面向隐藏节点干扰下V2V广播覆盖增强的联合中继分配与功率优化

《Physical Communication》：Joint relay assignment and power optimization for coverage enhancement in V2V broadcasting under hidden-node interference

　　

摘要 由于非视距（NLOS）遮挡和垂直街道布局的影响，密集的城市交叉路口尤其容易受到隐藏节点干扰。因此，复用同一通信资源的车辆可能面临高度异质的接收条件，从而导致覆盖范围下降，并在同时发送的发射机之间造成通信性能失衡。尽管中继辅助传输有助于克服交叉口遮挡，但不恰当的中继选择可能无法补偿由干扰引起的覆盖缺口，从而大幅限制其效益。本文研究了城市车对车（V2V）网络中中继辅助的安全消息分发，并在实际的功率和服务质量约束下，提出了联合中继分配与功率优化问题。我们构建了一个集中式优化框架作为性能基准，并提出了一种低复杂度的分布式中继选择方案，该方案仅需本地的信干噪比（SINR）测量和位置信息，即可用于实际部署。仿真结果表明，集中式框架能够实现高达94%的覆盖率，与不带中继和功率优化的基线相比，最低发射机总速率提升了高达32%。该分布式方案的运行性能距离集中式基准不超过7%，同时计算复杂度显著更低。这些结果证明了在具有挑战性的城市交叉口环境中，感知干扰的中继分配与功率控制对于可靠V2V通信的有效性。

引言 车对车（V2V）通信是智能交通系统（ITS）的关键组成部分，支持诸如信息娱乐、自动驾驶和关键道路安全服务的应用[1]、[2]、[3]。其中，周期性广播承载车辆位置、速度等关键信息的安全消息，对于提升交通安全和防止事故至关重要[4]、[5]、[6]。这类广播的可靠性在道路交叉口尤为关键，因为交叉口往往是事故高发之处。

对于与安全相关的应用，通常要求位于交叉口安全相关范围内的车辆能够可靠地交换安全消息。然而，在城市交叉口环境中，严重的遮挡和非视距（NLOS）传播条件显著限制了相交街道上的有效通信距离[5]、[7]。因此，该区域内有相当一部分车辆可能无法通过V2V链路接收到安全消息。

除了覆盖限制之外，严重的遮挡还会引发隐藏节点效应：位于垂直街道上的车辆可能彼此互相"不可见"，因而复用相同的时频资源块。这一现象在自主资源分配模式下自然出现，在此模式下车辆以分布式方式选择发送资源，而无需显式协调，使得隐藏节点干扰几乎不可避免[2]、[8]。因此，位于不同空间区域的接收机在同一资源块中会经历异质的解码结果：部分接收机能成功解调单个发射机的消息，而其他接收机则被干扰主导，无法解调任何信号。因此，距离交叉口中心较近的发射机，其信号在接收端较少受到或较少产生显著干扰，因此能被更大的接收机集合解码；相比之下，较远的发射机更容易受到隐藏节点干扰的影响。这种发射机层面的公平性失衡对于安全相关的广播尤为不利，因为在安全相关广播中，跨车辆公正且可靠的信息传递至关重要。

中继辅助传输一直被视为克服交叉口遮挡并扩展通信覆盖范围的有前景的方法。在此范式下，成功解码安全消息的车辆可以将其转发给位于阴影区域的接收机。尽管存在这些潜在收益，但在多辆车辆并发发送的场景中，不当的中继分配与功率控制可能无法有效补偿由干扰引起的覆盖缺口，甚至可能放大而非缓解公平性差异。例如，若为某两个发射机分配地理上靠近另一发射机的中继，可能导致这些中继无法可靠地解码目标安全消息，从而损害其向阴影接收机转发消息的能力。因此，城市交叉口的中继辅助广播从根本上比传统中继选择问题更具挑战性。与点对点通信不同，多个发射机同时竞争中继资源，同时经历由交叉口几何结构决定的异质隐藏节点干扰。中继分配与发送功率因此高度相互依赖，因为提升一个发射机的通信性能可能对其余发射机产生不利影响。因此，开发一种能够综合考虑这些交互作用、提升发射机之间公平性、并且在实时部署中保持计算效率的感知干扰的中继辅助框架，构成了本文所解决的主要技术挑战。

为提升垂直街道的覆盖，通过部署于交叉口中心的路侧单元（RSU）进行中继是一种有效方案。例如，[9]和[10]证明，基于RSU的中继提高了数据包接收概率并降低了中断概率。类似地，[11]将RSU视为解码转发中继，研究了窃听者存在下的保密性能。然而，在每个城市交叉口部署RSU会带来巨大的成本[12]，促使人们探索其他更具成本效益的解决方案。

