《学术研讨会》PPT课件.ppt

实现快速、可靠的数据传输,1,针对车辆自组织网络（VANETs）的差分连续中继策略,报告人：任超(),导师：陈健教授,研讨会报告,1,VANETs中，通信链路的特点：高移动性情况下，直传链路不稳定数据速率和检测的可靠性受高移动性影响：高多普勒频移带来的快衰落信道快速的拓扑变化、相对较短的通信“接触”时间,2,背 景,2 Wang,T.,Song,L.,Han,Z.:Coalitional graph games for popular content distribution in cognitive radio VANETs,IEEE Trans.Veh.Technol.,2013,62,(8),pp.4010 4019,2,|现有研究相关工作,一、针对直传链路的不稳定，可用措施有方案一：建设全功能的路边基站（RSU）缺点：高成本，尤其是 交通状况变化大 和 通信节点稀疏（高速公路）的情况。方案二：使用低成本的中继设备以V2R或V2V方式，两跳协作通信，从而中转信息到目标设备缺点：半双工中继，传输有效性损失,3,背 景,4,|现有研究相关工作,一、针对直传链路的不稳定，可用措施有方案一：建设全功能的路边基站（RSU）缺点：高成本，尤其是 交通状况变化大 和 通信节点稀疏（高速公路）的情况。方案二：使用低成本的中继设备以V2R或V2V方式，两跳协作通信，从而中转信息到目标设备缺点：半双工中继，传输有效性损失,背 景,信息：美国高速公路总长75440km，基站间距按500m计算，则需要约15万个基站！,本文采用,针对半双工中继性能损失，在VANET中有使用双极化天线的全双工通信技术缺点：使用特殊的天线，作用于现有VANET硬件，兼容性、实施便利性不佳,5,|现有研究相关工作,背 景,6,|现有研究相关工作,背 景,二、针对快衰落信道的完美CSI不易获取设计复杂的信道估计器减小估计误差，如SS（Subspace Selection）技术在信号检测端提升检测精度，如SAGE（Space Alternating Generalised Expectation）技术,二、针对快衰落信道的完美CSI不易获取设计复杂的信道估计器减小估计误差，如SS（Subspace Selection）技术在信号检测端提升检测精度，如SAGE（Space Alternating Generalised Expectation）技术,7,|现有研究相关工作,背 景,缺点：1、快衰落加剧时，较高的复杂度 2、未考虑两跳的中继链路情形（如：第一跳链路CSI估计困难、导频中继后传输对CSI估计误差有额外影响等）,三、高移动性带来的快速拓扑变化研究表明，快速拓扑变化导致VANET中链路建立的平均时长仅为32秒,8,|现有研究相关工作,背 景,16,16 Rostamzadeh,K.,Gopalakrishnan,S.:Analysis of message dissemination in vehicular networks,IEEE Trans.Veh.Technol.,2013,62,(8),pp.39743982,基于上述背景，高移动性的VANET比固定或慢变拓扑的网络更需要快速、可靠的数据传输技术。即：考虑到上述背景和相关研究，VANET需要全双工的中继传输技术需要端到端传输中，避免复杂CSI估计，可能的话，信号检测最好不依赖于精确的CSI,9,研究的必要性,1、建立低复杂度的连续中继链路，拥有相对不稳定的直传链路更高的可靠性2、使用半双工中继，实现快速、连续的全双工数据传输3、设计了盲自干扰消除算法，消除了“全双工”的射频链路的自干扰4、使用叠加编码+差分解调实现不依赖于CSI的信号解调，提高快衰落信道下解调的可靠性,10,研究的创新点,|设计差分连续中继策略（DSR）,11,|实际系统模型,系统模型,主要包括三大块a)基本通信节点实现“虚拟”全双工高速传输b)差分、叠加编码信号产生c)信息符号判决实现不依赖与实时、准确CSI的信号解调,12,|抽象系统模型,系统模型,盲中继间干扰消除,判决门限求取、性能计算,该模型也被称为连续中继SR（Successive Relaying），是一种模拟全双工通信方式。然而，关于SR的现有研究中，IRI消除需要中继间链路的实时CSI；这在快衰落的VANET中是困难的。,13,|抽象为1-2-1节点通信模型,系统模型,SR首次出现在2004年Giannkis的一篇ICASSP会议文章中，定名于2007年H.Vincent Poor的TWC。,要使用SR提升速率，首先要IRI消除,14,盲IRI消除技术,|设计不依赖CSI的技术，消除IRI,基于2013年JSAC文献21所刊载的技术“如果A对B的干扰信号，是A自身已知的信号（KI，Known Interference）经历未知信道，那么可以通过信号平滑来消除这种干扰”，从而摆脱KI干扰消除对CSI的依赖。,21 Zhang,S.,Liew,S.-C.,Wang,H.:Blind known interference cancellation,IEEE J.Sel.Areas Commun.,2013,31,(8),pp.1572 1582,15,盲IRI消除技术,|设计不依赖CSI的技术，消除IRI,基于2013年JSAC文献21所刊载的技术“如果A对B的干扰信号，是A自身已知的信号（KI，Known Interference）经历未知信道，那么可以通过信号平滑来消除这种干扰”，从而摆脱KI消除对CSI的依赖。,然而D收到信号最终形式为：,IRI对D而言，不是KI形式。,21 Zhang,S.,Liew,S.