0 引言

    相比直接傳輸，車載協作通信技術可以滿足高傳輸速率、大覆蓋范圍、高可靠性等無線通信的需求，因而得到廣泛應用^[1]。在車載協作通信系統中，常采用AF、DF或者HDAF協議。而AF協議對信號的處理過程簡單，時延較低，對硬件和系統的復雜度要求不高，在實際應用較多^[2]。使用傳統的單向中繼協作技術的系統在第一時隙和第二時隙存在兩路信號傳輸干擾，消耗了系統的傳輸功率。相較于傳統的單向中繼技術，近幾年提出的雙向中繼協作系統雖然需要消耗2～3個時隙，但可以有效改善單向中繼協作技術的這一缺陷，節省傳輸功率，并提高了頻譜效率^[3-4]，該技術也因此得到深入研究和使用。車輛的離散性和高速移動性、基站天線架設高度較低、散射環境復雜以及建筑物的阻擋等原因，降低了短距離內通信系統的中斷性能。文獻[5]考慮復雜的車輛周邊環境，建立的雙瑞利(Double-Rayleigh)衰落模型能較好地反映V2V信道的小尺度衰落特性。文獻[6]基于雙向中繼協作通信系統，研究了基站天線架設高度較高情況下的系統中斷性能，對于終端的移動性對系統中斷性能的影響未進行充分的考慮。文獻[7]在多種基站天線架設高度情況下進行研究分析，得出的相關系數能夠較好地反映車輛移動對系統中斷性能的影響，但是計算過程較復雜，也未提及相應的功率分配方案。

    綜上所述，本文建立以架設高度較低的天線為中繼的車載雙向鏈路相關性系統模型，并且采用相關系數描述車輛移動造成的雙向鏈路特性。在此基礎上，推導出車載雙向鏈路相關性系統的中斷概率表達式，并分析相關系數和功率分配系數對系統中斷性能的影響。 

1 系統模型

    第n時隙：源節點S向周邊廣播信息，中繼節點R接收到的信息為： 

    源節點S接收到的信息為：

    在雙向轉發鏈路當中，采用簡單便于性能分析的AF方式進行雙向轉發，其中β為中繼節點R的發射功率占比系數，滿足0≤β≤1。

    中繼節點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進行信息合并。因此，為減少計算消耗，源節點S接收信息的表達式為：

    源節點S-中繼節點R傳輸鏈路信噪比為：

2 系統性能分析

2.1 中斷性能分析

    在車載雙向鏈路相關性系統下的中斷概率為：

2.2 最優功率分配

    最優功率分配方案對車載雙向鏈路相關性系統有著重要影響。根據式(23)、式(24)可知，式(32)即系統的中斷概率與功率分配系數β相關，所以，為了求得中斷概率最小則需要對β求最值。根據中斷概率最小可得最優功率分配關系式如下：

    中繼節點R根據最優功率分配系數β_OPT分配功率給其余節點。根據式(25)與式(26)可知，信道容量最大時同樣可得中斷概率最小^[4]。在此系統當中，直接根據信道容量求解最優功率分配系數，計算相對簡單，所以將式(34)轉化為式(35)：

    在第三時隙，中繼節點計算源節點S和目的節點D發送的功率，再依據式(36)的最優功率分配系數，同時向源節點S和目的節點D發送信號，可以使得車載雙向鏈路相關性系統的中斷概率得到最小化，既保證通信的服務質量，又節省了系統功率。

3 數值分析

    為了探討車載雙向鏈路相關性系統下的中斷性能影響因素，本文考率到雙向鏈路的相關性。在相關系數不同取值情況下，并結合功率分配系數相比較，對系統中斷性能進行了數值分析。結合傳統單向中繼協作通信系統，對系統中斷概率所得最優功率分配方案做了比較。

    忽略雙向鏈路相關性，僅考慮功率分配系數?茁取值對系統中斷性能的影響。設置相關系數ρ=0，此時認為車輛移動造成的鏈路相關性可以忽略不計。中繼節點R發射功率的分配系數分別取β=0.1、β=0.7。由圖2可知，中斷性能隨著信噪比的增加而下降。然而信噪比增大到20 dB時，才能對比出兩個不同的功率分配系數對應的中斷概率曲線的不同。可見忽略相關系數的影響，僅提高功率分配系數對提升系統中斷性能的效果不顯著。

    針對圖2的情況，在圖3中，設置中繼節點的功率分配系數均為β=0.3，觀測雙向鏈路相關系數取值分別為ρ=0.4、ρ=0.8、ρ=1時，對在車載雙向鏈路相關性系統中斷性能的影響。圖3中，當ρ=0.8、ρ=1時，系統中斷性能比ρ=0.4差，當信噪比SNR增大到20 dB后，ρ=0.4對應的系統的中斷性能呈指數下降。對比圖2和圖3可知，相關系數對系統中斷性能的影響更大。

    針對圖2和圖3的情況，圖4同時考慮不同的功率分配系數和相關系數對系統中斷性能的影響。由圖4可知，ρ=1的曲線始終在ρ=0.3的曲線上方，說明影響系統中斷性能主要取決于雙向鏈路的相關性。比較ρ=0.3、β=0.4和ρ=0.3、β＝0.7的中斷性能曲線，發現并不是功率分配系數β越大，系統中斷性能越好。利用合適的功率分配方案，可以有效提高系統的中斷性能。

    針對圖4考慮了不同功率分配系數和雙向鏈路相關系數對系統中斷性能的影響，圖5考慮在車載雙向鏈路相關性系統下，使用最優功率分配策略對系統中斷性能影響。如圖5所示，由于城市環境復雜，障礙物較多，車流量大，因此直接傳輸系統中斷性能最差，基本無法保障通信服務質量。傳統單向中繼協作通信系統的最優功率分配策略次優，經過中繼的協作可以有效降低系統的中斷概率。而結合雙向鏈路相關系數ρ得出的最優功率分配方案的中斷性能，因為結合了兩路信號并且考慮到了兩路之間的相關性，利用功率分配方案得出的中斷性能分析結果，比傳統的單向中繼協作系統中斷性能更優。由圖5可知，最優功率分配方案下可以有效節省能耗，平均可以節省功率2~4 dB。

4 結束語

    本文基于建立的車載雙向鏈路相關性系統模型，通過相關系數來描述車輛移動造成的雙向鏈路特性。采用便于性能分析的AF方式求出中斷性能的閉式解，簡化了計算復雜度，并得到了相應的最優功率分配系數。數值分析表明，車載雙向鏈路相關性系統中，僅僅增大功率分配系數對系統的中斷性能影響較小，相關系數比功率分配系數對中斷性能影響的幅度更大。結合相關系數，在車載雙向鏈路相關性系統下的最優功率分配方案，對比傳統單向AF中繼協作通信的最優功率分配方案，可以減少系統功耗，具有一定的實用價值和現實意義。

參考文獻

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作者信息:

林瀟瑜1，邱  斌1，2，肖海林1，3

（1. 桂林電子科技大學 認知無線電與信號處理教育部重點實驗室，廣西 桂林541004；

2.桂林理工大學 信息科學與工程學院，廣西 桂林541004；3.溫州大學 物理與電子信息工程學院，浙江 溫州325035）