其中一种替代方案是车辆辅助中继，即由空闲车辆将蜂窝基站的数据转发给覆盖区域外的车辆。若干研究通过提出中继选择策略来改善系统性能指标（如吞吐量、覆盖率和效用），探索了该概念[13]、[14]、[15]。例如，[13]将集群头车辆选为中继，在密集交通条件下实现了高达23%的吞吐量增益；[14]采用启发式中继选择方法，选择范围内最远的车辆。最近，[15]将模拟退火（SA）应用于在大型非凸解空间中逼近最优中继分配，凸显了基于优化的中继选择在大规模车联网中的潜在优势。

在乡村场景中，[16]使用层次分析法（AHP）根据服务质量（QoS）选择集群头中继；[17]采用基于拍卖的机制结合功率分配，用于频谱共享环境下的V2V内容分发。虽然这些方法在低密度场景下有效，但它们无法推广到复杂的城市交叉口。

鉴于将面向高速公路和乡村场景的车联网研究成果直接应用于城市交叉口的局限性——在这些场景中，车辆密度、遮挡模式和干扰结构差异显著——若干工作针对城市场景提出了车辆辅助中继[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。

在[18]中，相邻车辆根据一种基于启发式的、感知交通的度量标准，中继毫米波V2V消息，并利用AHP优先级排序与联盟博弈理论形成中继候选。类似地，[19]提出了内容分发的两阶段中继选择框架，其中车辆首先根据发送能力度量进行筛选，随后在密封第一价格拍卖中进行竞价。虽然这些方法改进了中继利用率，但它们依赖于启发式规则，并未对中继分配进行优化。

除启发式中继选择方案外，城市交叉口的协作与中继型V2V通信也进行了分析研究。例如，[20]和[21]在真实衰落与干扰条件下分析了道路交叉口协作传输的中断性能与可靠性。这些工作为干扰受限的V2V链路提供了宝贵的见解，但主要关注性能分析和信道建模，未考虑优化的中继分配、功率控制或多个同时发送车辆之间的公平性。

在[22]中，提出了用于道路交叉口环境安全消息分发的车辆辅助中继方案。在该研究中，车辆自主判断其是否最接近交叉口中心，并承担中继角色，在干扰最低的子信道上进行转发。仿真结果表明，与无中继方案相比，数据包投递率有所提升。

依赖单一中继（无论基于RSU还是基于车辆）的传统策略，扩展了阴影区域车辆的覆盖范围并维持连接性[9]、[10]、[22]。然而，此类设置会受到干扰影响，该干扰由其他车辆的并发传输引起，会削弱V2V通信性能[9]、[23]。在城市车联网中，由于多辆车辆同时发送，隐藏终端碰撞十分常见。因此，仅依赖单一中继往往只能惠及一个发射机，而忽略了其他发射机。这凸显了对其他解决方案（如为每个发射机配对一个中继）进行研究的需求，这一点在更一般的移动无线网络研究中也已探讨[24]。

此外，发送功率显著影响干扰水平和中继效率。若干研究将功率分配与子载波或时隙分配联合考虑，旨在最大化V2V总速率或提高数据包接收比[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。这些工作表明，功率控制在缓解干扰方面发挥着关键作用；然而，它们主要关注链路级性能优化或高速公路场景，并未明确解决城市交叉口的中继分配或公平性问题。

此外，许多基于优化的资源分配框架依赖于完美或全局信道状态信息（CSI）的可用性，以支持集中式决策[26]、[27]。一些近期的中继辅助研究也在不完全CSI条件下进行了探索，以提升实际可行性，尤其在安全或频谱共享场景中[11]。尽管如此，这些研究通常聚焦于链路级或认知无线电情境，而非密集城市交叉口强干扰下由公平性驱动的中继分配。

尽管中继辅助和功率感知的车联网通信方案已取得进展，仍存在关键局限。大多数现有工作假设使用静态RSU中继或仅选择单一车辆作为中继，这在具有多个同时发射机的密集城市交叉口中难以扩展。此外，中继分配的公平性，特别是在强干扰和功率约束下，鲜有涉及。此外，理论最优性（通常需要全局CSI）与分布式V2X环境中实际可行性之间的固有取舍，在很大程度上仍未被探索。这些局限性促使需要中继辅助的V2V通信策略，以同时考虑干扰、公平性和计算效率。

据我们所知，现有的城市交叉口中继辅助V2V研究要么侧重于使用单中继启发式方法进行覆盖增强，要么在不对中继分配与发送功率进行联合优化的情况下分析中断性能。更重要的是，它们未明确处理由拓扑诱导的隐藏节点不对称性所导致的发射机层面公平性，也未纳入针对此类条件量身定制的中继分配优化——在此条件下，垂直街道几何结构会造成异质解码区域，并在并发发射机之间产生强烈的相互干扰。在这种情况下，中继分配决策直接影响公平性分布，而不仅仅是扩展覆盖。这种公平性与干扰之间的结构化交互，尚未在实际车联网功率与QoS约束下被系统优化，这正是我们所提出框架的动机所在。

