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1、XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs实现实现快速、可靠快速、可靠的数据传输的数据传输1针对车辆针对车辆自自组织组织网网络络（VANETs）的）的差分差分连续连续中中继继策略策略报告人：任超()导师：陈健教授研讨会报告研讨会报告1XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETsVANETs中，通信链路的特点 ：高移动
2、性情况下，直直传链路不稳定数据速率速率和检测的可靠性可靠性受高移动性影响：高多普勒频移带来的快衰落信道快衰落信道快速的拓扑拓扑变化化、相对较短的通信短的通信“接触接触”时间2背背 景景2 Wang,T.,Song,L.,Han,Z.:Coalitional graph games for popular content distribution in cognitive radio VANETs,IEEE Trans.Veh.Technol.,2013,62,(8),pp.4010 40192XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential succes
3、sivesuccessive relaying scheme for VANETs|现有研究相关工作一、一、针对直直传链路的不路的不稳定，可用措施有定，可用措施有方案一：方案一：建建设全功能的路全功能的路边基站基站（RSU）缺点：高成本，尤其是 交通状况变化大 和 通信节点稀疏（高速公路）的情况。方案二：使用低成本的方案二：使用低成本的中中继设备以以V2R或或V2V方方式，两跳式，两跳协作通信，从而中作通信，从而中转信息到目信息到目标设备缺点：半双工中继，传输有效性损失3背背 景景XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesu
4、ccessive relaying scheme for VANETs4|现有研究相关工作一、一、针对直直传链路的不路的不稳定，可用措施有定，可用措施有方案一：建方案一：建设全功能的路全功能的路边基站（基站（RSU）缺点：高成本，尤其是 交通状况变化大 和 通信节点稀疏（高速公路）的情况。方案二：使用低成本的方案二：使用低成本的中中继设备以以V2R或或V2V方方式，两跳式，两跳协作通信，从而中作通信，从而中转信息到目信息到目标设备缺点：半双工中继，传输有效性损失背背 景景信息：美国高速公路总长75440km，基站间距按500m计算，则需要约15万个基站！本文采用XIDIANUNIVERSITY
5、XIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs针对半双工中半双工中继性能性能损失失，在VANET中有使用双极化天双极化天线的全双工的全双工通信技术缺点：使用特殊的天线，作用于现有VANET硬件，兼容性、实施便利性不佳5|现有研究相关工作背背 景景XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs6|现有研究相关工作背背 景景二、针对快衰落信道的完美完美CSI
6、不易不易获取取设计复杂的信道估信道估计器器减小估计误差，如SS（Subspace Selection）技术在信号检测端提升提升检测精度精度，如SAGE（Space Alternating Generalised Expectation）技术XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs二、针对快衰落信道的完美CSI不易获取设计复杂的信道估计器减小估计误差，如SS（Subspace Selection）技术在信号检测端提升检测精度，如SAGE（Space Al
7、ternating Generalised Expectation）技术7|现有研究相关工作背背 景景缺点：缺点：1、快衰落加剧时，较高的复杂度、快衰落加剧时，较高的复杂度 2、未考虑两跳的中继链路情形、未考虑两跳的中继链路情形（如：第一跳链路（如：第一跳链路CSI估计困难、导频中继后传输对估计困难、导频中继后传输对CSI估计估计误差有额外影响等）误差有额外影响等）XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs三、高移动性带来的快速拓扑快速拓扑变化化研究表明
8、，快速拓扑变化导致VANET中链路建立的平均时长仅为32秒8|现有研究相关工作背背 景景1616 Rostamzadeh,K.,Gopalakrishnan,S.:Analysis of message dissemination in vehicular networks,IEEE Trans.Veh.Technol.,2013,62,(8),pp.39743982XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs基于上述背景，高移动性的VANET比固定或慢变
9、拓扑的网络更需要快速、可靠的数据快速、可靠的数据传输技技术。即：考虑到上述背景和相关研究，VANET需要全双工的中需要全双工的中继传输技技术需要端到端需要端到端传输中，避免复中，避免复杂CSI估估计，可能的，可能的话，信号，信号检测最好不依最好不依赖于精确的于精确的CSI9研究的必要性研究的必要性XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs1、建立低复杂度的连续中继链路，拥有相相对不不稳定的直定的直传链路更高的可靠性路更高的可靠性2、使用半双工中继，实现快
10、速、快速、连续的全双工数据的全双工数据传输3、设计了盲自干盲自干扰消除消除算法，消除了“全双工”的射频链路的自干自干扰4、使用叠加编码+差分解调实现不依不依赖于于CSI的信号解调，提高快衰落信道下解提高快衰落信道下解调的可靠性的可靠性10研究的创新点研究的创新点|设计差分连续中继策略（DSR）XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs11|实际系统模型系统模型系统模型XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential
