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1、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 Chao Ren, Jian Chen, Yonghong Kuo and Long Yang, Differentia l successive relaying scheme for fast and reliable data delivery in vehicular ad hoc networks, IET Communications, Doi: 10.1049/iet-com.2014.0830,1,VANETs中，通信链路的特点 ： 高移动性
2、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
3、：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！
4、,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
5、）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 disseminati
6、on 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
7、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
8、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 know
9、n 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
10、 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,
11、| 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
12、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.: Prin
13、ciples 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
14、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
15、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,|
16、 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
17、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、Overhead 1. 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 (),