基于网络编码的随机分析Relay-Assisted I2V通信在智能交通系统中

文摘

我们研究信息传输在一个典型的通信场景的智能交通系统(ITS),也就是说,打算独立广播消息的基础设施提供的服务覆盖区域内车辆。由于无线信号传播的动态特性链接和interuser干扰,很难保证满意的性能通过直接基础设施载体(I2V)传输。为了解决这个问题,我们建议允许某些车辆作为中继协助信息分发过程和应用的一类有限域网络编码有效地使用可用的频谱资源。考虑到基础设施信息来源后,所有车辆都随机分布的泊松过程,我们模型一般城市通信网络和基于随机几何我们得到一辆车的概率能够成功恢复所有所需的信息从它的基础设施服务。分析和数值结果清楚地表明,我们提出的基于网络编码的relay-assisted I2V传输可以显著提高通信性能的传统直接I2V传播策略。

1。介绍

汽车的数量迅速增加的开车在路上,现在,交通事故和交通拥堵成为严重的全球问题,从而吸引全世界的关注。为了处理这个问题,车载ad hoc网络的概念(VANETs)提出了作为一个有效的解决方案。在VANETs,车辆的状态信息(例如,实时位置、速度和行驶方向)可以定期与他人分享附近通过无线通信技术来提供一个详细的环境意识的司机。早期预警消息也可以播放当紧急情况发生时减少司机的反应时间。由于高移动性和无线数据传输范围有限的车辆,改善网络连接和覆盖范围,沿着道路路边基础设施被认为是部署中继车辆信息和分发其他交通信息(例如,交通灯的信号,道路拥堵状况,和监管限速(1])。这些方法可能带来显著改善交通安全、运输效率(1- - - - - -3]。

由于上述优点,VANETs吸引了大量的研究关注。IEEE 802.11便士标准基于专用短程通信(简称DSRC)技术开发支持智能交通系统(ITS)应用程序自2004年以来,VAENTs [2]。由于缺少普遍的基础设施部署和足够的传输范围,短距离微波技术通常被认为是提供间歇性和短暂的路边基础设施和车辆之间的连接(4]。最近,第三代合作伙伴计划(3 gpp)被认为是车辆通信作为一种重要的应用程序场景的第五代(5克)蜂窝系统5]。设想,在5 g系统中,几种类型的基础设施,可能包括eNodeBs eNodeB-type路边单元(限制),和UE-type限制,可以部署为车辆提供其服务覆盖区域内(5]。显然,车辆通信网络的整体连通性可以通过基础设施明显改善车辆(I2V)的数据传输。然而,由于可用的频谱资源分配给车载网络一般有限,有大量的基础设施也可能产生严重的cochannel干扰问题,从而影响服务质量(QoS)在实践中。

I2V传播策略的分析已经被最近的一些调查研究工作。已经表明,正确设计传动方案会导致显著的性能改进的增强的能力(3)和能源效率(6,7和减少延迟8,9]。然而,在最新的作品,所有路边基础设施和车辆被认为是位于一个道路。因此每辆车的期望信号和干扰信号建模从一维空间。显然不是这样的情况在实践中,通常有多个在某一区域内道路和干扰信号可能来自四面八方。部署多个道路是考虑在10]。但所有基础设施仍然认为定位只有每个路上,导致一维齐次泊松过程(H-PPPs)模型。预计多种类型的基础设施(例如,eNodeBs)可以提供I2V通信的应用程序。因此这个模型可能仍然无法反映在未来其最一般的条件,一些cochannel干扰发电机可能随机分布在二维空间(11]。

为了进一步提高I2V通信的性能,11- - - - - -14)建议使用额外中继终端(例如,车辆在道路上运行)协助消息传递过程。要求传递消息重复的基础设施将提供车辆接收器与空间分集增益,可以战斗的负面影响车辆通信环境中复杂的衰落和干扰特性。可以观察到尽管明显的性能提高,重复编码操作采用继电器可能事实上仍然是幽灵似地低效率(15]。这是因为,每个继电器使用多个正交通道分别重复的消息来源,这可能需要一个不必要地使用大频道。众所周知,对于这个问题的概念网络编码(16作为一个优雅的解决方案。而不是单独电源来源信息,每个继电器他们结合形成一个新的码字,单通道的使用就可以交付到目的地。实现有效传播的多个独立的消息,一个类最大距离可分有限域网络编码(MDS-FFNCs)的编码原则在于高阶有限领域的总和,因此提出的(17]。

