CN112654018B - 基于d2d的车辆通信联合资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于D2D的车辆通信联合资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：1）构建蜂窝网络与V2V通信共享频谱的异构网络模型；2）计算异构网络中蜂窝用户通信、V2V通信和中继辅助V2V通信三种通信模式信噪比；3）获得系统的总容量表达式；4）V2V复用链路选择；5）最佳中继节点选择；6）得到最优发射功率。这种方法能提高系统的总容量、抑制V2V用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰，提高了V2V用户与蜂窝用户的系统容量。

Description

基于D2D的车辆通信联合资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体是一种基于D2D的车辆通信联合资源分配方法。

背景技术

D2D通信能够实现一定距离范围内用户的直接通信，被认为是一种能够支持蜂窝网络下车辆V2V通信的有效技术。当车辆用户发送端到接收端的距离较远或通信质量较差时，此时想要进行车辆间的直接通信就必须增大车辆发送端的发射功率，这么做一会增加能耗，二会增大同频干扰，可能会引起系统整体性能的下降。在V2V通信中引入中继，利用中继链路重传可以降低车辆发送端的发送功率，使得车辆用户在减少对蜂窝用户的同频干扰的同时还能获得一定的分集增益。D2D技术本身就有扩展网络覆盖范围的优点，加入中继协作后使得D2D技术的这一优势更加明显，这将对实际应用带来巨大的便利。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于D2D的车辆通信联合资源分配方法。这种方法能提高系统的总容量、抑制V2V用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰，提高了V2V用户与蜂窝用户的系统容量。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于D2D的车辆通信联合资源分配方法，包括如下步骤：

1)构建蜂窝网络与V2V通信共享频谱的异构网络模型：假定半径为R的单小区蜂窝网络，该蜂窝网络的基站位于小区中心，另假设道路位于小区的两侧，小区内有L＝{1，2，…，i}个通信蜂窝用户，M＝{1，2，…，r}个空闲用户，N＝{1，2，…，n}个可用的子信道资源、K＝{1，2，…，k}对V2V用户，假设蜂窝用户使用相互正交的的信道，这样一来蜂窝链路之间就不会存在相互干扰，同时车辆用户复用蜂窝用户的上行资源，假设一个信道资源只分配给一个蜂窝用户使用；

2)计算异构网络中蜂窝用户通信、V2V通信和中继辅助V2V通信三种通信模式信噪比：计算共享同一频谱资源时车辆用户的SINR和蜂窝用户的SINR与引入中继用户后V2V用户的SINR和蜂窝用户的SINR，蜂窝链路如车辆用户没有复用蜂窝用户的资源，此时蜂窝用户独享频谱资源，没有其他干扰，则此时蜂窝用户的SINR为公式(1)所示：

其中P_cu为蜂窝用户的发射功率，

为上行链路蜂窝用户到基站的信道增益，σ²表示信道噪声，车辆用户使用D2D技术直接通信时，蜂窝用户与V2V用户共享频谱资源，车辆直接通信模式下只有V2V发射端会对蜂窝用户通信产生干扰，此时蜂窝用户的SINR为公式(2)所示：

上行链路中车辆用户对蜂窝通信的干扰为车辆发射端到基站的干扰，其中P_vt为车辆用户的发射功率，

为车辆用户发射端到基站的信道增益，车辆用户采用中继协作通信模式，蜂窝用户受到的干扰包括车辆用户发射端对蜂窝用户通信接收端BS的干扰以及中继节点对蜂窝用户通信产生的干扰，将中继模式看作是两段传输，在第一段传输与第二段传输中蜂窝用户的SINR分别为公式(3)、公式(4)所示：

