《电子技术应用》

车载双向AF协作通信系统的中断性能分析

2018年电子技术应用第5期
林潇瑜1,邱 斌1,2,肖海林1,3
(1. 桂林电子科技大学 认知无线电与信号处理教育部重点实验室,广西 桂林541004; 2.桂林理工大学 信息科学与工程学院,广西 桂林541004;3.温州大学 物理与电子信息工程学院,浙江 温州325035)
摘要: 在车载通信系统中采用双向中继协作通信可以提升系统性能。然而,车辆移动造成的链路相关性会增大车载双向中继协作通信系统的中断概率。针对这个问题,建立了车载双向链路相关性系统模型,用相关系数描述车辆移动造成的双向链路特性,简化了系统中断性能分析。同时,在中继采用AF方式下得到系统中断性能的闭式解,且中断概率一定时,求得最优功率分配方案。数值分析表明,相关系数比功率分配系数对中断性能影响的幅度更大,相比传统单向AF中继协作通信系统的最优功率分配方案,最多可以节省4 dB的总功率。
中图分类号: TN929.5
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173914
中文引用格式: 林潇瑜,邱斌,肖海林. 车载双向AF协作通信系统的中断性能分析[J].电子技术应用,2018,44(5):115-118,123.
英文引用格式: Lin Xiaoyu,Qiu Bin,Xiao Hailin. Outage probability analysis of vehicular communication system with two-way AF cooperation[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(5):115-118,123.

Outage probability analysis of vehicular communication system with two-way AF cooperation

Lin Xiaoyu1,Qiu Bin1,2,Xiao Hailin1,3
(1.Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.School of Information Science and Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China; 3.College of Physics and Electronic Information Engineering,Wenzhou University,Wenzhou 325035,China)
Abstract: In vehicular communication system, two-way cooperative communication can improve system performance. However, vehicle mobile communication will cause the two-way link correlation and thus reduce the system outage performance. To solve the problem, a vehicular communication system model of two-way link correlation is presented, where the correlation coefficient is used to describe two-way link correlation and the system outage performance analysis is also simplified. Furthermore, a closed-form expression for the outage probability with AF cooperation mode is derived, and the optimal power allocation under the certain outage probability is gotten. Numerical results show that the correlation coefficient has more influences on outage performance than that of the power allocation coefficient. Moreover, compared with the optimal power allocation in one-way AF relay system, the total power with the correlation coefficient power allocation can be reduced about 4 dB.

0 引言

    相比直接传输,车载协作通信技术可以满足高传输速率、大覆盖范围、高可靠性等无线通信的需求,因而得到广泛应用[1]。在车载协作通信系统中,常采用AF、DF或者HDAF协议。而AF协议对信号的处理过程简单,时延较低,对硬件和系统的复杂度要求不高,在实际应用较多[2]。使用传统的单向中继协作技术的系统在第一时隙和第二时隙存在两路信号传输干扰,消耗了系统的传输功率。相较于传统的单向中继技术,近几年提出的双向中继协作系统虽然需要消耗2~3个时隙,但可以有效改善单向中继协作技术的这一缺陷,节省传输功率,并提高了频谱效率[3-4],该技术也因此得到深入研究和使用。车辆的离散性和高速移动性、基站天线架设高度较低、散射环境复杂以及建筑物的阻挡等原因,降低了短距离内通信系统的中断性能。文献[5]考虑复杂的车辆周边环境,建立的双瑞利(Double-Rayleigh)衰落模型能较好地反映V2V信道的小尺度衰落特性。文献[6]基于双向中继协作通信系统,研究了基站天线架设高度较高情况下的系统中断性能,对于终端的移动性对系统中断性能的影响未进行充分的考虑。文献[7]在多种基站天线架设高度情况下进行研究分析,得出的相关系数能够较好地反映车辆移动对系统中断性能的影响,但是计算过程较复杂,也未提及相应的功率分配方案。

    综上所述,本文建立以架设高度较低的天线为中继的车载双向链路相关性系统模型,并且采用相关系数描述车辆移动造成的双向链路特性。在此基础上,推导出车载双向链路相关性系统的中断概率表达式,并分析相关系数和功率分配系数对系统中断性能的影响。 

1 系统模型

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    第n时隙:源节点S向周边广播信息,中继节点R接收到的信息为: 

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    源节点S接收到的信息为:

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    在双向转发链路当中,采用简单便于性能分析的AF方式进行双向转发,其中β为中继节点R的发射功率占比系数,满足0≤β≤1。

    中继节点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进行信息合并。因此,为减少计算消耗,源节点S接收信息的表达式为:

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    源节点S-中继节点R传输链路信噪比为:

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2 系统性能分析

2.1 中断性能分析

    在车载双向链路相关性系统下的中断概率为:

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2.2 最优功率分配

    最优功率分配方案对车载双向链路相关性系统有着重要影响。根据式(23)、式(24)可知,式(32)即系统的中断概率与功率分配系数β相关,所以,为了求得中断概率最小则需要对β求最值。根据中断概率最小可得最优功率分配关系式如下:

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    中继节点R根据最优功率分配系数βOPT分配功率给其余节点。根据式(25)与式(26)可知,信道容量最大时同样可得中断概率最小[4]。在此系统当中,直接根据信道容量求解最优功率分配系数,计算相对简单,所以将式(34)转化为式(35):

     tx5-gs34-36.gif

    在第三时隙,中继节点计算源节点S和目的节点D发送的功率,再依据式(36)的最优功率分配系数,同时向源节点S和目的节点D发送信号,可以使得车载双向链路相关性系统的中断概率得到最小化,既保证通信的服务质量,又节省了系统功率。

3 数值分析

    为了探讨车载双向链路相关性系统下的中断性能影响因素,本文考率到双向链路的相关性。在相关系数不同取值情况下,并结合功率分配系数相比较,对系统中断性能进行了数值分析。结合传统单向中继协作通信系统,对系统中断概率所得最优功率分配方案做了比较。

    忽略双向链路相关性,仅考虑功率分配系数?茁取值对系统中断性能的影响。设置相关系数ρ=0,此时认为车辆移动造成的链路相关性可以忽略不计。中继节点R发射功率的分配系数分别取β=0.1、β=0.7。由图2可知,中断性能随着信噪比的增加而下降。然而信噪比增大到20 dB时,才能对比出两个不同的功率分配系数对应的中断概率曲线的不同。可见忽略相关系数的影响,仅提高功率分配系数对提升系统中断性能的效果不显著。

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    针对图2的情况,在图3中,设置中继节点的功率分配系数均为β=0.3,观测双向链路相关系数取值分别为ρ=0.4、ρ=0.8、ρ=1时,对在车载双向链路相关性系统中断性能的影响。图3中,当ρ=0.8、ρ=1时,系统中断性能比ρ=0.4差,当信噪比SNR增大到20 dB后,ρ=0.4对应的系统的中断性能呈指数下降。对比图2和图3可知,相关系数对系统中断性能的影响更大。

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    针对图2和图3的情况,图4同时考虑不同的功率分配系数和相关系数对系统中断性能的影响。由图4可知,ρ=1的曲线始终在ρ=0.3的曲线上方,说明影响系统中断性能主要取决于双向链路的相关性。比较ρ=0.3、β=0.4和ρ=0.3、β=0.7的中断性能曲线,发现并不是功率分配系数β越大,系统中断性能越好。利用合适的功率分配方案,可以有效提高系统的中断性能。

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    针对图4考虑了不同功率分配系数和双向链路相关系数对系统中断性能的影响,图5考虑在车载双向链路相关性系统下,使用最优功率分配策略对系统中断性能影响。如图5所示,由于城市环境复杂,障碍物较多,车流量大,因此直接传输系统中断性能最差,基本无法保障通信服务质量。传统单向中继协作通信系统的最优功率分配策略次优,经过中继的协作可以有效降低系统的中断概率。而结合双向链路相关系数ρ得出的最优功率分配方案的中断性能,因为结合了两路信号并且考虑到了两路之间的相关性,利用功率分配方案得出的中断性能分析结果,比传统的单向中继协作系统中断性能更优。由图5可知,最优功率分配方案下可以有效节省能耗,平均可以节省功率2~4 dB。

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4 结束语

    本文基于建立的车载双向链路相关性系统模型,通过相关系数来描述车辆移动造成的双向链路特性。采用便于性能分析的AF方式求出中断性能的闭式解,简化了计算复杂度,并得到了相应的最优功率分配系数。数值分析表明,车载双向链路相关性系统中,仅仅增大功率分配系数对系统的中断性能影响较小,相关系数比功率分配系数对中断性能影响的幅度更大。结合相关系数,在车载双向链路相关性系统下的最优功率分配方案,对比传统单向AF中继协作通信的最优功率分配方案,可以减少系统功耗,具有一定的实用价值和现实意义。

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作者信息:

林潇瑜1,邱  斌1,2,肖海林1,3

(1. 桂林电子科技大学 认知无线电与信号处理教育部重点实验室,广西 桂林541004;

2.桂林理工大学 信息科学与工程学院,广西 桂林541004;3.温州大学 物理与电子信息工程学院,浙江 温州325035)

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