在本文中,我们提出应用MDS-FFNC relay-assisted I2V通信的。多个独立的系统模型考虑了无线分布消息从路边基础设施覆盖区域的车辆。可以选择一些车辆作为继电器和应用MDS-FFNC协助I2V传输以提高系统性能。基于随机几何、车辆和路边基础设施的分布建模后,两个独立的购买力平价。我们推导出成功传输概率在这样一个复杂的系统。通过与经典的比较直接I2V传输,利用继电器和网络编码技术的潜在好处在I2V通信系统正在展出。

本文的其余部分组织如下。我们首先存在系统模型,提出传播计划部分2。介绍了成功传输概率分析部分3。部分4演示了我们的方案比较和两个基准计划通过数值结果。最后,部分5总结了纸。

2。系统模型

在本节中,我们首先介绍系统模型,然后提出了基于网络编码的relay-assisted I2V传输过程。

2.1。系统模型

我们考虑一个城市道路系统在无限平面点阵模式如图1(一)。许多水平的系统包括道路隔开的距离米(用 和 )和许多垂直道路隔开的距离米(用 )。通常看到这种道路系统在许多城市,如纽约和巴塞罗那18]。车辆运行在这些道路的位置被认为是分布在一维H-PPPs [10]。无线收发模块安装在每个车辆被激活有一定概率广播汽车周围车辆的状态信息。在任何时候,同时激活车辆运行在水平道路 ,用一组 ,因此可以通过购买力平价与密度建模吗 。同样,同时激活车辆运行在垂直的道路 ,用设置 ,建模的购买力平价和密度吗 。它的基础设施被认为是随机部署在平面上 。每个基础设施也激活概率广播交通状态信息在道路上运行的车辆(这些工具通常会有兴趣相同的信息)在其覆盖区域。在每一次瞬间,同时激活的基础设施的位置,用一组 ,可以建模遵循一个独立的二维购买力平价与强度(11]。

让我们考虑I2V信息传输的基础设施之一,其覆盖范围内的车辆。表示的基础设施和目标车辆 。不失一般性,我们假设跑在路上吗 。 打算送一套 独立的消息 ,这可能含有丰富的信息,如交通灯的信号,道路拥堵状态和速度限制, 。由于其他同时激活的基础设施和车辆,接待的将由cochannel干扰破坏这样一个令人满意的消息传递质量可能不会实现。

来处理这个问题,我们采用合作通信的概念并选择一辆车还运行在作为中继的帮助通过vehicle-to-vehicle (V2V)通信链路(实际上可以选择帮助所有车辆谁感兴趣)。由于硬件限制,的传递函数是半双工再生(DF)的方式操作。这个例子的relay-assisted I2V通信网络如图1 (b)。

消息传输进行缓慢,frequency-flat瑞利衰落环境。一个消息使用一个单位时间传输插槽。发射机之间的小规模衰落系数和接收方表示为被建模为一个复杂的高斯随机变量与零均值和单位方差。每个时间段内保持不变,后来独立变化。建模的大规模的衰落对信号的影响力量 ,在这之间的距离是和和路径损耗指数。通过这种方式,在每个时间段,节点的传输功率之间的关系在节点和接收功率可以表示为如下形式: 提示简单起见,我们设置传输能量的基础设施和车辆 。的价值为不同的收发两用机双可以是非常不同的,尤其是当视线和视线范围信号传播都考虑在内。允许考虑复杂系统的性能分析数学驯良的,在这篇文章中,我们将这个值设置为相同对于所有干扰链接。相比于I2V链接来和来 ,V2V的路径损耗指数- - - - - -链接可能小由于它们之间相对较短的距离和简单的衰落特性。例如,以下(18,19),我们可以选择 和 。其他选择的路径损耗指数,本文提供的分析方法也可以应用。

因此,在每一个时间段,收到发射机之间signal-to-interference-plus-noise比(SINR)( )和接收器( )可以表示为如下形式: 在哪里 , , 表示接收到的干扰功率的基础设施和车辆在和对所有 分别为,表示声音的力量。

2.2。传输的过程

在本文中,我们需要结合的继电器消息来源 成新消息 使用MDS-FFNC。具体来说,定义向量 和 ,在那里是向量转置运算符。网络编码的输入-输出关系过程可以表示为 所有合计在某个有限域,进行编码系数是为了保证全球编码内核(GEK) [17)是线性无关的。通过这种方式,任何子矩阵构成行转移矩阵是满秩。任何出了 码字表示左边(3)能够帮助恢复整个源消息集 。