11、 successivesuccessive relaying scheme for VANETs主要包括三大块a)基本通信基本通信节点点实现“虚虚拟”全双工全双工高速高速传输b)差分、叠加差分、叠加编码信号信号产生生c)信息符号判决信息符号判决实现不依不依赖与与实时、准确准确CSI的信号解的信号解调12|抽象系统模型系统模型系统模型盲中继间干扰消除判决门限求取、性能计算XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs该模型也被称为连续中中继SR（Success
12、ive Relaying），是一种模模拟全双工通信全双工通信方式。然而，关于SR的现有研究中，IRI消除消除需要中继间链路的实时CSI；这在快衰落的VANET中是困难的。13|抽象为1-2-1节点通信模型系统模型系统模型SR首次出现在2004年Giannkis的一篇ICASSP会议文章中，定名于2007年H.Vincent Poor的TWC。要使用SR提升速率，首先要IRI消除XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs14盲盲IRI消除技术消除技术|设计
13、不依赖CSI的技术，消除IRI基于2013年JSAC文献21所刊载的技术“如果如果A对对B的干扰信号，是的干扰信号，是A自身已知的信号（自身已知的信号（KI，Known Interference）经历未知信道，那么可以通过）经历未知信道，那么可以通过信号信号平滑平滑来消除这种干扰来消除这种干扰”，从而摆脱KI干扰消除对干扰消除对CSI的依赖的依赖。21 Zhang,S.,Liew,S.-C.,Wang,H.:Blind known interference cancellation,IEEE J.Sel.Areas Commun.,2013,31,(8),pp.1572 1582XIDIANU
14、NIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs15盲盲IRI消除技术消除技术|设计不依赖CSI的技术，消除IRI基于2013年JSAC文献21所刊载的技术“如果如果A对对B的干扰信号，是的干扰信号，是A自身已知的信号（自身已知的信号（KI，Known Interference）经历未知信道，那么可以通过）经历未知信道，那么可以通过信号信号平滑平滑来消除这种干扰来消除这种干扰”，从而摆脱KI消除对CSI的依赖。然而然而D收收到信号最到信号最终形式为：终形式为：IRI对对D而
15、言，而言，不是不是KI形式。形式。21 Zhang,S.,Liew,S.-C.,Wang,H.:Blind known interference cancellation,IEEE J.Sel.Areas Commun.,2013,31,(8),pp.1572 1582XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs16Step.1)KI（已知干扰）构建Step.2)中间变量构建Step.3)平滑平滑Step.4)DSN（目标信号）恢复盲盲IRI消除技术消除技
16、术|设计不依赖CSI的技术，消除IRI因此我们设计的盲干扰消除步骤如下：因此我们设计的盲干扰消除步骤如下：XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs参考SR中著名的全干全干扰消除消除FIC（Full Interference Cancellation）算法，转化IRI。在 中代入n=n-1和i=j。有有IRI的的变形形：17盲盲IRI消除技术消除技术|Step.1)KI（已知干扰）构建XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDif
17、ferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs最终得到DSN+KI形式：则我们可以很方便的根据21提供的盲干扰消除策略，通通过平滑消除平滑消除KI干干扰。18盲盲IRI消除技术消除技术|Step.1)KI（已知干扰）构建未知信道未知信道自身已知信号自身已知信号XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETsStep.2)中间变量t(n)、u(n)构建Step.3)平滑平滑Step.4)DSN（
18、目标信号）恢复19盲盲IRI消除技术消除技术|Step.2)-4)21XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs平滑之后得到的一个一个DSN为：其中所有奇数奇数DSN为偶数DSN，同理，由DSN4可以得到。20残留干扰盲盲IRI消除技术消除技术|DSN恢复XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs根据文献21，残留
19、干残留干扰扰IA和IB的方差方差为：因此当平滑滤波器长度M足够大时，残留干干扰扰功率功率趋趋于无于无穷穷小小。21盲盲IRI消除技术消除技术|残留干扰分析XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs复杂度：2+2M*3+2+(2M-2)*3+M*4+(M-1)*6=22M-8=O(M)该算法为线性复性复杂度度22盲盲IRI消除技术消除技术|BIRIC算法和复杂度XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential suc
20、cessivesuccessive relaying scheme for VANETs发发射机射机框图（用延时器或缓存实现叠加编码）功能：差分差分调调制制，得到xk叠加叠加编码编码，23信号产生与解调信号产生与解调|DSR信号产生XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs根据相关编码理论 ，二进制数据bn可以从差分调制信号 相邻叠加后的信号 的幅值解出。那么，接收机框图为：24信号产生与解调信号产生与解调|DSR信号检测20 Ziemer,R.E.,T
