV选择方案（SARSS）；适用于高信噪比区域的渐进多RV选择方案（AMRSS）。 SAMRSS方案和AMRSS方案是在传统RV选择方案基础上提出的，所以为了介绍RSILY策略，需要先介绍传统最大最小RV选择方案。

3.1传统最大最小中继选择

首先考虑的是无干扰的环境的传统RV选择，可以表示为：

（10）

这种RV选择方法是为无干扰场景设计的并没有充分考虑干扰场景。所提所有策略都可以看成是该传统选择策略的拓展。

3.2渐进中继选择方案AMRSS

第一个被提出的RV选择方案是由在高信噪比环境中对系统整体的SINR进行渐进而产生。该渐进中继选择方案可以被描述为：

（11）

式中kAsym為被选择RV的索引值。

因此，相应的中断概率为：

（12）

3.3 半渐进中继选择方案SAMRSS

半渐进选择方案结合了传统RV选择方案和渐进RV选择方案，它适合“中间”区域的信噪比。半渐进的RV选择方案可以表示为：

（13）

经过推导后，其中断概率边界为：

（14）

4 实验仿真

令Nakagami-m信道中参数m=1，Ω=1。图2，3设RV数目为1，分别比较当RV总数N=2 RVs，L=8和当RV总数N=4 RVs，L=4时，不同选择方案在平均SNR（γ）下的误码率。进行BPSK调制。用随机RV选择、干扰最小值的RV选择、最优S-k链路RV选择几种RV选择作为BER的参照曲线。首先，可以看出被考虑的结构性干扰限制了AF系统的分集增益。然而，“选择”过程可以有效的提高系统性能。通过与随机RV选择和干扰最小的RV选择比较，得到RV选择能够有效的降低干扰带来的影响和提高系统信道容量。其次，与最小干扰选择和最优S→K链路RV选择比较可以看出提出的两种选择方案都是最有效的，正如本身就是针对干扰受限场景设计的。此外，在低信噪比区域传统RV选择性能要优于渐进RV选择和半渐进RV选择，在该区域，在影响系统性能降低方面AWGN占显性，所以，该区域传统方案是最有效的选择方案。

5结论

在城市VANET场景中V2R通信中为了突破RSU覆盖范围有限的限制完成在覆盖范围外的SV与RSU的AP进行通信过程，提出了RSILV方案。通过实验仿真可以看出该方案能有效缓解由于应用场景的特殊性所带来的同道干扰问题。

参考文献：

[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.