QoS gecikmeli D2D tabanlı V2V araç iletişimi güç dağıtım şeması
Geleneksel araç özel ağı ile karşılaştırıldığında, hücresel ağ tabanlı V2V iletişim teknolojisi daha geniş kapsama, daha yüksek esneklik ve daha hızlı veri aktarım hızı avantajlarına sahiptir. D2D teknolojisi, hücresel ağ altında V2V iletişimini desteklemek için kullanılabilir (bu makalede D2D tabanlı V2V iletişimi olarak anılacaktır) Bu teknolojiyi kullanarak, araçlar arasındaki iletişimin baz istasyonu üzerinden iletilmesine gerek kalmaz, bu da baz istasyonu üzerindeki yükü azaltır. Hücresel ağda, D2D tabanlı V2V'nin iki iletişim modu vardır: Yerleşim ve Altlık. İlki, D2D tabanlı V2V kullanıcıları için özel spektrum kaynaklarını tahsis eder. Altlık modunda, D2D tabanlı V2V kullanıcıları hücresel kullanıcıların spektrum kaynaklarını yeniden kullanacak ve Altlık modunu benimseyecektir. Spektral verimliliği büyük ölçüde artırabilir.
Underlay modunda, D2D tabanlı V2V kullanıcıları ve hücresel kullanıcılar aynı spektrum kaynaklarını kullanır ve ciddi ortak kanal paraziti olacaktır. Son yıllarda bazı araştırmacılar ilgili araştırmalar yaptılar Literatür, D2D tabanlı V2V kullanıcılarının sürekli parazit iptalini gerçekleştiren, ancak QoS gereksinimlerini dikkate almayan, hücresel kullanıcı müdahalesini dikkate alan bir güç tahsis algoritması önermektedir. Literatür, kullanıcının QoS gereksinimlerini göz önünde bulundurur ve maksimize etme amacıyla bir güç tahsis algoritması önerir, ancak yalnızca tek bir hücresel kullanıcı ve tek bir çift D2D tabanlı V2V kullanıcısını dikkate alır. Literatür, birden fazla D2D tabanlı V2V çiftinin aynı frekans bandı kaynaklarını paylaştığı senaryoyu inceler ve sistem verimini en üst düzeye çıkarma hedefine ulaşan ancak hücresel kullanıcıların varlığını dikkate almayan D2D tabanlı V2V kullanıcı QoS garantisine dayalı bir kaynak tahsis yöntemi önerir.
Aslında, bir hücrede çok sayıda hücresel kullanıcı ve D2D tabanlı V2V kullanıcısı vardır. Bu makale, birden çok hücresel kullanıcı ve birden çok D2D tabanlı V2V kullanıcısı çifti için bir güç dağıtım şeması önerir. Şema, hücresel kullanıcıların ve D2D tabanlı V2V kullanıcılarının iletişim gereksinimlerini dikkate alır ve kullanıcının gecikme ve QoS gereksinimlerini karşılamak için etkili bir kapasite modeli kullanır. , Optimizasyon probleminin optimal çözümü Lagrangian yöntemi ile elde edilmiştir. Sayısal simülasyon, diğer şemalarla karşılaştırıldığında, bu makalede önerilen şemanın sistemin etkin kapasitesini geliştirebileceğini göstermektedir.
1 Sistem modeli
Baz istasyonu, M hücresel kullanıcılar ve N D2D tabanlı V2V kullanıcıları dahil OFDMA tabanlı bir hücresel hücre düşünün. Kanal, K ortogonal alt kanalına bölünmüştür ve her alt kanalın bant genişliği B'dir. Hücresel kullanıcılar hücreye rastgele dağıtılır. K = {1,2, ..., K} mevcut tüm alt kanallar kümesini, C = {1,2, ..., M}, V = {1,2, ..., N} hücresel kullanıcılar kümesini ve D2D tabanlı V2V kullanıcılarından oluşan bir koleksiyon. MK, NM.
Araç şehir ortamında seyahat ediyor ve sistem modeli Şekil 1'de gösteriliyor. D2D tabanlı V2V kullanıcıları, hücresel kullanıcıların yer-uydu hattı kaynaklarını çoğullar ve tüm D2D tabanlı V2V kullanıcıları Underlay modunda iletişim kurar. Baz istasyonunun tüm CSI'yı alabileceğini varsayın.
Şekil 2, D2D tabanlı V2V kullanıcıları hücresel kullanıcı yukarı bağlantı kaynaklarını yeniden kullandığında parazit modelini göstermektedir. Şekilde gösterildiği gibi, sistemdeki parazit temelde D2D tabanlı V2V kullanıcılarının vericisinden baz istasyonuna paraziti, hücresel kullanıcılardan D2D tabanlı V2V alıcısına paraziti ve aynı hücresel kullanıcı kaynaklarını yeniden kullanan diğer D2D tabanlı V2V kullanıcılarından gelen paraziti içerir.