城市交叉口造成的公平性与干扰挑战无法由现有的单中继或仅功率策略加以解决。应对这些挑战需要联合优化中继分配与功率分配，从而形成结构化的混合整数非凸问题。仅在中继索引上进行经典随机搜索无法解决这一挑战，因为中继选择与功率自适应必须联合协调，以平衡受干扰限制的发射机。为高效求解所提出的以公平性为导向的优化问题，我们采用成熟的BCD、SA和SCA技术，构建了一个计算高效、接近最优的基准。本文主要贡献总结如下：

• 我们为城市交叉口提出了一种以公平性为导向的中继辅助V2V广播框架，其中每个发射机都与从交叉口附近公共候选区域中选出的中继进行最优配对。公平性通过跨发射机的最小可实现总速率明确量化，从而缓解由遮挡和隐藏节点干扰导致的拓扑诱导性能失衡。

• 我们在QoS与功率约束下，提出了一个联合中继分配与功率分配问题，以最大化发射机层面公平性。由于其混合整数与非凸性质，该问题被分解为离散的中继分配子问题与连续的功率分配子问题。利用成熟的SA、SCA和BCA技术，我们构建了一个计算高效的集中式基准，其性能接近穷举搜索（差距在6.8%以内），同时将执行时间缩短约75.8%。

• 基于集中式基准的结构性洞见，我们提出了一种低复杂度的分布式中继选择方案，该方案仅需本地信干噪比（SINR）测量和位置信息，无需全局CSI交换或迭代协调即可运行。所提出方法非常适合在高度动态的V2V环境中进行实时部署，与非中继基线相比可实现高达22%的公平性提升，同时与集中式基准差距在7%以内。

本文其余部分组织如下：第2节介绍系统模型与问题建模。第3节描述作为性能基准的集中式联合中继分配与功率优化框架。第4节介绍适用于实际部署的低复杂度分布式中继选择方案。

仿真结果在第5节中讨论，结论在第6节中给出。

章节摘录

系统模型与问题建模

我们研究在图1所示的四向城市交叉路口处的安全消息广播，该场景基于侧行（sidelink）车辆间（V2V）通信，运行于自主资源分配模式（即LTE-V2X中的4类模式，或等效于NR-V2X中的2类模式）[2]。为正式刻画通信场景，我们在交叉口中心定义了一个安全相关区域。该区域对应于以交叉口中心为圆心、半径为D的圆盘，代表广播的目标区域。

求解优化问题

为高效求解问题(8)，我们将其分解为两个子问题并采用块坐标下降（BCD）方法[37]：(i) 给定发射功率p，通过模拟退火（SA）[38]优化中继分配A；(ii) 给定A，通过逐次凸逼近（SCA）[39]求解p。此过程重复进行，直至目标函数收敛或达到迭代次数上限。

低复杂度分布式中继选择

我们提出了一种完全分布式的中继选择机制，称为最大功率与边缘中继（MPER），该机制仅依赖本地可观测信息运行，无需集中式协调、预定义中继区域或全局信道状态信息（CSI）交换。

所提MPER方案的设计灵感来源于集中式SOPRA基准方案中获得的定性结构观察。通过分析不同发射机位置和信道实现下的中继选择结果……

仿真结果

本节介绍用于评估所提方案性能的仿真参数和数值结果。为便于理解，在图示和结果讨论中，TX_i和R_i分别表示发射机i及其分配的中继车辆。评估重点包括各发射机达到的最小和速率以及覆盖范围内车辆的百分比。

结论

本文研究了面向公平性的中继辅助V2V通信框架，用于受阻塞和隐藏节点干扰影响的城市交叉路口。我们建立了一个联合中继分配与功率分配优化问题，以最大化各发射机之间的最小可达和速率，从而在实际功率和QoS约束下确保发射机级别的公平性。为解决问题的混合整数与非凸特性，我们提出了一种集中式的三步骤求解方案，结合模拟退火（SA）、……

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物实验对象。

CRediT作者贡献声明

Shadi Khosravi：原创草稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、形式化分析、概念构思、审稿与编辑。Foroogh S. Tabataba：审稿与编辑、验证、监督、项目管理、概念构思、方法论。Mohammad Javad Omidi：审稿与编辑、验证、监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Shadi Khosravi于2021年和2024年分别获得伊朗伊斯法罕理工大学（IUT）电气工程学士学位和硕士学位，目前在该校攻读电气工程博士学位，专业方向为电信系统。她当前的研究方向包括无线通信和车联网通信。

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