车联网协作通信系统、路边单元的功率分配方法及系统

摘要

本发明公开了一种车联网协作通信系统、路边单元的功率分配方法及系统，使用RF能量收集的路边单元代替需要大力铺设电网的路基设备为车辆提供服务，能量收集技术的发展允许在任何地方安装路基设备，而不考虑电源的可用性，使得车联网基础设施可以覆盖更加广阔的区域。同时，使用可再生能源代替电网实现了绿色、智能交通系统的建立。

权利要求

1.一种路边单元的功率分配方法，其特征在于，所述路边单元应用于一种车联网协作通信系统，所述车联网协作通信系统包括源节点、中继节点和目的节点；所述源节点和所述目的节点均为物理位置独立的移动车辆节点；所述中继节点为无源的路边单元；所述路边单元能够进行RF能量收集；所述中继节点利用收集的能量发送信息；所述源节点和所述目的节点通过所述中继节点进行信息交互；所述功率分配方法包括如下步骤：获取所述车联网协作通信系统中各链路的信道衰落系数；所述各链路的信道衰落系数包括源节点到目的节点链路的信道衰落系数、源节点到中继节点链路的信道衰落系数以及中继节点到目的节点链路的信道衰落系数；

根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接收信噪比；

根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率；

所述中断概率与功率分配比相关；

确定所述中断概率达到最小时的功率分配比值，作为最优功率分配比；

根据所述最优功率分配比分配所述路边单元接收到的RF信号的功率。

2.根据权利要求1所述的一种路边单元的功率分配方法，其特征在于，所述根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接信噪比，具体包括：根据公式 确定DF协议下目的节点的接收信噪比；

其中γD表示DF协议下目的节点的接收信噪比；g0＝|h0|2服从参数为λ0的指数分布，h0表示源节点到目的节点链路的信道衰落系数， c表示与环境相关的常数，τ表示路径损耗指数，dSD表示源节点和目的节点之间的距离；ρ表示路边单元的功率分配比；η表示路边单元的能量转换效率；g1＝|h1|2服从参数为λ1的指数分布，h1表示源节点到中继节点链路的信道衰落系数， dSR表示源节点和中继节点之间的距离；g2＝|h2|2服从参数为λ2的指数分布，h2表示中继节点到目的节点链路的信道衰落系数，dRD表示中继节点和目的节点之间的距离；γ＝PS/N0，PS表示源节点的发射功率，N0表示中继节点和目的节点处的加性高斯白噪声的方差；μ表示在目的节点处由于RF到基带转换单元产生的加性高斯白噪声方差前的系数；R正确表示中继节点正确接收源节点的发送信号；R错误表示中继节点错误接收源节点的发送信号。

3.根据权利要求2所述的一种路边单元的功率分配方法，其特征在于，所述根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接收信噪比，具体包括：根据公式γD1＝g0γ/(1+μ)确定AF协议下目的节点在第一个时隙的接收信噪比；

根据公式 确定AF协议下目的节点在第二个时隙的接

收信噪比；

根据公式γD＝γD1+γD2确定AF协议下目的节点在整个通信过程中的接收信噪比。

4.根据权利要求3所述的一种路边单元的功率分配方法，其特征在于，所述根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率，具体包括：根据公式 分析DF

协议下系统协作链路的中断概率；所述系统协作链路为源节点到中继节点再到目的节点的协作链路；其中 RT表示目标数据速率；K1(x)是第二类一阶修正贝塞尔函数；

5.根据权利要求4所述的一种路边单元的功率分配方法，其特征在于，所述根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率，具体包括：根据公式 分析AF协

议下系统协作链路的中断概率；其中，a＝1+1/(1-ρ)，

6.根据权利要求5所述的一种路边单元的功率分配方法，其特征在于，所述根据所述最优功率分配比分配所述路边单元接收到的RF信号的功率，具体包括：根据所述最优功率分配比，将所述路边单元R接收的RF信号yR-S分成 和部分，其中 部分用于进行能量收集， 部分用于进行信息处