Zaman dilimi uzunluğunun T olduğu varsayıldığında, bir zaman aralığında T, n'inci D2D tabanlı V2V iletişim kullanıcısının maksimum hizmet oranı:
2 Problem modelleme
2.1 Etkili kapasite modeli
Fiziksel katmanın kanal durumu bilgisi tek başına uygulama katmanının QoS gereksinimlerini karşılayamaz. Bu bağlamda, WUD ve NEGI R, etkili bant genişliği teorisi temelinde etkili kapasite teorisi önerdi. N'inci D2D tabanlı V2V kullanıcısının etkin kapasite ifadesi aşağıdaki gibidir:
2.2 QoS geciktirme garantisi
Araç içi iletişim hizmetleri için zaman gecikmesi en kritik QoS parametresidir. Büyük sapmalar teorisine göre, sıranın uzunluğu sabit durumdaki bir kaptana yakınlaşabilir:
2.3 Optimizasyon sorunu
Bu makalenin amacı, araç içi iletişimin düşük gecikmeli QoS gereksinimlerine dayalı olarak sistemin etkin kapasitesini en üst düzeye çıkarmak için optimum güç dağıtım şemasını çözmektir. Karşılık gelen optimizasyon problemi şu şekilde ifade edilebilir:
3 Gecikme QoS garantisine dayalı güç tahsisi
3.1 Lagrange yöntemi
Formül (12) Slater kriterini karşıladığından, güçlü dualite geçerlidir. Denklem (12) 'nin Lagrangian fonksiyonu ifadesinin bir kısmı aşağıdaki gibidir:
3.2 Optimum ikili değişkeni bulun
İkili değişkenlerin optimal çözümü, alt gradyan yöntemi ile çözülebilir:
4 Simülasyon analizi
Bu makale, tüm araçların D2D tabanlı V2V aracılığıyla iletişim kurduğunu ve tüm araçların aynı gecikme QoS gereksinimlerine sahip olduğunu varsayar. Analiz kolaylığı için, D2D tabanlı bir V2V kullanıcısının yalnızca bir hücresel kullanıcının kaynaklarını yeniden kullandığını varsayalım. Simülasyon parametreleri, Tablo 1'de gösterildiği gibi 3GPP standardı tarafından belirtilen LTE-OFDMA sisteminin parametrelerine göre ayarlanır.
İlk önce algoritmanın yakınsamasını doğrulayın. Şekil 3'ten, yineleme sayısı arttıkça, alt problem Subn'nin yakınsadığı görülebilir.
Performansı karşılaştırmak için, karşılaştırma için üç şema seçilmiştir: belge toplam oranı şeması, belge rastgele güç tahsis şeması ve belge sabit güç tahsis şeması.
Şekil 4, QoS parametresinin sistemin etkin kapasitesi üzerindeki etkisini incelemektedir. Büyüdükçe sistemin etkin kapasitesinin ile tekdüze olarak azaldığı şekilden görülebilmektedir. Önerilen Lagrangian ikili kaynak tahsisi yönteminin daha iyi performansa sahip olduğu görülebilmektedir Maksimum oran şeması ile karşılaştırıldığında, önerilen programın performansı 10- 10-3 ve 10-2'de sırasıyla% 14 ve% 108 artırılmıştır.
Şekil 5, sistemin etkin kapasitesinin, karışan D2D tabanlı V2V kullanıcılarının iletim gücünden etkilendiği durumu göstermektedir. Müdahale eden kullanıcıların iletim gücü kademeli olarak arttıkça, sistemin etkin kapasitesi monoton bir düşüş eğilimi gösterir, bu da sistem performansını iyileştirmek için girişim kontrolünün gerekli olduğunu gösterir.
Şekil 6, D2D tabanlı V2V kullanıcıları ile hücresel kullanıcılar arasındaki L mesafesinin etkin kapasite üzerindeki etkisini göstermektedir. D, araç kullanıcısının başlangıç ucundan alıcı ucuna olan mesafedir. Şekil 6'dan, L'nin değeri çok küçük olduğunda, şekilde gösterildiği gibi, L = 50, bu zamanda üretilen girişim değerinin nispeten büyük olduğu ve sistemin sıfır değerine yakın etkin kapasitesiyle sonuçlandığı görülebilmektedir. L değeri arttıkça, sistem performansı önemli ölçüde geliştirilir. Ek olarak, D2D tabanlı V2V kullanıcısının başlangıç ucundan alıcı ucuna olan mesafe arttıkça etkin kapasitenin azaldığı görülebilir.
