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1、第34卷第12期 计算机仿真 2017年12月文章编号：10069348(2017)12026906认知车载网中基于协作的中继选择策略研究金喜龙，章国安，叶翔(南通大学电子信息学院，江苏南通226019)摘要：为了优化认知车载网的系统性能，提出了一种基于协作的中继选择方案来保障车载通信用户间数据传输的有效性和可靠性。考虑到中继节点的引入同时也会导致干扰范围的扩大，从面影响到其它链路的正常通信。为此，通过构建中继节点选择区域模型，研究了中继节点选择区域的角度以及通信范围内中继节点的密度对网络性能所产生的影响，通过合理地设置中继选择区域的参数，能够减少协作通信所带来的负面效应。性能分析和仿真结果表
2、明，所提出的算法能显著降低车辆节点间通信的中断概率，提升通信链路的稳定性和可靠性，因而能够有效地应用于车载网络环境中。关键词：认知车载网；中继选择；协作通信；最大射频组合中图分类号：TN9295 文献标识码：BResearch on the Relay Selection StrategyBased on Cooperation in CRVANETJIN Xilong，ZHANG Guonil，YE Xiang(School of Electronics and Information，Nantong University，Nantong Jiangsn 226019，China)ABSTR
3、ACT：Considering the optimization of system performance in cognitive radio vehicular adhoc network(CRVANET)，a relay selection strategy based on cooperation was proposed to guarantee the validity and reliability ofdata transmission between vehicular communication usersBesidesin consideration of the re
4、lay nodes which participate in cooperation communication，the interference range of communication Was also considered which may interruptthe communication between other nodesHence，the influence of the angle and the density of relay nodes were discussed by constructing a model of relay nodes selection
5、 region and the negative effect of cooperation communicationcan be decreased by setting appropriate parameters in relay node selection regionPerformance analysis and simulation results show that the proposed algorithm can evidently reduce the outage probability of communication and enhance the valid
6、ity and reliability of the communication linksThus，it can be effectively applied into vehicular environmentsKEYWORDS：Cognitive radio vehicular adhoe network；Relay selection；Cooperation communication；Maximalratio combining1 引言车载自组网(VehicularAdhoc NETwork，VANET)作为智能交通系统(Intelligent Transportation Syst
7、em，ITS)的重要组成部分，是移动自组网(Mobile Adhoc NETwork，MANET)的一种新型应用形态。而认知车载网是在传统车载自组网的基础之上，采用认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术去解决频谱资源短缺的问题。CRVANET同时也支持基金项目：国家自然科学基金(61371113，61401241)收稿日期：20161203多种通信类型：车与车(Vehicle to Vehicle，V2V)，车与人(Vehicle to Person，V2P)，车与路边单元(Vehicle to RSU，V2R)等。CRVANET的关键技术之一是允许认知用户(Secondary