理。

7.一种路边单元的功率分配系统，其特征在于，所述路边单元应用于一种车联网协作通信系统，所述车联网协作通信系统包括源节点、中继节点和目的节点；所述源节点和所述目的节点均为物理位置独立的移动车辆节点；所述中继节点为无源的路边单元；所述路边单元能够进行RF能量收集；所述中继节点利用收集的能量发送信息；所述源节点和所述目的节点通过所述中继节点进行信息交互；所述功率分配系统包括：信道衰落系数获取模块，用于获取所述车联网协作通信系统中各链路的信道衰落系数；所述各链路的信道衰落系数包括源节点到目的节点链路的信道衰落系数、源节点到中继节点链路的信道衰落系数以及中继节点到目的节点链路的信道衰落系数；

接收信噪比确定模块，用于根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接收信噪比；

中断概率分析模块，用于根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率；所述中断概率与功率分配比相关；

最优功率分配比确定模块，用于确定所述中断概率达到最小时的功率分配比值，作为最优功率分配比；

功率分配模块，用于根据所述最优功率分配比分配所述路边单元接收到的RF信号的功率。

8.根据权利要求7所述的一种路边单元的功率分配系统，其特征在于，所述功率分配模块，具体包括：功率分配单元，用于根据所述最优功率分配比，将所述路边单元R接收的RF信号yR-S分成 和 部分，其中 部分用于进行能量收集， 部分用于进行信息处理；ρ表示路边单元的功率分配比。

说明书

车联网协作通信系统、路边单元的功率分配方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及车联网技术领域，特别涉及一种车联网协作通信系统以及一种路边单元的功率分配方法及系统。

背景技术

[0002] 当今的城市交通，特别在交通拥堵或发生车辆事故时，会产生高密度交通信息的传输。车联网是使用无线通信、传感探测等技术收集车辆、道路、环境等信息，通过车-车(V2V)、车-路(V2R)信息交互和共享，使车和基础设施之间智能协同与配合，从而实现智能交通管理控制、车辆智能化控制和智能动态信息服务的一体化网络，支持车辆对车辆(vehicle-to-vehicle，V2V)和车辆-基础设施(vehicle-to-in-vehicle，V2I)之间的协作通信。在实际的车辆移动环境中，每个车辆都可以被认为是一个移动终端，在与基站通信的同时也可以帮助其他车辆发送信息。传统的车联网协作通信系统中，往往花费高成本利用电网建立车联网中的路基设备，路基设备为车辆提供服务需要大力铺设电网，而在较为偏远地区花费高成本利用电网建立车联网中的路基设备是一种资源的浪费，并且有些地区由于地理因素，铺设电网会存在很大困难，这些因素都阻碍了车联网在广大地区的建设与发展。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种车联网协作通信系统、路边单元的功率分配方法及系统，通过使用RF能量收集的路边单元代替需要大力铺设电网的路基设备为车辆提供服务，使车联网基础设施可以覆盖更加广阔的区域。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0005] 一种车联网协作通信系统，所述车联网协作通信系统包括：源节点、中继节点和目的节点；

[0006] 所述源节点和所述目的节点均为物理位置独立的移动车辆节点；

[0007] 所述中继节点为无源的路边单元；所述路边单元能够进行RF能量收集；所述中继节点利用收集的能量发送信息；

[0008] 所述源节点和所述目的节点通过所述中继节点进行信息交互。

[0009] 可选的，所述源节点和所述目的节点通过所述中继节点进行信息交互，具体包括：

[0010] 所述源节点将发送信号发送至所述中继节点；

[0011] 所述中继节点对接收到的所述发送信号进行放大并转发至所述目的节点；

[0012] 或所述中继节点对接收到的所述发送信号进行译码并判断所述发送信号是否正确接收，获得第一判断结果；

[0013] 当所述第一判断结果为是时，所述中继节点将所述发送信号转发至所述目的节点；当所述第一判断结果为否时不转发。

[0014] 本发明还提供了一种路边单元的功率分配方法，所述路边单元应用于一种车联网协作通信系统，所述车联网协作通信系统包括源节点、中继节点和目的节点；所述源节点和所述目的节点均为物理位置独立的移动车辆节点；所述中继节点为无源的路边单元；所述路边单元能够进行RF能量收集；所述中继节点利用收集的能量发送信息；所述源节点和所述目的节点通过所述中继节点进行信息交互；所述功率分配方法包括如下步骤：

