基于信道反转的C-V2X动态功率控制方案

翟捷萍，刘小兰，肖海林,2

研究与开发

基于信道反转的C-V2X动态功率控制方案

翟捷萍1，刘小兰1，肖海林1,2

（1. 桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004； 2. 湖北大学计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062）

蜂窝车用无线通信（cellular vehicle-to-everything, C-V2X）系统中，基于V2V（vehicle-to-vehicle）车载通信采用复用蜂窝用户（cellular user, CUE）的频谱资源减轻基站负载实现部分近场V2V通信，在提高系统传输速率的同时也产生了同频干扰的问题。针对该问题，提出基于信道反转的动态功率控制方案，在非截断区内对V2V用户（V2V user, VUE）进行信道反转功率控制，补偿因发射功率有限造成的截断中断，通过动态功率控制解决蜂窝用户和V2V用户间的同频干扰。在此基础上，通过拉格朗日乘子法得到目标函数的最优对偶解，利用二分法确定CUE和VUE的最优功率，满足蜂窝用户传输速率要求的同时最大化V2V用户的总传输速率。数值仿真结果表明，当VUE总中断概率为0.866时，该方案使系统性能提升了48%。

C-V2X；车载通信；信道反转；功率控制

1 引言

随着城市智能交通系统的快速发展，车辆间通信需求逐渐增多[1-3]。在车辆自组织网络（vehicular Ad Hoc network）下车辆间通信对传输速率和可靠性的要求也随之提高[4-5]。与传统车辆自组织网络相比，V2V（vehicular-to-vehicular）作为无须经过基站转发近距离的自主通信，具有低时延、高速率的特点，而采用复用模式进行V2V通信，在减轻基站负担的同时，也大大提高了频谱资源的利用率。然而，在基于蜂窝车用无线（cellular vehicular-to-everything，C-V2X）通信系统中，V2V用户（V2V user，VUE）复用蜂窝用户（cellular user，CUE）信道资源进行V2V通信会随之产生相应的同频干扰问题[6-7]。

近年来，相关学者对复用模式下终端直通（device-to-device，D2D）通信的干扰问题展开相应研究[8-11]：

·参考文献[8]分析了CUE及D2D用户（D2D user，DUE）的干扰问题和系统的遍历速率，但是只考虑了单个CUE及单个DUE；

·参考文献[9]在基于蜂窝网络的V2V通信下，以最大化总速率和最小可达速率为目标进行信道选择与功率控制，以此实现系统的最佳性能；

·参考文献[10]在混合D2D蜂窝网络中采用模拟退火算法，从资源分配与功率控制两方面来进一步增大系统总吞吐量，但CUE和DUE间的相互干扰并未详细考虑；

·参考文献[11]提出一种联合功率及信道分配算法，在CUE的速率、DUE的中断概率及等待时间约束下最大化CUE和速率。

以上研究表明，无线通信网络中的同频干扰通过功率控制可以有效解决。

为进一步实现网络性能的优化，基于信道反转的研究也引起了广泛关注[12-13]：

·参考文献[12]在蜂窝无线网络中，由单层拓展到多层，上行链路传输采用基于信道反转的功率控制，分析相应网络参数与性能；

·参考文献[13]着眼于安全D2D传输设计，采用信道反转功率控制，推导出两跳传输情况下的安全中断概率表达式。

但参考文献[12-13]都只考虑拥有单一用户的无线通信网络。

综合以上考虑，本文在基于C-V2X通信系统中，针对CUE及VUE间的同频干扰，提出了基于信道反转的动态功率控制方案，利用信道反转补偿VUE在非截断区内因有限发射功率造成的截断中断，在满足所有CUE速率需求的情况下，通过拉格朗日乘子法及二分法确定CUE和VUE的最优功率，使VUE总传输速率最大化。数值仿真结果表明，本文所提方案与其他方案相比能够很好地使系统中VUE总传输速率最大化。

2 模型建立

2.1 模型描述

图1 系统模型

由于资源复用所引起的小区内干扰模型如图2所示。从图2中可以看出，VUE复用CUE上行资源，产生的干扰主要是 VUE发送端对基站的干扰、CUE对 VUE接收端的干扰、复用同一CUE资源的其他 VUE的干扰。