传输过程中考虑relay-assisted I2V通信系统图所示2并称为network-coded合作(NC)。总共 时间槽是用来完成的传播从来 。第一个槽被分配到播放 ,分别。如果继电器可以解码所有的消息,在未来时段network-coded传递给消息 。否则,保持沉默。后和完成他们的传输,试图恢复根据其收到的信号。注意的选择价值会影响系统的性能。有一个大的价值将提供高多样性I2V传输过程。但由于需要大量的通道使用,频谱效率作为一个潜在的成本将会降低。当被选为零,不使用继电器协助I2V通信。这是被称为直接传输(DT)在纸上。

评估的性能提出了数控计划,我们将得到的概率能够成功恢复所有消息来源。这个任务将在下一节中进行。

3所示。性能分析

节中描述2.2数控模式的传输过程中,有两个阶段进行消息传递,也就是说,第一个节目消息和然后通过I2V链接传输network-coded消息通过V2V链接。最后的概率能够成功恢复源消息集吗依赖于在每个时间段成功传输概率。为此,我们首先获得后者概率表达式。

我们已经看到,在每一个时间段,发射机之间的SINR( )和接收器( 可以表达的所示(2)。如果大于某一阈值 ,接收方可以正确解码接收信号的 。因此,成功传输概率,用 ,可以表示为 。可以进一步派生(4), , ,和的拉普拉斯变换吗 , ,和 ,分别。事实上, , ,和代表成功解码概率的降低由于cochannel干扰所产生的干扰的基础设施、车辆运行在水平道路,分别和垂直的道路。在下面,我们推导出这三个因素的封闭表达式。

让 。由于其基础设施的位置是假定为随机分布在二维购买力平价,拉普拉斯变换的基础设施是由总干扰同时激活 在哪里 γ函数(20.]。

所有车辆的位置分布根据一维H-PPPs和车辆在不同道路是独立的。聚合的拉普拉斯变换的干扰影响的车辆和可以表示为

获得的表达式和 ,我们应该首先推导出和 。我们可以看到,和聚合干扰接收从公路上的车辆和 。不失一般性,我们接收机的位置的坐标是在(路水平轴)的交点的位置和将 。

我们的位置坐标th干扰车辆,表示 ,( ),道路是( , ), ,的th干扰车辆,表示( ),道路是( , ), 。之间的距离和接收机是 我们有 。拉普拉斯变换是由 (在哪里)是独立的衰落参数,()遵循瑞利衰落的拉普拉斯变换(即, ),()之前,从购买力平价的概率生成函数的表达(21), , 。正如我们前面提到的,路径损耗指数可以选择根据应用信号传播环境。的表达(8可以为每个单独的选择 。例如,设置 为我们提供了下列积分: 用(9)(8),我们可以获得作为

用(10), 到(6),拉普拉斯变换总干扰功率的同时激活汽车在水平道路是由

同样的,当 ,的表达可以推导出 用(12), 到(7)导致的拉普拉斯变换的总干扰同时激活汽车在水平道路(13)。替代(5),(11)和(13)(4)。我们可以获得成功传输概率的封闭表达式之间的发射机( )和接收器( 在每一个时间段, 。

现在我们已经准备好得到的概率可以完全恢复所有消息来源。表示这个概率, 。基于传输过程中所描述的部分2.2,我们可以表达作为 在哪里表示继电器的概率被激活,的概率是可以恢复条件下,继电器激活。显然,继电器只有当它可以恢复所有的激活吗源的信息 。因此我们可以计算通过

如果继电器被激活,总共收到 信息传播的和 。受益于MDS-FFNC,只要出了 消息可以解码,所有的消息 可以恢复。换句话说,I2V传播如果最多成功消息解码错误 。因此,成功的概率恢复所有的消息来源的帮助下是计算 在哪里的概率是不能直接解码消息从和的概率是不能解码最多 network-coded消息从 。

另一方面,如果继电器不能成功解码所有的消息从 ,这是的概率 ,那么I2V传输来只有当可以成功吗整个消息集可以恢复吗从 。成功传输概率在这种情况下,很明显 。最后,代入(15)和(16)(14)。我们可以获得准确的成功传输概率通过数控计划。

如果继电器不是用来帮助所需I2V传播,成功传输概率来用当然它是派生如下使用(4):