21、ranter,W.H.:Principles of communications(John Wiley&Sons,7th edn.2014)20确定判决门限XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs首先，将盲干盲干扰消除后的消除后的DSN化简为：其中，然后，以BPSK调制为例，确定假假设：得到对数似然比LLR：25信号产生与解调信号产生与解调|判决门限的确定XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential succ
22、essivesuccessive relaying scheme for VANETs将LLR与0进行对比，并根据文献25进行模值近似后，可得：可见，判决门限仅与接收信号的幅幅值和积累噪声的累噪声的二二阶统计值有关。达到了“解解调过程不需要精确、程不需要精确、实时CSI”的目标。26信号产生与解调信号产生与解调|判决门限的确定25 Young,G.K.,Sang,W.K.:Optimum selection diversity for BPSK signals in Rayleigh fading channels,IEEE Trans.Commun.,2001,49,(10),pp.1715
23、-1718XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs本文给出了以QPSK为例，将解调方法向高高阶调制制扩展展的方法，在此不展开讲述。QPSK需要3个判决门限以区分4个符号。其中，有一种情况需要先先进行星座行星座图旋旋转，再判决，再判决。27信号产生与解调信号产生与解调|向高阶调制扩展XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for V
24、ANETs判决规则当 时28信号产生与解调信号产生与解调|向高阶调制扩展XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs文中理论推导出可达可达传输速率速率的上界为：可见，若假设Ck相同，当帧长度L足够大时，对数前因子数前因子趋近于近于1；而对于半双工中继，该因子仅为1/2。获得了成倍速率提升成倍速率提升。29讨论和仿真讨论和仿真|传输速率XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccess
25、ive relaying scheme for VANETs仿真结果30无论是否带直传链路（S-D）DSR的速率都是：1.传统半双工AF中继（ANF）的2倍左右倍左右；2.而且十分接近极化全双工极化全双工中继中继技术的速率。讨论和仿真讨论和仿真|传输速率XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETsBPSK调制情况下，我们推导出来的误比特比特概率概率为：31讨论和仿真讨论和仿真|鲁棒性（BEP）XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITY
26、Differential successivesuccessive relaying scheme for VANETs仿真结果321.使用现有的SAGE，有一定的误码平层误码平层现象；2.DSR不会出现误码平层3.在低低SNR时，DSR的误码性能不如SAGE（差分调制固有劣势）；4.在高高SNR时，DSR误码性能反超SAGE（多普勒频移带来的CSI误差不影响DSR解调性能）讨论和仿真讨论和仿真|鲁棒性（仿真）XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs仿
27、真结果331.随着车辆移动速度的增加，SS的BER上升；2.DSR的BER基本不随车辆速度改变。讨论和仿真讨论和仿真|鲁棒性（仿真）XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs在高速车辆移动中，快衰落信道快衰落信道和“接触接触”时间共同决定了正确正确的数据传输量。我们基于西电校园模型，进行了SUMO仿真仿真（中继覆盖范围设定为500m）。34讨论和仿真讨论和仿真|数据传递量XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferenti
28、al successivesuccessive relaying scheme for VANETs统计“接触接触”时间接触时间内数据正确下数据正确下载量量35对比使用SS技术的传统ANF技术，我们的DSR技术可以传输传输2倍以上的数据倍以上的数据。而且车速越快，优势越明显。讨论和仿真讨论和仿真|数据传递量XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs在直路直路上 ，受限于最小覆盖的中最小覆盖的中继半径在拐角拐角处，最大覆盖 ，取决于R2的覆盖的覆盖当R1覆
29、盖较小（Coverage I），总覆盖当R2覆盖较大（Coverage II），总覆盖可达到36讨论和仿真讨论和仿真|DSR覆盖范围XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs一、信号一、信号处理复理复杂度度盲干扰消除具有线性复杂度，O(M)。二、二、Overhead1.两个中继交替传输，带来更多信令overhead，如切换、同步、中继选择等；2.控制overhead加倍，因为有两个中继参与传输。但是但是overhead的增加是可以接受的：平均每个中的增加
30、是可以接受的：平均每个中继overhead并未大幅增加；减少了并未大幅增加；减少了CSI获取取过程的程的overhead。37讨论和仿真讨论和仿真|DSR现实应用的复杂度XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs三、三、对现有有VANET设备的兼容性的兼容性兼容性兼容性：现有DSRC（Dedicated Short-Range Communications）协议使用的调制方式如BPSK、QPSK，DSR均支持；求出来的信道容量可以支持DSRC传输可以扩展DSRC的通信距离不兼容性不兼容性：加装额外缓存模块、接收机需要特定判决规则、MAC层一些行为如CSMA、信令需要调正以适应两个中继交替传输的情况38讨论和仿真讨论和仿真|DSR现实应用的复杂度XIDIANUNIVERSITYXIDIANUNIVERSITYDifferential successivesuccessive relaying scheme for VANETs谢谢各位老各位老师、同学！、同学！39报告人：任超()