第3章
协作通信技术

3.1　引言

随着城市化进程的不断加快，交通拥堵早已成为一项亟待解决的社会问题。交通拥堵不但会加速全球变暖、带来环境污染、降低出行效率，而且可能对出行者的生命安全造成威胁。车载通信网络作为ITS的重要组成部分，它能够使道路交通的所有参与者（包括车辆、交通信号灯及路边基础设施等）执行信息交换，被认为是有效缓解交通拥堵的应用技术。然而，车载通信系统的设计与部署无论是在技术上还是在经济上都是一项非常具有挑战性的工作。例如，车载通信网络的有效通信直径偏小，许多通信链路在可以使用之前便断开了连接；由于建筑物、大型车辆或某些其他障碍物的遮挡，在自由空间通信范围内的车辆无法接收到其他车辆所发送的信息。协作通信技术因其利用无线电频率传输的广播性质，在愿意共享其资源的节点之间创建虚拟天线，大大增加了移动网络的有效传输范围、通信链路的可靠性及连通性。在蜂窝网络中，车辆和道路基础设施（V2I）之间的信息和通信对驾驶援助、浮动车辆数据、交通管理等方面起到相当大的作用[1,2]。将中继节点融入道路基础设施和车辆之间来协作通信[3,4]，已被用于车载网络扩大覆盖范围、使网络顺利连接、通过空间分集增强链路可靠性。

车载中继节点的转发方式很大程度上可对系统误码率带来巨大影响，基本的协议方式有两种。放大转发（AF）协议，即中继R对收到的信号不做其他处理，仅仅是简单地将其放大，然后再转发给目的车辆D；译码转发（DF）协议，即中继R先对收到的信号进行译码处理，然后再重新进行编码调制并转发给目的车辆D。一般情况下，只有当中继R可以正确译码第一个步骤中收到的源车辆S发来的信号时，才能在第二个步骤中向目的车辆D转发重新编码的信息；否则，中继节点应当保持静默，这种方式称为自适应译码转发（Adaptive Decode and Forward，ADF）。若无论中继R能否正确译码，在第二个步骤中均向目的车辆D转发该信息，则这种方式称为固定译码转发（Fixed Decode and Forward，FDF）。混合译码放大转发（HDAF）协议：将AF协作方式与DF协作方式相结合，在中继协作通信的第二个步骤中，中继R的协作方式取决于源-中继链路的信道质量，若信道质量较好，中继R能够对在第一个步骤中接收到的信息进行正确译码或是源-中继链路的信噪比大于一个给定的信噪比门限，则在中继R处采用DF协作方式来参与协作转发；否则，中继R将采用AF协作方式，即将接收到的信息进行简单的放大后再向目的车辆D转发。HDAF协作方式结合了AF协作方式与DF协作方式两者优势，无论信噪比如何都能得到很好的性能[5]。

除了考虑中继协议，由于移动终端有限的传输功率，功率分配对车载网络性能的提高起着重要的作用。由于车载单元（OBU）能够从车辆上可持续充电的电池中获能，因此绝大多数的V2V通信方案忽略了能效的重要性。事实上，ICT（Information and Communications Technology）对环境的直接影响通常比人们所意识到的要大得多[6,7]。全球ICT设备的碳足迹正在悄然增长，有害排放物曾经一度与全球航空业不相上下。由此，绿色ICT成为人们关注的新焦点，业界提出通过优化移动通信来减少网络中碳足迹的运营支出，最终实现节约能源并保护自然环境的目标。对于协作车载通信系统而言，构建绿色的通信理念也将成为一种趋[8,9]。

车载系统中引入协作通信技术、构建协作的多用户车载通信网络显得尤为重要。然而，协作车载通信系统的网络规模过于庞大且节点密度分布极度不均，驾驶员的社会行为及车辆的移动性会形成快速变化且难以管理的网络拓扑结构[10]。分簇算法是减少车载通信网络的路由开销和增强其网络拓扑健壮性的有效解决方案。它利用道路上交通流的流量、密度、速度及车道结构等信息来表征车辆的位置和行为，将车载系统划分为不同的车辆组子网，使得分层拓扑以分布式的方式在整个网络中形成[11]。