-C.,Wang,H.:Blind known interference cancellation,IEEE J.Sel.Areas Commun.,2013,31,(8),pp.1572 1582,16,Step.1)KI（已知干扰）构建Step.2)中间变量构建Step.3)平滑Step.4)DSN（目标信号）恢复,盲IRI消除技术,|设计不依赖CSI的技术，消除IRI,因此我们设计的盲干扰消除步骤如下：,参考SR中著名的全干扰消除FIC（Full Interference Cancellation）算法，转化IRI。在 中代入n=n-1和i=j。有IRI的变形：,17,盲IRI消除技术,|Step.1)KI（已知干扰）构建,最终得到DSN+KI形式：则我们可以很方便的根据21提供的盲干扰消除策略，通过平滑消除KI干扰。,18,盲IRI消除技术,|Step.1)KI（已知干扰）构建,未知信道,自身已知信号,Step.2)中间变量t(n)、u(n)构建Step.3)平滑Step.4)DSN（目标信号）恢复,19,盲IRI消除技术,|Step.2)-4),21,平滑之后得到的一个DSN为：其中所有奇数DSN为偶数DSN，同理，由DSN4可以得到。,20,残留干扰,盲IRI消除技术,|DSN恢复,根据文献21，残留干扰IA和IB的方差为：因此当平滑滤波器长度M足够大时，残留干扰功率趋于无穷小。,21,盲IRI消除技术,|残留干扰分析,复杂度：2+2M*3+2+(2M-2)*3+M*4+(M-1)*6=22M-8=O(M)该算法为线性复杂度,22,盲IRI消除技术,|BIRIC算法和复杂度,发射机框图（用延时器或缓存实现叠加编码）功能：差分调制，得到xk叠加编码，,23,信号产生与解调,|DSR信号产生,根据相关编码理论，二进制数据bn可以从差分调制信号 相邻叠加后的信号 的幅值解出。那么，接收机框图为：,24,信号产生与解调,|DSR信号检测,20 Ziemer,R.E.,Tranter,W.H.:Principles of communications(John Wiley&Sons,7th edn.2014),20,确定判决门限,首先，将盲干扰消除后的DSN化简为：其中，然后，以BPSK调制为例，确定假设：得到对数似然比LLR：,25,信号产生与解调,|判决门限的确定,将LLR与0进行对比，并根据文献25进行模值近似后，可得：可见，判决门限仅与接收信号的幅值和积累噪声的二阶统计值有关。达到了“解调过程不需要精确、实时CSI”的目标。,26,信号产生与解调,|判决门限的确定,25 Young,G.K.,Sang,W.K.:Optimum selection diversity for BPSK signals in Rayleigh fading channels,IEEE Trans.Commun.,2001,49,(10),pp.1715-1718,本文给出了以QPSK为例，将解调方法向高阶调制扩展的方法，在此不展开讲述。QPSK需要3个判决门限以区分4个符号。其中，有一种情况需要先进行星座图旋转，再判决。,27,信号产生与解调,|向高阶调制扩展,判决规则当 时,28,信号产生与解调,|向高阶调制扩展,文中理论推导出可达传输速率的上界为：可见，若假设Ck相同，当帧长度L足够大时，对数前因子趋近于1；而对于半双工中继，该因子仅为1/2。获得了成倍速率提升。,29,讨论和仿真,|传输速率,仿真结果,30,无论是否带直传链路（S-D）DSR的速率都是：1.传统半双工AF中继（ANF）的2倍左右；2.而且十分接近极化全双工中继技术的速率。,讨论和仿真,|传输速率,BPSK调制情况下，我们推导出来的误比特概率为：,31,讨论和仿真,|鲁棒性（BEP）,仿真结果,32,使用现有的SAGE，有一定的误码平层现象；DSR不会出现误码平层在低SNR时，DSR的误码性能不如SAGE（差分调制固有劣势）；在高SNR时，DSR误码性能反超SAGE（多普勒频移带来的CSI误差不影响DSR解调性能）,讨论和仿真,|鲁棒性（仿真）,仿真结果,33,随着车辆移动速度的增加，SS的BER上升；DSR的BER基本不随车辆速度改变。,讨论和仿真,|鲁棒性（仿真）,在高速车辆移动中，快衰落信道和“接触”时间共同决定了正确的数据传输量。我们基于西电校园模型，进行了SUMO仿真（中继覆盖范围设定为500m）。,34,讨论和仿真,|数据传递量,统计“接触”时间接触时间内数据正确下载量,35,对比使用SS技术的传统ANF技术，我们的DSR技术可以传输2倍以上的数据。而且车速越快，优势越明显。,讨论和仿真,|数据传递量,在直路上，受限于最小覆盖的中继半径在拐角处，最大覆盖，取决于R2的覆盖当R1覆盖较小（Coverage I），总覆盖当R2覆盖较大（Coverage II），总覆盖可达到,36,讨论和仿真,|DSR覆盖范围,一、信号处理复杂度盲干扰消除具有线性复杂度，O(M)。二、Overhead1.两个中继交替传输，带来更多信令overhead，如切换、同步、中继选择等；2.控制overhead加倍，因为有两个中继参与传输。但是overhead的增加是可以接受的：平均每个中继overhead并未大幅增加；减少了CSI获取过程的overhead。,37,讨论和仿真,|DSR现实应用的复杂度,三、对现有VANET设备的兼容性兼容性：现有DSRC（Dedicated Short-Range Communications）协议使用的调制方式如BPSK、QPSK，DSR均支持；求出来的信道容量可以支持DSRC传输可以扩展DSRC的通信距离不兼容性：加装额外缓存模块、接收机需要特定判决规则、MAC层一些行为如CSMA、信令需要调正以适应两个中继交替传输的情况,38,讨论和仿真,|DSR现实应用的复杂度,谢谢各位老师、同学！,39,报告人：任超(),