图2 小区内干扰模型

2.2 中断分析

2.2.1 CUE中断概率

当CUE的通信服务质量（quality of service, QoS）被满足时，其中断概率可以表示为：

利用参考文献[14]中公式（9.1）的定义，可以得到：

2.2.2 VUE中断概率

当 VUE的QoS被满足时，其中断概率可以表示为：

将式（12）～式（15）代入式（11），可得 VUE的中断概率表示为：

2.3 问题形成

根据上述分析，为提高系统性能，实现VUE总传输速率最大化的目标，在满足所有CUE速率需求前提下，以及在最大发射功率和最小SINR约束下提出目标函数及约束条件表示如式（20）：

3 基于信道反转的功率控制方案

3.1 功率控制方案

为了解决CUE和VUE间的同频干扰问题，对VUE进行动态的功率控制，功率控制模型如图3所示，保证区内用户的正常通信。本文考虑以VUE发送端为中心，在其周围形成两个区域[17]——等强度边界及非截断区，分成（a）、（b）、（c）3种情况进行说明。

图3 功率控制模型

等强度边界在VUE发送端周围形成，在此区域内VUE信号强度占主导，区域外CUE信号强度占主导，而在边界处VUE和CUE的信号强度相等。

在非截断区内，VUE因有限的功率导致V2V通信受到限制，无法通信。而超过非截断区的边界，VUE就会因为有限的功率而被截断，所以在此区域内对VUE进行基于信道反转的功率控制，增大VUE发射功率，补偿VUE因发射功率有限而造成截断中断。此区域外，VUE发送端由于功率不足无法反转路径损耗而不能进行V2V通信。

上述两种区域分为以下3种情况分别对应图3中的（a）、（b）、（c）。

（a）等强度边界>非截断区

VUE与CUE距离较远时，在两环的边界，VUE的信号强度不会对CUE引起强烈的干扰，但由于距离较远，对VUE来说复用远距离的CUE并不是一个很好的选择，并且对VUE本身来说也没有足够的功率支持V2V通信。

（b）等强度边界<非截断区

此种情况下，两区域的环空区CUE信号较弱，而非截断区所扩展到等强度边界外的区域VUE的信号将被浪费，因为它不会在CUE更强的信号干扰下进行V2V通信。

（c）等强度边界=非截断区

在特定传输功率下的VUE，距离CUE两个区域的边界重叠，这便产生了最有利于VUE通信的区域，在此区域内VUE有足够的通信信号强度，并且大于CUE信号强度。

综上分析，所提出的功率控制使得等强度边界和非截断区相等。在此区域内，VUE有足够的功率进行通信，并且信号强度大于CUE的信号强度，保证了此区域是对VUE通信最有利的区域。

因此，功率优化方案下VUE的中断概率表示为：

进一步化简可得：

根据所提出的动态功率控制方案，VUE与最近的CUE距离很小时，VUE会降低其发射功率，减少与CUE间的同频干扰，以确保区域内用户的正常通信。同时，为减轻基站的负载且提高频谱利用率，本文考虑所有VUE复用CUE上行链路资源进行通信，并对VUE总中断概率进行分析。

3.2 VUE总中断概率分析

基于低密度的C-V2X通信系统，截断中断发生时，VUE并不总能找到相应的CUE信道进行复用。而在非截断区之外，VUE没有足够的功率进行V2V通信，会发生截断中断，所以VUE需要在特定区域内找到可以复用的CUE，以此进行V2V通信。此时，VUE复用距离最近的CUE信道，进行V2V通信。VUE复用CUE上行资源的复用模型如图4所示。

图4 VUE复用CUE上行资源的复用模型

基于上述分析，可知VUE总中断概率包括SINR中断概率和截断中断概率，VUE的总中断概率表示为：

3.3 基于拉格朗日及二分法的功率分配

确定CUE和VUE最佳发射功率的优化问题可以改写成：

4 数值分析

在本节中，首先对CUE中断性能与SINR门限值的关系进行分析；其次分析VUE总中断性能与SINR门限值间的关系；紧接着在系统性能分析的基础上，将本文所提方案与参考文献[20]和参考文献[21]的方案进行了对比，分别对系统中不同用户的传输速率及VUE总传输速率进行相应分析。具体仿真参数设置见表1。

表1 仿真参数设置

（1）中断概率

CUE中断概率与SINR门限值的关系如图5所示，反映的是CUE的中断性能与SINR门限值间的变化情况。随着SINR逐渐增大，CUE的中断概率随之升高，并且在不同的VUE密度下，随着VUE密度增大，CUE的中断概率也逐渐升高。这是由于VUE密度越大时，VUE与CUE间的同频干扰越大，CUE的中断概率越高，所以解决CUE与VUE间的同频干扰问题是很有必要的。

