融合VLC和LTE/5G的新一代车联网中车-车通信技术研究

摘要

车联网（Internet of Vehicles，IoV）不仅能够辅助驾驶人员提前获取路况信息，还可以提供文件下载以及娱乐信息等服务，有效降低安全事故的发生率并提升用户驾驶体验。现有的车联网通信技术大多基于IEEE802.11p协议标准，随着移动通信技术的不断发展，人们尝试将LTE-D2D技术应用于V2V通信中，即LTE-V2V通信技术。相比于传统的车联网通信技术，LTE-V2V通信可以和蜂窝通信使用相同的频谱资源，且基站能够对通信链路进行控制，因此LTE-V2V通信可以提高频谱资源利用率，并且干扰可控，通信可靠性高，但这一技术会使得蜂窝通信和车车通信之间产生干扰，从而限制通信链路信道质量及系统吞吐量。 为了解决上述问题，本文引入基于可见光通信（Visible Light Communication，VLC）的辅助车车通信链路（即VLC-V2V），并提出一种融合LTE-D2D和VLC技术的V2V通信网络架构，借助合理的资源分配算法，降低车车通信和蜂窝通信之间的干扰，保证V2V通信的业务需求，提高系统吞吐量。 本文首先分别对城市道路上基于LTE-D2D和VLC的V2V通信信道进行建模。对于LTE-V2V通信，为了提高频谱资源利用率，本文采用基于Underlay D2D通信模式的LTE-V2V通信方式，并使LTE-V2V通信和蜂窝通信上行链路使用相同的频谱资源，在这种通信方式下，分析LTE-V2V通信和蜂窝通信之间存在的干扰，并为LTE-V2V通信分配合适的蜂窝频谱资源，然后对系统吞吐量与车流密度之间的关系进行数值仿真分析。对于VLC-V2V通信，本文分析基于城市道路上的可见光信通信信道直流增益，引入热噪声和散弹噪声分析计算接收端的信噪比，并对VLC-V2V通信的数据传输速率与车间距之间的关系进行数值仿真分析。 然后，构建融合LTE-D2D和VLC技术的V2V通信系统，并设计相应的资源调度网关。为了降低LTE-V2V通信和蜂窝通信之间的干扰，本文设计一种车辆辅助的分布式混合频谱资源分配算法（VA-DMSAA），实现合理调度蜂窝系统和可见光通信频谱资源。 最后基于博弈论和图论知识，本文提出一种车辆轮流出价的频谱资源博弈模型（VAO-SBM），进一步优化蜂窝用户频谱资源分配。数值仿真结果表明，基于VA-DMSAA的融合网络架构可以有效降低蜂窝通信和LTE-V2V通信之间的干扰，VAO-SBM分配方式在VA-DMSAA的基础上，能够进一步优化频谱资源分配结果，提高系统吞吐量。

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