8、 UsersSUs)在不干扰到授权用户(Primary Users，PUs)使用的前提下来使用频谱资源，以此达到共享带宽，提升频谱利用率的目的。然而，在消息的传输过程中，由于无线信道衰落等影响，使得CRVANET的性能和服务质量(Quality of Service，QoS)急剧下降，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术虽然能提供可观的空间分集增益，提高网的络吞吐量和性能，但MIMO技术需求终端配备多天线阵列，269万方数据相比较于大型设备(如基站)，CRVANET中的车载移动终端对于天线的尺寸，功耗和成本等有着严格的限制，因此在CRVAN
9、AT中应用MIMO技术有着无可避免的局限性【21。在此背景条件下，通过选取空闲节点作为中继节点，从而进行协作通信的技术引起了广泛的关注。作为未来无线移动自组织网络的关键技术，协作通信能够在一定空间域内，利用中继节点形成的虚拟天线阵列(Vir-tual Antenna Array，VAA)进行转发数据，从而使车辆节点在不具备多天线的条件下依然能够获取到可观的分集增益日。J。采用协作通信可以有效降低信号衰减，提升系统性能，但同时也难免带来一些问题。由于在通信过程中引入了中继节点，这就使得传统的源节点到目标节点的两点传输模式，转变为源节点到中继节点，中继节点到目标节点的多点传输模式。这就导致了传输的
10、过程将变得更加复杂，加剧了消息传输时产生冲突的概率，扩大了通信的干扰范围。从而导致系统性能的下降，甚至无法发挥协作的优势J。图1是认知车载网中节点间进行通信时的干扰模型举例。如图1(a)所示，当两条通信链路间都采用直接传输的方式时，彼此间没有相互干扰。如图1(b)所示，引入中继节点R后，提高了通信链路AB的可靠性，但与此同时，中继节点R转发给目标节点B的信号对通信链路CD产生了干扰，阻断了其正常的通信。因此。引入中继节点在获取分集增益的同时，会不可避免地导致干扰范围(InterferenceRange，IR)的扩大，减少了空间复用的有效性，导致网络系统性能的下降。为了保障在引入中继节点后，能够
11、发挥出协作通信的优势，许多文献对此展开了研究。文献6研究了基于博弈论的中继系统功率分配策略，通过遍历搜索找出最优功率分配方案来最大化系统收益，但没有具体研究多跳网络环境下节点的功率分配问题。文献7提出了在城市环境下通过中继技术加强通信链路的可靠性，该方案降低了协作通信时的误比特率，但没有定量分析系统性能和中继选择区域之间的关系。文献8采用单元圆的系统模型的分析了干扰范围对性能上产生的影响，但忽视了通信链路密度以及中继选择区域角度对协作产生的影响。，一、一、， ，j j1(+聿固1、 RiR, IRiR, 人 人 一 一 一(a)两点传输模式中没有协作干扰 (b)多点传输模式中存在协作干扰图1通
12、信过程中的干扰模型本文基于协作通信提出一种在认知车载网环境下的多中继选择方案，当源节点向目标节点广播消息时，通过基于270-协作的中继选择策略来选择最优的中继节点集合来转发数据，目标节点对接收到的来自源节点和中继节点的多路信号以最大射频组合(Maximal Radio Combining，MRC)方式进行解码。2系统模型在交通环境中，认知车载网由移动的车辆节点构成，车辆节点间在道路上的分布是随机的。为了方便研究各通信链路间的干扰状况，假设源节点到目标节点问的距离固定一1。协作通信的系统模型如图2所示，该系统由源节点岛，目标节点D0以及多个中继节点组成，d。咖是源节点到目标节点的欧式距离，函是中
13、继节点的选择区域角度。中继节点接收到来自源节点发送的消息后，会检测接收信号的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)，若接收SNR小于门限值则不对该消息做任何处理；若接收SNR大于门限值则对接收到的消息进行转发。本文将接收SNR大于门限值的中继节点集合称为候选中继集合，并在候选中继集合中将进行转发数据的中继节点集合称为转发中继集合。图2协作通信的系统模型在道路交通中，中继节点的分布满足车辆密度为A(单位面积上的车辆节点数)的泊松分布。考虑到信号传输过程中，瑞利衰落和路径损耗对数据传输的影响。用d君Fx，表示源节点x到目标节点y间传输信道对接收功率的影响因子，其中表示节点间传
14、输时的衰落系数，d州表示两者间的欧式距离，d表示路径损耗系数。则源节点&向目标节点Do发送数据时，接收端的信噪比SNR为P。YSo=d赢F油。皆 (1)式中：P。表示源节点信号的发射功率，P，表示信道的噪声功率。数据传输过程是在时隙间隔内完成的，一个时隙可以被划分为两个子时隙，在第一个子时隙内，源节点晶完成向目标结点D0发送数据，并且由于无线广播的特性，中继节点也万方数据能接收到该数据包；在第二个子时隙内，中继节点对第一个子时隙内接收到的数据包进行解码转发(Decode and Forward，DF)，并将其发送给目标节点。当源节点和中继节点发送的数据包到达目标节点时，接收端采用MRC对接收到