4所示。数值结果

在本节中,我们提出的基于网络编码的性能评估relay-assisted I2V通信。两个基准方案被认为是证明该数控计划的好处。除了不使用继电器(即DT方案。,direct I2V transmissions), another forwarding strategy that is commonly adopted in relay-aided I2V communication systems is to require the relay to repeat the messages generated by the infrastructure (e.g., see [12,13])。我们的术语repetition-coded合作(RC)计划。这个计划很简单实现。但是,当基础设施计划提供多个消息服务车辆,它可能不是令人满意地好。例如,考虑我们的系统中,源打算播出消息。使继电器重复每个源消息一旦需要整个传输完成使用时间槽。每个消息到达通过两个独立的路径,直接从一个和一个通过 。相比之下,我们的数控方案 ,它的多样性和多路复用涨幅可能都不够。以来的成功传输概率的计算RC方案涉及(由于上述干扰问题),我们将展示通过模拟其性能。

公平比较,我们从基础设施需求的平均传输数据速率是相同的所有三个方案。这个速度是用位/信息/(时间)通道使用(BPMPCU)。DT方案要求完成的直接I2V传播时段消息。因此应该包含每个消息比特的信息。RC方案需要槽,每个消息比特的信息。最后,使用数控方案 时段完成传输。每条消息应该包含 信息维护的平均利率BPMPCU。此外,我们假设基础设施源capacity-achieving高斯代码适用于对其信息进行编码,以使SINR阈值的DT, RC,数控方案可以表示为 , , ,分别。

在以下的数值结果,我们使用网络拓扑的一个例子来说明数控方案获得的性能提升。具体来说,我们 m和 m。此外,距离来是m和从来是m。同时激活每个道路上车辆的密度将是相同的,也就是说, , ,用 。除非另有规定,其他网络参数表中列出1,其中大部分采用从[5,18,19]。当然,在其他系统设置,部分中提供的分析方法3也是适用的。

图3显示成功传输概率通过三个方案,当平均传输速率的变化。验证的派生的准确性和提出了部分3外,我们还进行了蒙特卡罗模拟(100000实验)发现这些值。可以清楚地看到,分析和仿真结果符合对方。此外,我们可以观察到,各种传输数据速率,数控方案执行比DT和RC计划。当消息的数量的成功传输概率的增加,三个方案都减少,因为现在它是更容易的犯错误在源消息恢复过程。在这种情况下,性能的数控方案仍然存在,并设计一个适当的系统应该减少传输数据速率提高I2V通信可靠性。此外,我们也可以观察到选择是非常大的,DT方案比其他两个。这是因为,对于大型的传输速率,在当前设置的传输能力和 ,系统实际上是在一个相对较低的SINR政权。自从数控方案使用更多的频道资源来完成传输,其信息每条消息的速度大于DT的计划。译码错误概率和是由解码的高效的消息。RC的情况显然是更严重的计划。我们可以看到成功传输概率太低了在实践中是可以接受的。因此,一个更好的系统设计应该使用一个较小的速度(由每个消息传递)提供信息。在这种情况下,操作系统在一个相对较大的SINR政权。数控方案的多样性和网络编码的收益可以更有利,特别是在传输的可靠性要求非常高。

图4显示了成功传输概率密度和车辆 。可以看出,对于各种干扰车辆密度、数控方案执行比DT方案(RC方案由于其低性能未显示)。时的值大,干扰的影响就大。认为I2V通信系统运行在一个低的SINR政权。再次,由于数控计划要求每个消息有一个更大的信息率,这可能会导致不正确的解码概率高于DT方案。但由于成功传输概率太低,传输数据速率较低应该选择保证足够高的概率成功的传播,当同时激活车辆的密度大。它可以直接推测,同样的观察将干扰基础设施的密度是不同的。

最后,在图5,我们显示的值变化的影响在成功传输概率。注意,当 ,数控计划变成了DT方案。它可以直接看到数控方案可以执行比DT方案。这是与以前的观测一致。此外,不同的选择将导致不同的性能。但增加不一定提高成功传输概率。这是因为虽然增加为I2V通信提供了更高的分集增益和功率增益,每个消息的信息率必须保持一个固定的平均传输速率增加。这可能会导致解码过程中的困难,因此抵消继电器提供的好处。应该注意的是,最好的选择在不同的系统设置上可以有很大的不同。例如,我们可以看到从图5不同的价值观需要不同的选择达到最佳性能。事实上,等系统参数 , , , ,和都会影响的选择 。在不同的系统中,在上一节中给出的分析方法可用于进行选择。