其中P_ru为车辆用户的发射功率，

为中继节点发射端到基站的信道增益，V2V直通模式下，V2V通信中的干扰为蜂窝用户对V2V接收端的干扰，车辆用户的SINR为公式(5)所示：

其中

为车辆用户发射端到接收端的信道增益，

为蜂窝用户到V2V接收端的信道增益，车辆使用中继通信模式下，第一段通信系统中的干扰为蜂窝用户对中继节点的干扰，第二段通信中的干扰为蜂窝用对车辆接收端的干扰，中继模式下的SINR为公式(6)、公式(7)所示：

其中

为车辆用户发射端到中继节点的信道增益，

为蜂窝用户到中继节点的信道增益；

3)获得系统的总容量表达式：依据步骤2)得到的D2D用户的信噪比与蜂窝用户信噪比得到系统的总容量为蜂窝链路的信道容量与车辆通信链路的信道容量之和，容量表达式公式(8)所示：

C＝log₂(1+SINR) (8)，

因此系统的总容量为公式(9)所示：

C_total＝C_cu+C_vu (9)，

其中，C_vu为车辆用户的容量，C_cu为蜂窝用户的容量，以系统总容量最大为优化目标，通过复用链路选择、中继节点控制和功率控制使得系统的总容量最大；

4)V2V复用链路选择：当车辆用户复用蜂窝用户的频谱资源时，原则上选取距离越远的蜂窝用户越好，而在小区覆盖范围内逐个筛选合适的蜂窝用户会导致计算量和时延过大，本技术方案将小区覆盖范围划分区域再进行选择，能够降低搜索范围，降低算法的复杂度，首先，以基站为中心，将小区划分为左上、左下、右上和右下四个部分，令左上区域内的V2V用户在右下区域内选择最佳的蜂窝用户资源进行复用，这样大大缩小了筛选区域；

5)最佳中继节点选择：首先以V2V之间距离为参考，当V2V距离超出D2D通信最大距离时，采用中继协助模式进行通信，当车辆之间的通信距离在D2D通信距离内时，则不需要中继通信模式，其次，对于距离满足V2V通信范围但不满足信噪比门限的V2V用户，也采用中继协作的方式，通信模式选择的表达式为公式(10)所示：

当车辆选择复用的蜂窝用户频谱和通信模式后，进行最佳中继点的选择，传统的穷举法没有进行区域限制，进行了许多不必要的计算，导致计算量过大，本技术方案以V2V通信发射端和接收端直线距离中点为圆心，距离的一半为半径，划分出一个圆形区域，在该区域内选择最佳的中继节点，可以大大减少计算量，确定中继节点的选取区域后，最佳中继点应满足公式(11)：

r^*＝arg min{d_rq} (11)，

其中，d_rq表示中继节点到限定区域圆心的距离，因为中继用户要实现两段通信，要保证两段通信的性能最佳，中继节点的所处的位置至关重要，在划分的区域内，通过选取离圆心最近的节点作为最佳中继节点；

6)得到最优发射功率：由步骤3)所得到的系统总容量表达式，直接通信模式下可通过如下等价转换简化公式进行简化：

因此，系统总容量的表达式可以变形为公式(12)所示：

而从公式(12)得到：系统总容量为功率P_k的凸函数，可以通过迭代算法求得功率的最优值，而车辆中继模式可以看成是一个两段通信，因此也可以用类似的方法求解获得。

本技术方案以系统容量为优化目标，采用复用链路区域划分机制和限制区域的中继搜索方法，降低了算法的计算复杂度。

这种方法能提高系统的总容量、抑制V2V用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰，提高了V2V用户与蜂窝用户的系统容量。

附图说明

图1为实施例中异构网络模型的示意图；

图2为实施例中区域划分示意图；

图3为实施例方法的流程示意图；

图4为实施例方法与其他方法在V2V用户距离递增的条件下对系统容量的影响的曲线图对比示意图；

图5为实施例方法与其他方法在蜂窝用户递增的条件下对系统容量的影响的曲线图对比示意图；

图6为实施例方法与其他方法在空闲用户增加的条件下对系统容量的影响的曲线图对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图3，一种基于D2D的车辆通信联合资源分配方法，包括如下步骤：