15、的数据进行解码，此时信道容量表示为NC=In(),SoVo+TRioo)nats (2)2IP。式中：yfD0=d五；。n胁。表示第i个中继节点到目标节点N的信噪比SNR。同时，源节点和中继节点的信号发射功率满足总功率P的约束N+Pq=P (3)本文将干扰范围描述为一个区域空间，在该空间范围内干扰源的数据传输会影响其它链路的正常通信。基于单信道的约束限制，并非每条通信链路都能得到激活，为了保障中继节点R向目标节点D0转发数据时，其它链路间的通信能正常工作，需具备如下条件：(口)TSoOo占，；(6)d驷。冠备，k0。其中：6，表示传输速率为r(单位：bits)时的门限值，R品表示节点间进行直接
16、通信时的干扰范围大小。根据Shannon信道原理r=Bl092(1+占，)，得知8，=2“一l。其中曰(单位：胁)表示信道的带宽。双跳传输模式下，假设数据包的传输速率为2r(单位：biffs)时，使得协作传输与直接传输的速率相等，此时的协作传输的接收门限值和干扰范围大小分别表示为&，和R0。3算法分析31中继节点的选择协作通信技术的关键之一是选取合适的中继节点，目前多数文献讨论单中继节点的选择，本文在单中继节点选取的基础上，提出一种基于协作的多中继节点选择策略方案。假设表示中继节点的个数，表示候选中继集合，詹表示转发中继集合，K(X)表示对集合x作求势操作，_，和u的关系满足K(U)=N。对于
17、所有iU，(i=1，2，)的中继节点，将其到目标节点的信噪比。按大小进行升序排列，并选取对信道增益最高的中继节点0 2疆鼢砥DO (4)在上述推导的基础之上，再来探讨多个中继节点进行协作通信的情况，算法如下：定义：G。表示转发中继集合为Rurs时的信道容量，c。表示转发中继集合为尺时的信道容量，占表示门限值，矿。表示信道容量的增益。初始化：信道容量Co=lny沁，转发中继集合R=咖。循环：由式(4)得到最优的中继节点一矿K(R)8，thenR一尺uL；睢Uh；else exit；endelse exit；end算法中x茹表示从集合x中剔除元素髫。算法循环中，为了防止资源裂化，选取太多的中继节点
18、，限定中继节点的最大个数为r。中继节点的选择流程如图3所示。图3中继节点选择过程32性能分析321功率分配在给定中继节点的数量的基础上，功率分配的原则是合理分配源节点和中继节点间的发射功率，从而最大化信道容量，建立优化模型如下MPds轨oFsRooo+萋N嚣F，l 、d轨R 鲁d：内R I r 5、N ISPso+P研=P,Pso0,P月0 J式中：是源节点发射功率，PR是中继节点发射功率，P是源节点和中继节点的总发射功率。采用最优化卡罗需一库恩一塔克(KarushKuhnTucker，KKT)条件求解该凸优化问题，首先构造相应的拉格朗日方程满足L(Pso,Pa07,tx,f)=ln、Pdso
19、Fs尸oo。o-+PRIF&。O)一叼(P曲+；N P旷尸)+蛾+尹。(6)万方数据假设Ps。已知，令券20，对匕求偏导，可以推导出关于只的麒71条件坠 1厩OL=瓦_d；o匦oPNPRiFRiD0一叼增=。(7)护一鱼+”。 7)d岛D。奄7 d；。D。Pf。PRi=0，PR0，i=1，2，N 根据式(7)推导出中继节点的发射功率P。满足邓，c丽FRiDo一丽PsoFSoDo一荟鬻，等，+(8)式中：0，戈+：max0，z。同理，假设P。已知，在式(6)中令蠹乏2 0并对Pso求偏导，可以求出源节点的发射功率P沁为。h c蒜一萎i盥dRpoP,v，警9，322预期链路数通信中并行传输的预期链
20、路数是影响网络性能的重要因素。在一个通信系统中，假设有多条均匀分布的通信链路，那么研究的关注点是如何使这些通信链路能够同时得到激活。令P(n，k)表示在凡条通信链路中有k条可以被激活进行数据传输。采用随机调度检测的机制来检验新加入的通信链路是否可以得到激活，随机调度检测主要是通过随机的顺序来检查所有的通信链路，若通信系统中新加入的链路对其它链路产生干扰，则新链路无法得到激活，这样就能确保其余的通信链路是激活的且相互间无干扰影响。当满足以下条件时，能够使得k条链路可以进行并行传输。a)检测(t一1)条链路后由有(k一1)条链路被激活，第(n一1)条链路不会对(k一1)条激活的链路产生影响。6)检