5. Sonuç
Bu makale, OFDMA hücrelerine dayalı V2V iletişimini inceler ve bu senaryoda V2V iletişimini desteklemek için D2D teknolojisini kullanır. Etkili kapasite modeli, kullanıcının gecikme QoS gereksinimlerini karşılamak için benimsenmiştir ve sırasıyla hücresel kullanıcıların ve araç kullanıcılarının iletişim gereksinimlerini sağlamak için etkili bir güç tahsis algoritması önerilmiştir. Bu yazıda, orijinal problem Lagrangian dualite yöntemine göre dönüştürülmüş ve optimizasyon fonksiyonunun optimal değeri nihayet ikili problem çözülerek elde edilmiştir. Sayısal simülasyon, diğer şemalarla karşılaştırıldığında, bu makalede önerilen şemanın sistemin etkin kapasitesini geliştirebileceğini göstermektedir.
Referanslar
VINEL A. 3GPP LTE'ye karşı IEEE 802.11p / WAVE: hangi teknoloji ortak araç güvenliği uygulamalarını destekleyebilir IEEE Kablosuz İletişim Mektupları, 2012, 1 (2): 125-128.
Wang Wei, LAU V K N. Gelecekteki hücresel sistemlerde cihazdan cihaza iletişim için gecikmeye duyarlı çapraz katman tasarımı. IEEE Communications Magazine, 2014, 52 (6): 133-139.
Li Jiandong, Huang Sheng. Ardışık parazit iptali ve Hibrit enerji kaynağı ile D2D iletişimi için gecikmeye duyarlı güç kontrolü. IEEE Wireless Communications Letters, 2017, 6 (6): 806-809.
Song Hojin, RYU J Y, CHOI W, ve diğerleri Hücresel sistemlerde Cihazdan Cihaza iletişim için ortak güç ve hız kontrolü. Kablosuz İletişimde IEEE İşlemleri, 2015, 14 (10): 5750-5762.
Cheng Wenchi, Zhang Xi, Zhang Hailin. Kablosuz ağların altında yatan D2D ve hücresel iletişim için istatistiksel QoS provizyonu ile optimum güç tahsisi. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016, 34 (1): 151-162.
Mi Xiang, Xiao Limin, Zhao Ming ve diğerleri.D2D iletişimleri için istatistiksel QoS güdümlü güç kontrolü ve kaynak uyarlaması. IEEE Askeri İletişim Konferansı (MLCOM). Baltimore, MD, ABD: IEEE Press, 2016: 307-312.
WUD, NEGI R.Etkili kapasite: hizmet kalitesini desteklemek için bir kablosuz bağlantı modeli Kablosuz İletişim IEEE İşlemleri, 2003, 2 (4): 630-643.
Chang Chengshang. Belirleyici ve stokastik kuyruk ağlarının kararlılığı, sıra uzunluğu ve gecikmesi Otomatik Kontrolde IEEE İşlemleri, 1994, 39 (5): 913-931.
BOYD S, VANDENBERGHE L. Konveks optimizasyonu.Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2004.
Zhang Rui, Cui Shuguang, Liang Yingchang. Bilişsel çoklu erişim ve yayın kanallarının kaybolmasının ergodik toplam kapasitesi üzerine Bilgi Teorisi IEEE İşlemleri, 2009, 55 (11): 5161-5178.
3GPP TR 25.814V7.1.0, Gelişmiş UTRA.2006 için fiziksel katman özellikleri.
ABRARDO A, MORETTI M. OFDMA hücresel ağların altında / üst üste binen D2D iletişimleri için dağıtılmış güç tahsisi Kablosuz İletişimde IEEE İşlemleri, 2017, 16 (3): 1466-1479.
LEE H W, MODIANO E, LE L B. Rastgele güç tahsisi yoluyla kablosuz ağlarda dağıtılmış verim maksimizasyonu Mobil Hesaplamada IEEE İşlemleri, 2012, 11 (4): 577-590.
BASH B A, GOECKEL D, TOWSLEY D. WSS rasgele süreçlerinin doğrusal tahmini için eşit güç tahsisinin asimtotik optimalliği IEEE Wireless Communications Letters, 2013, 2 (3): 247-250.
yazar bilgileri:
Li Guorui 1, Zhou Di 1, 2, Xiao Hailin 1
(1. Bilgi ve İletişim Okulu, Guilin Elektronik Teknolojisi Üniversitesi, Guilin, Guangxi 541004; 2. Zhejiang Yushi Technology Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310051)