1)构建蜂窝网络与V2V通信共享频谱的异构网络模型：如图1所示，假定半径为R的单小区蜂窝网络，该蜂窝网络的基站位于小区中心，另假设道路位于小区的两侧，小区内有L＝{1，2，…，i}个通信蜂窝用户，M＝{1，2，…，r}个空闲用户，N＝{1，2，…，n}个可用的子信道资源、K＝{1，2，…，k}对V2V用户，假设蜂窝用户使用相互正交的的信道，这样一来蜂窝链路之间就不会存在相互干扰，同时车辆用户复用蜂窝用户的上行资源，假设一个信道资源只分配给一个蜂窝用户使用；

2)计算异构网络中蜂窝用户通信、V2V通信和中继辅助V2V通信三种通信模式信噪比：计算共享同一频谱资源时车辆用户的SINR和蜂窝用户的SINR与引入中继用户后V2V用户的SINR和蜂窝用户的SINR，蜂窝链路如车辆用户没有复用蜂窝用户的资源，此时蜂窝用户独享频谱资源，没有其他干扰，则此时蜂窝用户的SINR为公式(1)所示：

其中P_cu为蜂窝用户的发射功率，

为上行链路蜂窝用户到基站的信道增益，σ²表示信道噪声，车辆用户使用D2D技术直接通信时，蜂窝用户与V2V用户共享频谱资源，车辆直接通信模式下只有V2V发射端会对蜂窝用户通信产生干扰，此时蜂窝用户的SINR为公式(2)所示：

上行链路中车辆用户对蜂窝通信的干扰为车辆发射端到基站的干扰，其中P_vt为车辆用户的发射功率，

为车辆用户发射端到基站的信道增益，车辆用户采用中继协作通信模式，蜂窝用户受到的干扰包括车辆用户发射端对蜂窝用户通信接收端BS的干扰以及中继节点对蜂窝用户通信产生的干扰，将中继模式看作是两段传输，在第一段传输与第二段传输中蜂窝用户的SINR分别为公式(3)、公式(4)所示：

其中P_ru为车辆用户的发射功率，

为中继节点发射端到基站的信道增益，V2V直通模式下，V2V通信中的干扰为蜂窝用户对V2V接收端的干扰，车辆用户的SINR为公式(5)所示：

其中

为车辆用户发射端到接收端的信道增益，

为蜂窝用户到V2V接收端的信道增益，车辆使用中继通信模式下，第一段通信系统中的干扰为蜂窝用户对中继节点的干扰，第二段通信中的干扰为蜂窝用对车辆接收端的干扰，中继模式下的SINR为公式(6)、公式(7)所示：

其中

为车辆用户发射端到中继节点的信道增益，

为蜂窝用户到中继节点的信道增益；

3)获得系统的总容量表达式：依据步骤2)得到的D2D用户的信噪比与蜂窝用户信噪比得到系统的总容量为蜂窝链路的信道容量与车辆通信链路的信道容量之和，容量表达式公式(8)所示：

C＝log₂(1+SINR) (8)，

因此系统的总容量为公式(9)所示：

C_total＝C_cu+C_vu (9)，

其中，C_vu为车辆用户的容量，C_cu为蜂窝用户的容量，以系统总容量最大为优化目标，通过复用链路选择、中继节点控制和功率控制使得系统的总容量最大；

4)V2V复用链路选择：当车辆用户复用蜂窝用户的频谱资源时，原则上选取距离越远的蜂窝用户越好，而在小区覆盖范围内逐个筛选合适的蜂窝用户会导致计算量和时延过大，本技术方案将小区覆盖范围划分区域再进行选择，能够降低搜索范围，降低算法的复杂度，首先，如图2所示，以基站为中心，将小区划分为左上、左下、右上和右下四个部分，令左上区域内的V2V用户在右下区域内选择最佳的蜂窝用户资源进行复用，这样大大缩小了筛选区域；

