无线与车辆结合：VCN中的有效MAC设计

# 无线与车辆结合：VCN 中的有效 MAC 设计 ## 1. D2D 通信模式与频谱效率 ### 1.1 不同 D2D 模式频谱效率对比 D2D 通信存在多种模式，如 D2D Underlay、D2D Only、D2D Overlay 和 Silent Mode 等。在不同的 D2D 收发器距离下，各模式的频谱效率表现不同。Silent 模式能提供稳定的数据速率，可支持对安全至关重要的低数据速率应用；而 D2D - Underlay 模式在所有 D2D 收发器距离下都能实现最佳的频谱效率。 ### 1.2 多 D2D 链路对频谱效率的影响 虽然 D2D - Underlay 模式在单 D2D 链路频谱效率方面具有优势，但多个 D2D 链路共存时会引入干扰，影响其优势发挥。研究在 D2D 链路范围为 20 m 的多 D2D 对场景下发现，即使所有信道都是 Weibull 衰落，车载网络的平均频谱效率（以及相应的活跃 D2D 对的百分比）也明显更高，这表明车载网络中车辆的空间分布对 D2D 链路间的干扰有显著影响，且车载网络的几何结构更有利于 D2D 部署。 随着 D2D 对数量的增加，频谱效率先上升后下降。在 D2D 密度较低时，干扰有限，平均频谱效率主要由 D2D 链路数量决定，随其增加而上升；超过一定点后，干扰占主导，平均频谱效率随 D2D 链路密度增加而下降。在 Weibull 信道中，虽然传播环境更具挑战性，单链路容量较小，但不同 D2D 链路间的干扰也较小，因此在干扰受限范围内，其平均频谱效率最高。 通过采用干扰控制机制，禁止距离小于 200 m 的 D2D 对共享同一资源块，结果显示平均频谱效率持续增加，活跃 D2D 对的百分比大致保持不变。在不同传播环境中，Rayleigh 衰落信道的性能提升最为显著，进一步验证了该干扰控制机制消除干扰的有效性。 ### 1.3 不同 CSI 对 D2D 车载通信的影响 现有的 D2D 通信资源分配方案大多基于全信道状态信息（CSI），但在高移动性的车载场景中，获取全 CSI 成本高且易过时。因此研究了全 CSI（包含实际信道衰落参数）和部分 CSI（仅包含路径损耗）对 D2D 车载通信的影响。 随着信息交换时间成本的增加，全 CSI 和部分 CSI 情况下系统的总速率均单调下降，且两条曲线非常接近，这表明当两者都过时时，全 CSI 并不比车辆位置信息更有用。由于移动场景中信道变化迅速，即使能获取全 CSI，实际获得的总速率仍会显著下降。 而在车载应用中，位置测量通常容易获得，可利用位置信息获取部分 CSI（即基于收发器距离的信道路径损耗）。此外，车辆运动具有可预测性，资源分配算法可利用预测的部分 CSI 进行资源分配，且实时位置信息和预测位置信息的性能几乎相同。因此，从实用性和有效性角度看，部分 CSI 比全 CSI 更适合车载网络。 ## 2. D2D 在 VCN 中的干扰管理与协议设计 ### 2.1 干扰图（IGs） 为了有效管理 D2D 车载网络中 V2X 通信资源共享带来的复杂干扰场景，提出了多种干扰图（IGs），包括干扰感知图（IAG）、干扰分类图（ICG）和无干扰图（IFG）。各干扰图的特点如下表所示： | 干扰图 | 干扰级别 | 干扰准确性 | 是否需要精确 CSI | 通信开销 | 频率选择性干扰 | 链路接入公平性关注 | 是否适用于 TDMA | 是否适用于 OFDMA | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | IFG | 2 | 低 | ✕ | 低 | ✕ | ✕ | ✕ | ✕ | | ICG | 4 | 中等 | ✕ | 低 | ✕ | ✕ | ✕ | ✕ | | IAG | 精确值 | 高 | 是 | 高 | ✕ | ✕ | ✕ | ✕ | IAG 基于完整的干扰信息构建，干扰建模精度最高，但需要完整的 CSI，导致通信开销大，不适用于实际车载网络；ICG 和 IFG 能为 D2D 车载网络提供可行且高效的干扰建模。 ### 2.2 IG - TDMA 协议