[发明专利]一种基于信道反转的C-V2X动态功率控制方法

权利要求书

1.一种基于信道反转的C-V2X动态功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)构建VUE复用CUE频谱资源的C-V2X系统通信模型：假设车辆在拥堵的城市环境中，CUE和VUE形成蜂窝小区的半径为R，小区中央位置含单个基站、M个CUE用集合用M′＝{1,2,3,...,M}表示、N个VUE用集合N′＝{1,2,3,...,N}表示，M≥N，采用OFDMA技术将小区内可被利用的频谱资源划分为M个正交子信道，假设第m个CUE被分配到第m个子信道，所以M′也表示子信道的集合，每个子信道可以被CUE和VUE所共享，CUE通过基站来进行通信，所有VUE在基站的控制下通过复用CUE的上行链路资源通信，CUE和VUE的分布遵循泊松点过程，密度分别记为λ_c和λ_v，假设所有的信道服从瑞利衰落，基站实时获取全部信道CSI，第m个CUE相应的传输速率要求不小于

2)计算第m个CUE和复用相应信道的第n个VUE的信干噪比SINR：第m个CUE和复用相应信道的第n个VUE的信干噪比SINR如公式(1)、公式(2)所示：

其中，P_m表示CUE的发射功率，P_n表示VUE的发射功率，x_m,e,x_n,e分别表示第m个CUE和第n个VUE发送端到基站的距离，h_m,e、h_n,e分别表示第m个CUE和第n个VUE发送端到基站的信道增益，α表示路径损耗指数，N₀表示子信道m上的高斯白噪声功率，x_n,n表示第n个VUE对发送端到接收端的距离，x_m,n、x_n',n分别表示第m个CUE和第n'个VUE发送端到第n个VUE接收端的距离，h_n,n表示第n个VUE对发送端到接收端的信道增益，h_m,n和h_n',n分别表示第m个CUE和第n'个VUE发送端到第n个VUE接收端的信道增益；

3)计算CUE和VUE的中断概率：包括：

3-1)当CUE的通信质量QoS被满足时，相应中断概率可表示为如公式(3)所示：

其中，x_m,e相应的概率密度表达式为又B(P,Q)表示β函数，函数Γ(x)为Gamma函数，定义为采用相应拉普拉斯变换，取α＝4，并且忽略噪声N₀＝0的特殊情况，得CUE的中断概率如公式(4)所示：

3-2)当VUE的通信质量QoS被满足时，相应中断概率可表示为如公式(5)所示：

其中，x_n,n相应的概率密度表达式为通过相应拉普拉斯变换，取α＝4，并且忽略噪声N₀＝0的特殊情况，代入近似值得VUE的中断概率如公式(6)所示：

3-3)对VUE采用基于信道反转的功率控制，即其中η是信道反转功率控制系数，则VUE基于信道反转功率控制系数的中断概率可以表示为如公式(7)所示：

4)对VUE进行动态的功率控制：以VUE发送端为中心，在VUE发送端周围形成等强度边界及非截断区两个区域，有：

4-1)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的信号强度相等如公式(8)所示：

其中，x_min表示VUE发送端与最近的CUE间的距离，CUE假设在原点，P_vmax表示VUE最大允许发射功率；

4-2)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，此区域内对VUE进行基于信道反转的功率控制，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通信即：

其中，η₁是信道反转功率系数，η≥η₁；

4-3)上述两种区域分为A、B、C三种情况：

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更强的信号干扰下而进行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，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，通过改变VUE功率和距离最近的CUE功率来平衡这两个边界；

假设VUE最大允许发射功率P_vmax，并将CUE的发射功率定为固定的，以分析VUE发射功率的最坏情况，而等强度边界仅仅成为关于VUE与最近的CUE间的距离的函数，而VUE在非截断区域内的功率P_n是一个变量，当等强度边界和非截断区相等时，该变量会自行调整，当VUE与最近的CUE之间的距离很小时，VUE会降低其功率，从而减少与CUE间的相互干扰，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，基于上述分析，P_n又可表示为如公式(10)所示：

5)计算VUE的总中断概率：包括：

5-1)计算VUE的截断中断概率：若VUE到最近的CUE间的距离超过R_T，发生截断中断，则VUE的截断中断概率表示为如公式(11)所示：

5-2)计算VUE发射端和接收端复用CUE频谱资源时重叠区域的面积：VUE复用距离最近的CUE信道，进行V2V通信，等强度边界和非截断区重叠区域的半径为R_T，VUE接收端的区域半径为R_R，R_T＝R_R，重叠区域的面积可以表示为如公式(12)所示：

其中是以VUE发射端为原点到两个重叠区域交点夹角的x_n,n为VUE对间的距离；

5-3)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如公式(13)所示：

其中，可被确定复用的CUE在非截断区的概率x_n,n在R_T和2R_T范围内均匀分布；

6)确定CUE和VUE的最优功率：在满足所有CUE速率需求及在最大发射功率和最小SINR约束下，VUE总传输速率优化问题根据公式(14)求解：

对优化问题进行改写如公式(15)所示：

公式(15)是凹函数，但相应约束条件是凸条件，所以该优化问题是凸优化问题，在对小区内CUE和VUE进行动态功率控制的基础上，采用拉格朗日乘子法及二分法，确定CUE和VUE的最优功率，具体步骤为：

6-1)凸优化问题的拉格朗日函数为公式(16)所示：

其中，λ，ψ，ν，ω，μ为拉格朗日乘子，和分别定义为第m个CUE和第n个VUE的最优功率；

6-2)根据KKT条件，可以得到公式(17)、公式(18)、公式(19)、公式(20)、公式(21)和公式(22)：

λ^*，ψ^*，ν^*，ω^*，μ^*≥0 (22)，

其中，λ^*，ψ^*，ν^*，ω^*，μ^*是最优对偶解；

6-3)由公式(17)、公式(18)、公式(19)、公式(20)、公式(21)和公式(22)得出相应闭式表达式如公式(23)、公式(24)：

一般情况下P_m必大于0，可得ν^*＝0，若可得ψ^*＝0，综上可得λ^*的闭式表达式为公式(25)所示：

7)完成资源分配：采用二分法来获得相应符合条件的功率数值，将p_up、p_down设置为初始化CUE功率P_m的上限和下限，δ为二分法的精确度，具体过程如下：

7-1)输入p_up＝P_cmax，

7-2)设置

7-3)通过公式(23)、公式(24)得出相应的P_n、λ；

7-4)如果P_n＝P_vmax，则令λ＝0；

7-5)通过公式(25)可得λ₁；

7-6)情况1：如果λ₁＞λ，则令p_up＝P_m；

7-7)否则令p_down＝P_m；

7-8)判断p_up-p_down≥δ是否成立，若成立，则循环执行步骤7-2)-步骤7-8)，若不成立，执行步骤7-9)；

7-9)输出P_n、P_m。