5)最佳中继节点选择：首先以V2V之间距离为参考，当V2V距离超出D2D通信最大距离时，采用中继协助模式进行通信，当车辆之间的通信距离在D2D通信距离内时，则不需要中继通信模式，其次，对于距离满足V2V通信范围但不满足信噪比门限的V2V用户，也采用中继协作的方式，通信模式选择的表达式为公式(10)所示：

当车辆选择复用的蜂窝用户频谱和通信模式后，进行最佳中继点的选择，传统的穷举法没有进行区域限制，进行了许多不必要的计算，导致计算量过大，本技术方案以V2V通信发射端和接收端直线距离中点为圆心，距离的一半为半径，划分出一个圆形区域，在该区域内选择最佳的中继节点，可以大大减少计算量，确定中继节点的选取区域后，最佳中继点应满足公式(11)：

r^*＝arg min{d_rq} (11)，

其中，d_rq表示中继节点到限定区域圆心的距离，因为中继用户要实现两段通信，要保证两段通信的性能最佳，中继节点的所处的位置至关重要，在划分的区域内，通过选取离圆心最近的节点作为最佳中继节点；

6)得到最优发射功率：由步骤3)所得到的系统总容量表达式，直接通信模式下可通过如下等价转换简化公式进行简化：

因此，系统总容量的表达式可以变形为公式(12)所示：

而从公式(12)得到：系统总容量为功率P_k的凸函数，可以通过迭代算法求得功率的最优值，而车辆中继模式可以看成是一个两段通信，因此也可以用类似的方法求解获得。

经过仿真实验，仿真结果证明本例方法相比基于中继同资源方案和仅D2D直通方案相比，本例方法提升了V2V通信的系统容量：

如图4所示，引入了中继节点协作通信后，系统的性能有了较大的提升，并且中继节点与车辆发送端不使用同一资源时的效果更好，另外可以看出随着V2V距离的增加，系统容量逐渐下降，这是由于当通信距离增加时，为了保证V2V用户通信的可靠性，需要提高发射端发射功率，增大了对蜂窝用户的同频干扰而导致系统性能有所下降；

如图5所示，随着蜂窝用户数目的增加，可供V2V用户复用的链路数目随之增多，选出更优质复用链路的可能性就更大，从而三种模式下的系统容量都有所增加，另外可以看出，中继节点与车辆发送端不使用同一频谱资源时系统性能更优，这是因为当中继节点与车辆发送端使用同一资源时，中继模式的第一段通信与第二段通信之间也存在同频干扰，导致系统性能的下降；

如图6所示，随着空闲用户数目的增加，用户使用同一资源时的容量都有所增加，另外，使用D2D模式的通信由于没有加入中继节点，所以对于该模式下的系统性能没有什么影响，当空闲用户的数量足够大时，那么最佳中继节点就是位于通信车辆间中点的节点。

Claims (1)

1.一种基于D2D的车辆通信联合资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)构建蜂窝网络与V2V通信共享频谱的异构网络模型：假定半径为R的单小区蜂窝网络，该蜂窝网络的基站位于小区中心，另假设道路位于小区的两侧，小区内有L＝{1,2,…,i}个通信蜂窝用户，Μ＝{1,2,…,r}个空闲用户，N＝{1,2,…,n}个可用的子信道资源、K＝{1,2,…,k}对V2V用户，假设蜂窝用户使用相互正交的信道，蜂窝链路之间就不存在相互干扰，同时车辆用户复用蜂窝用户的上行资源，假设一个信道资源只分配给一个蜂窝用户使用；