21、测9,条链路后由有k条链路被激活，第n条链路不会对k条激活的链路产生影响。c)检测(n+1)条链路后有k条链路被激活，链路(t+1)至少会对(k+1)条链路中的一条产生干扰。对于V两条通信链路，令P。表示其相互间无干扰影响的概率，贝9P(1，1)=l，P(2，1)=1一P。，p(2，2)=p。凡条通信链路中有k条可以被激活的概率满足P(n，k)=P(H一1，k1)p：。+P(见+t，奄)(IP：)(10)假设通信网络中共有。条链路，网络并行传输的预期链路数M为札=kp(N。，) (11)323协作增益车辆节点以传输速率r(bits)进行直接通信时，若在接收端的信噪比SNR小于6，时，会导致通信
22、链路中断，因此直接通信的中断概率为Q。r=Pys06，=1e一6rPPs0。磊D0 (12)当车辆节点通过中继节点进行协作通信时，目标节点采用MRC方式对数据包进行解码，若无法成功解码，则本次协作通信失败，链路中断，因此协作通信的中断概率如下Qcr=PYSoOo(6r，；帆ma。x。yRiDO龟，=1一e一”嘎口0me。2删 (13)式中：M：f：沁9广妣。”么”)dxdy；W=62,PPs0； J0 Jl一dSoD0”， 、 一。一c+M+，黩SOR+卜气。八)：!立竖些二兰2_盟(卜。一。)(粤)a1USoOo=以万可i历雨；d肋。=以i可忑两雨。得到车辆节点间直接通信和协作通信中断概率后
23、，通信链路的协作增益为G=篙 (14)4仿真分析通过运行MATLAB仿真来验证分析模型的准确性。建立如下通信场景：道路上为双车道且各车道间节点的密度相等，N表示中继节点的数目。计算中所需的参数列表如下：仿真的场景覆盖范围为3000m400m；带宽和传输速率分别设置为1Mbits和2MHz；源节点到目标节点的欧式距离dsnDn=50m；信道中的噪声功率P、=一50dBm，路径损耗系数Q=2。图4示出了中继节点数目对信道容量的影响情况。从图中可以得知，随着中继节点数目的增加，信道容量的累计分布函数(Cumulative Distribution on Function，CDF)曲线也在增长，当只有
24、一个中继节点参与协作通信时，直接传输与协作传输的性能相近；随着中继节点数目的进一步增加，传输性能显著上升。这是因为信道容量的大小是由源节点到目标节点的信噪比以及中继节点到目标节点的信噪比共同决定的，随着中继节点个数N的增大，目标节点接收到的信噪比也在增大，信道容量也因此得到提升。图5是不同中继节点选择区域角度(巾)下，并行传输的预期链路数随通信范围内的链路总数的变化情况。可见，随着通信范围的链路总数的增加，并行传输的预期链路数也在增加。但正如分析所述，直接通信模式下，并行传输的预期链路数目总是大于协作通信，这是因为中继节点的引入增加的干扰区域的覆盖范围，从而影响了其它链路的正常通信。并且随着中
25、继节点选择区域角度(书)的增大，直接通信和协作通信下并行传输预期链路数之间的差距也在扩大，这是由万方数据至：_I_J一直接通信 |_寺一协作通信N=I U一协作通信，N=2Ij一，一西作通信N=3 U击一拂作通信N=4l3 4 5 6f者道容量naris图4不同中继节点数目下信道容的累计分布于随着击的增大，中继节点选择区域也在扩大，从而引入了更多的中继节点，进一步增加干扰区域的覆盖范围，使得干扰所致的不利影响越来越明显。5 10 15 20 25通信范围内的链路总Na图5入=0004(车辆节点平方米)并行传输的预期链路数随链路总数的变化图图6比较了不同中继节点选择区域角度(西)下，协作通信与直
26、接通信的成功概率随中继节点密度的变化情况。由图可知，引入了中继节点参与协作通信后，直接通信的成功概率总是小于协作通信，并且随着中继节点密度A的不断增加，直接通信的成功概率没有发生改变，但协作通信的成功概率却也越来越大。这是因为，随着A的增加，参与协作通信的中继节点也在增加，从而提高了消息发送的可靠性。当A一定时，协作通信的成功概率随着西的增加而增加，这也是由于咖的增加扩大了中继节点的选择区域，使得参与协作通信的中继节点数目也在增加。图7为不同中继节点密度(A)下，中继节点选择区域角度(b)对通信链路的协作增益的影响。从图中可以看出，通信链路的协作增益随着中继节点选择区域的角度的增大而增加；当咖
27、一定时，随着A的增大，链路的协作增益也越来越2 3 4 5 6 7 8中继节点密度n ：I一图6通信成功概率随中继节点密度的变化图大。这是因为曲和A的增加使得参与协作通信的中继节点增多，使得更多的空间资源被分配到了参与协作的通信链路，最终增大了通信链路的协作增益。2177；|篷l5结束语本文分析了直接通信与协作通信对车载网络性能的影响，提出了一种基于协作的中继节点选择算法。相比较于直接通信，协作通信能够有效减小通信链路的中断概率，提高链路传输的稳定性和可靠性，同时考虑到中继节点的引入也会导致干扰范围的扩大，从而影响其它链路的正常通信。因此，用局部单链路的传输可靠性去评估全局网络的性能是不正确的