5。结论

一个典型的通信场景的应用程序的信息分布在路边基础设施覆盖区域内车辆。对抗衰落和cochannel干扰的负面影响,近年来,调查提出了使用选定的车辆作为继电器等I2V传输过程。在本文中,我们研究了应用network-coded合作战略在一个I2V通信系统与多个消息来源。潜在cochannel干扰发电机建模基于随机几何。具体来说,影响基础设施建模2 d购买力平价和干扰车辆由1 d H-PPPs建模。通过推导成功传输概率之间的基础设施和车辆,我们表明,该传动方案可以显著提高传统直接I2V传输的性能。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金(61331009,61401314),上海的科技重点项目(批准号15 dz1100801),欧盟FP7快速项目之下(pirses - ga - 2013 - 612652),和系统控制和信息处理的重点实验室,教育部,上海。

引用

1. k .郑,郑,p . Chatzimisios w·香和y周,“异构车载网络:一个调查架构,挑战,和解决方案,“IEEE通信调查和教程,17卷,不。4、2377 - 2396年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 江d和l . Delgrossi”向国际标准IEEE 802.11 p:无线接入在车辆的环境中,”职业训练局第67届IEEE车辆技术研讨会论文集(08年)2008年5月,页2036 - 2040。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. b . Sikdar”基础设施车载通信、广播方案的比较”IEEE智能交通系统,13卷,不。2、492 - 502年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. g . Araniti c·坎波洛m . Condoluci a . Iera和a·莫里纳罗”LTE车载网络:一项调查,”IEEE通讯杂志,51卷,不。5,148 - 157年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 3 gpp TR 36.885 ver.14.0.0”,研究其基于lte网络V2X服务,”2016年6月。
6. a . Khezrian t·d·托德·g . Karakostas和m . Azimifar”节能调度与多个路边单元绿色车辆的基础设施,”IEEE车辆技术,卷64,不。5,1942 - 1957年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. a . a . Hammad t·d·托德,g . Karakostas“可变比特率传输计划代绿色车辆的路边单元,“IEEE车辆技术,卷65,不。3、1590 - 1604年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. m . j . Khabbaz h . m . k . Alazemi, c . m . Assi”建模和延迟分析retransmission-based包交付方案间歇路边通信网络,”IEEE智能交通系统,14卷,不。2、700 - 708年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. a . Abdrabou和w·壮族“概率延迟控制和路边单元放置车辆临时网络连接中断,”IEEE在选定地区通讯》杂志上卷,29号1,第139 - 129页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. t·h·齐藤木h .本田,r . Kawahara”建模城市通过随机几何方法,其通信”第84届车辆技术研讨会论文集(VTC-Fall) (IEEE的16)QC,页21页,蒙特利尔,加拿大,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. x通用电气、g .毛h . Cheng y,和你,“车辆通信5 g合作小细胞网络”,IEEE车辆技术,卷65,不。10日,7882 - 7894年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. c·杨,傅y, y, s .谢和r . Yu”节能混合光谱认知车载Ad hoc网络,访问计划”IEEE通信信,17卷,不。2、329 - 332年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. T.-D。阮、o·伯德和o . Sentieys“节能合作infrastructure-to-vehicle通信技术”IEEE智能交通系统,12卷,不。3、659 - 668年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. r . Atallah m . Khabbaz, c . Assi”多次反射V2I通讯:可行性研究、建模、性能分析,“IEEE车辆技术,卷66,不。3、2801 - 2810年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. h . Topakkaya z王,“无线网络使用diversity-multiplexing权衡代码设计和性能分析,“IEEE通信卷,59号2、488 - 496年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. r·w·杨S.-Y。李:蔡>,网络编码理论现在出版商,Inc,布雷达,荷兰,2006年。
17. m·肖,j . Kliewer和m . Skoglund”设计的网络编码对于多用户多种继电无线网络,“IEEE通信,60卷,不。12日,第3766 - 3755页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. x n, n, n . Cheng沈,j·w·马克和f·巴姨,“车辆满足基础设施:对车辆接入网络容量价值权衡,”IEEE智能交通系统,14卷,不。3、1266 - 1277年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 陆z, h . m . Haenggi, c . Poellabauer”DSRC的随机几何建模方法对车辆安全通信,”IEEE智能交通系统,17卷,不。5,1448 - 1458年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. m . Haenggi无线网络的随机几何剑桥,剑桥大学出版社,英格兰,英国,2012年。
21. m . Haenggi和r·k·Ganti“干涉大的无线网络,”基金会和网络的趋势,3卷,不。2、127 - 248年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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