2)计算异构网络中蜂窝用户通信、V2V通信和中继辅助V2V通信三种通信模式信噪比：计算共享同一频谱资源时车辆用户的SINR和蜂窝用户的SINR与引入中继用户后V2V用户的SINR和蜂窝用户的SINR，蜂窝链路如车辆用户没有复用蜂窝用户的资源，此时蜂窝用户独享频谱资源，没有其他干扰，则此时蜂窝用户的SINR为公式(1)：所示

其中P_cu为蜂窝用户的发射功率，

为上行链路蜂窝用户到基站的信道增益，σ²表示信道噪声，车辆用户使用D2D技术直接通信时，蜂窝用户与V2V用户共享频谱资源，车辆直接通信模式下只有V2V发射端会对蜂窝用户通信产生干扰，此时蜂窝用户的SINR为公式(2)所示：

上行链路中车辆用户对蜂窝通信的干扰为车辆发射端到基站的干扰，其中P_vt为车辆用户的发射功率，

为车辆用户发射端到基站的信道增益，车辆用户采用中继协作通信模式，蜂窝用户受到的干扰包括车辆用户发射端对蜂窝用户通信接收端BS的干扰以及中继节点对蜂窝用户通信产生的干扰，中继模式是两段传输，在第一段传输与第二段传输中蜂窝用户的SINR分别为公式(3)、公式(4)所示：

其中P_ru为车辆用户的发射功率，

为中继节点发射端到基站的信道增益，V2V直通模式下，V2V通信中的干扰为蜂窝用户对V2V接收端的干扰，车辆用户的SINR为公式(5)所示：

其中

为车辆用户发射端到接收端的信道增益，

为蜂窝用户到V2V接收端的信道增益，车辆使用中继通信模式下，第一段通信系统中的干扰为蜂窝用户对中继节点的干扰，第二段通信中的干扰为蜂窝用对车辆接收端的干扰，中继模式下的SINR为公式(6)、公式(7)所示：

其中

为车辆用户发射端到中继节点的信道增益，

为蜂窝用户到中继节点的信道增益；

3)获得系统的总容量表达式：依据步骤2)得到的D2D用户的信噪比与蜂窝用户信噪比得到系统的总容量为蜂窝链路的信道容量与车辆通信链路的信道容量之和，容量表达式公式(8)所示：

C＝log₂(1+SINR) (8)，

因此系统的总容量为公式(9)所示：

C_total＝C_cu+C_vu(9)，

其中，C_vu为车辆用户的容量，C_cu为蜂窝用户的容量，以系统总容量最大为优化目标，通过复用链路选择、中继节点控制和功率控制使得系统的总容量最大；

4)V2V复用链路选择：首先，以基站为中心，将小区划分为左上、左下、右上和右下四个部分，令左上区域内的V2V用户在右下区域内选择最佳的蜂窝用户资源进行复用；

5)最佳中继节点选择：首先以V2V之间距离为参考，当V2V距离超出D2D通信最大距离时，采用中继协助模式进行通信，当车辆之间的通信距离在D2D通信距离内时，则不需要中继通信模式，其次，对于距离满足V2V通信范围但不满足信噪比门限的V2V用户，也采用中继协作的方式，通信模式选择的表达式为公式(10)所示：

以V2V通信发射端和接收端直线距离中点为圆心，距离的一半为半径，划分出一个圆形区域，在该区域内选择最佳的中继节点，确定中继节点的选取区域后，最佳中继点应满足公式(11)：

r^*＝argmin{d_rq} (11)，

其中，d_rq表示中继节点到限定区域圆心的距离，在划分的区域内，通过选取离圆心最近的节点作为最佳中继节点；

6)得到最优发射功率：由步骤3)所得到的系统总容量表达式，直接通信模式下通过如下等价转换简化公式进行简化：

因此，系统总容量的表达式变形为公式(12)所示：

而从公式(12)得到：系统总容量为功率P_k的凸函数，通过迭代算法求得功率的最优值，而车辆中继模式看成是一个两段通信，也用类似的方法求解获得。

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