图5 CUE中断概率与SINR门限值的关系

本文中对VUE进行基于信道反转的功率控制是对VUE截断中断的补偿，VUE总中断概率与SINR门限值间的关系曲线如图6所示，通过分析信道反转功率控制系数与总中断性能间的关系验证本文所提出的基于信道反转的功率控制方案的有效性。

图6 VUE总中断概率与SINR门限值的关系曲线

（2）性能分析

不同用户的总传输速率如图7所示，将本文所提方案与参考文献[20]、参考文献[21]对系统中所有用户的传输速率进行比较。结果表明，本文所提方案在VUE和速率、CUE和VUE总速率两方面均优于其他方案。参考文献[20]考虑和速率最大方案，参考文献[21]考虑总速率最大方案，而本文所提方案在满足所有CUE速率需求下对CUE和VUE确定了最优功率，因此从图7中可以看出，本文所提方案既实现VUE总速率最大目标，也保证了CUE总速率处于较高水平。

图7 不同用户的总传输速率

VUE总速率与VUE数量变化趋势如图8所示，描绘了VUE对总和速率与VUE对数量变化的关系曲线评估功率分配的不同方案。从图8中可以看出，随着VUE数量的增多，VUE总速率单调递增，本文所提的功率分配方案明显优于参考文献[20]、参考文献[21]所提方案。本文所考虑的是多个VUE对复用同一CUE信道资源，在动态功率控制的基础上，通过拉格朗日乘子法得到目标函数的最优对偶解、利用二分法确定了CUE和VUE的最优功率，实现了VUE总传输速率最大化。本文所提方案与参考文献[21]所提方案相比在VUE的数量为50时，性能提升了48%。

图8 VUE总传输速率与VUE数量变化趋势

5 结束语

本文针对基于C-V2X系统复用模式下CUE与VUE间的同频干扰问题，提出了动态功率控制方案，对VUE进行基于信道反转的功率控制，补偿因发射功率有限造成的截断中断，由动态功率控制解决CUE和VUE间的同频干扰。再通过拉格朗日乘子法得到目标函数的最优对偶解，利用二分法确定了CUE和VUE的最优功率，实现了VUE总传输速率最大化。数值仿真结果表明，当VUE总中断概率为0.866时，本文所提方案使系统性能提升了48%。

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Dynamic power control scheme for C-V2X communication with channel inversion

ZHAI Jieping1, LIU Xiaolan1, XIAO Hailin1,2

1. School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China 2. School of Computer and Information Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China

In cellular vehicle-to-everything（C-V2X）system, V2V（vehicle-to-vehicle）-based communication utilizes the spectrum resource of cellular users（CUE）to reduce the load of base stations, and thus realize partial near-field V2V communication. Although the V2V-based communication can improve the transmission rate of system, it causes co-frequency interference. To solve the problem, a dynamic power control scheme with channel inversion was proposed. In this scheme, channel inversion power control on V2V users（VUE）was performed to compensate the truncation interruption caused by limited transmission power in the non-truncated area, where the co-frequency interference between cellular users and V2V users was solved through dynamic power control. Furthermore, the optimal dual solution of objective function was obtained by Lagrange multiplier method and the optimal power allocation was carried out for cellular users and V2V users by bisection method, which met the rate requirements of all cellular users. Finally, the total transmission rate of V2V users was maximized. Numerical simulation results were shown that when the total outage probability of V2V users was 0.866, the proposed scheme was promoted by 48%.

C-V2X, vehicle communication, channel inversion, power control

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000−0801.2021030

2020−11−23；

2021−02−05

肖海林，xhl_xiaohailin@163.com

国家自然科学基金资助项目（No.61872406，No.61472094）；浙江省重点研发计划项目（No.2018C01059）

The National Natural Science Foundation of China (No.61872406, No.61472094), The Key Research and Development Project of Zhejiang Province of China (No. 2018C01059)

翟捷萍（1995− ），女，桂林电子科技大学硕士生，主要研究方向为车载通信。

刘小兰（1995−），女，桂林电子科技大学硕士生，主要研究方向为无线通信和协作通信。

肖海林（1976−），男，湖北大学计算机与信息工程学院教授，主要研究方向为车载无线通信、MIMO无线通信、协作通信。