28、。为了能够从全局网络的性能层面下来分析协作通信的有效性，通过构建中继选择区域模型，研究了协作通信模式下中继节点选择区域角度，中继节点的密度对网络性能所产生的影响。实验结果表明，协作通信并非总是有效的，它在提高通信链路的协作增益的同时，难免会对其它链路造成干扰，导致预期传输的链路数目降低，其有效性取决于上273rhllj”ll“l螨雾羽_8642086主誓盏增最酷S簿业#f万方数据述影响因子，合理地控制这些影响因子可以最小化协作通信所产生的负面效应。这些分析结果可以用于评估移动网络的性能，也能够为设计其它大型网络提供参考意义。为了进一步理解协作通信机制，下一步的工作将是研究系统信令的协调以及中继
29、选择策略所引起的协议开销。参考文献：1 贾建斌，陈颖文，徐明基于预测的机会车载网络中继选择策略研究J软件学报，201526(7)：173017412 A Dhaval，K HardipJoint Estimation of MCFOs and Channels inCooperative Communication for LTEAdvancedC2015 Inter-national Conference on Communication and Signal Processing，2015：132713313 刘姿杉，郭晋杰，张琳，协作中继和网络编码在车载网络中的应用J重庆邮电大学学报(自
30、然科学版)，2013，25(1)：80844 陈艳杰，王丹协作通信系统信道估计算法研究J计算机仿真，2015，32(8)：2172205 翟文艳，孙彦景，李松隧道多中继协作通信系统功率分配与容量优化J工矿自动化，2015。41(11)：21256李洲，周雯基于博弈论的中继系统功率分配J计算机仿真，2016，33(2)：2272337 F Mohamed，S HossamEnabling Cooperative Relaying VANETClouds Over LTEA NetworksJIEEE Transactions on Vehieular Technology，2015，64(4)：
31、146814798 曹傧协作通信中的中继节点选取和传输机制研究D电子科技大学，20149H JongOptimal Power Allocation for Physical Layer Security inMultiHop DF Relay NetworksJIEEE Transactions on Wireless Communications，2016，15(1)：283810M GuoqiangResearch on wireless multihop networks：Currentstate and challengesC2012 International Conference
32、 on Com-puting，Networking and Communications，2012：593598国姓一一(1992究-领)墨碉l唾 t研究生导师，主要研究领域为认知车载网和软件(上接第152页)2)将玻璃纤维增强复合材料应用于发动机底护板，通过对结构进行合理的设计，使其达到基本力学性能要求的同时，达到轻量化设计的目的，为复合材料在汽车零部件上的进一步应用奠定了良好基础。参考文献：1 李未复合材料板簧的优化设计及有限元分析D哈尔滨：哈尔滨工业大学，20062 季学荣，丁晓红基于拓扑和形貌优化的汽车发动机罩板设计J机械设计与研究，201I，27(1)：35383 石琴，卢利平基于有
33、限元分析的发动机罩拓扑优化设计J机械设计与制造，20096：3l一334谢晖，李全铝合金材料发动机内罩板优化设计研究J机械工程与自动化20152：42一“5 高云凯，等镁合金在座椅骨架轻量化设计中的应用J机同济大学学报，2009，37(7)：938942，6胡章平，等LGFRPP轿车底护板模压成型工艺研究J工程塑料应用，2015，43(8)：51552747 王萍萍，夏汤忠CAE技术在某发动机下护板国产化中的应用c2010年中国汽车工程学会年会论文集，20108MiYou Park，Younsik ParkRaising Natural Frequencies ofStructure Via
34、Surfacegrooving TechniqueJStructural andMuhidiseiplinary Optimization，2007，34(6)：4915059孙亮，苏长青，杜劲松火腿肠包装视觉检测设备重要零部件的拓扑优化J机械设计与制造，2012，(5)：21121310 刘嘉敏，等基于拓扑和形貌优化的摩托车底板轻量化分析J机械设计与研究，2005，29(6)：12813111简帮强，等基于拓扑和形貌优化的泵车连杆优化设计J机械设计，2015，32(12)：222512 洪清泉，等OptiStructHyperStudy理论基础与工程应用M北京：机械工业出版社，2012：25作者简介刘迪辉(1975一)，男(汉族)，湖北石首人，博士，副教授，研究方向为汽车底盘。谢新艳(1990一)，女(汉族)，湖南省娄底市人，硕士研究生，研究方向为汽车底盘。万方数据