[0015] 获取所述车联网协作通信系统中各链路的信道衰落系数；所述各链路的信道衰落系数包括源节点到目的节点链路的信道衰落系数、源节点到中继节点链路的信道衰落系数以及中继节点到目的节点链路的信道衰落系数；

[0016] 根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接收信噪比；

[0017] 根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率；所述中断概率与功率分配比相关；

[0018] 确定所述中断概率达到最小时的功率分配比值，作为最优功率分配比；

[0019] 根据所述最优功率分配比分配所述路边单元接收到的RF信号的功率。

[0020] 可选的，所述根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接信噪比，具体包括：

[0021] 根据公式 确定DF协议下目的节点的接收信噪比；其中γD表示DF协议下目的节点的接收信噪比；g0＝|h0|2服从参数为λ0的指数分布，h0表示源节点到目的节点链路的信道衰落系数， c表示与环境相关的常数，τ
表示路径损耗指数，dSD表示源节点和目的节点之间的距离；ρ表示路边单元的功率分配比；η表示路边单元的能量转换效率；g1＝|h1|2服从参数为λ1的指数分布，h1表示源节点到中继节点链路的信道衰落系数， dSR表示源节点和中继节点之间的距离；g2＝|h2
|2服从参数为λ2的指数分布，h2表示中继节点到目的节点链路的信道衰落系数，dRD表示中继节点和目的节点之间的距离；γ＝PS/N0，PS表示源节点的发
射功率，N0表示中继节点和目的节点处的加性高斯白噪声的方差；μ表示目的节点处由于RF到基带转换单元采样产生的加性高斯白噪声方差前的系数；R正确表示中继节点正确接收源节点的发送信号；R错误表示中继节点错误接收源节点的发送信号。

[0022] 可选的，所述根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接收信噪比，具体包括：

[0023] 根据公式γD1＝g0γ/(1+μ)确定AF协议下目的节点在第一个时隙的接收信噪比；

[0024] 根据公式 确定AF协议下目的节点在第二个时隙的接收信噪比；

[0025] 根据公式γD＝γD1+γD2确定AF协议下目的节点在整个通信过程中的接收信噪比。

[0026] 可选的，所述根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率，具体包括：

[0027] 根据公式分析DF协议下系统协作链路的中断概率；所述系统协作链路为源节点到中继节点再到目的节点的协作链路；其中 RT表示目标数据速率；K1(x)是第二
类一阶修正贝塞尔函数；

[0028] 可选的，所述根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率，具体包括：

[0029] 根据公式 分析AF协议下系统协作链路的中断概率；其中，a＝1+1/(1-ρ)，

[0030] 可选的，所述根据所述最优功率分配比分配所述路边单元接收到的RF信号的功率，具体包括：

[0031] 根据所述最优功率分配比，将所述路边单元R接收的RF信号yR-S分成 和部分，其中 部分用于进行能量收集， 部分用于进行信息处理。

[0032] 本发明还提供了一种路边单元的功率分配系统，所述功率分配系统包括：

[0033] 信道衰落系数获取模块，用于获取所述车联网协作通信系统中各链路的信道衰落系数；所述各链路的信道衰落系数包括源节点到目的节点链路的信道衰落系数、源节点到中继节点链路的信道衰落系数以及中继节点到目的节点链路的信道衰落系数；

[0034] 接收信噪比确定模块，用于根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接收信噪比；

[0035] 中断概率分析模块，用于根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率；所述中断概率与功率分配比相关；

[0036] 最优功率分配比确定模块，用于确定所述中断概率达到最小时的功率分配比值，作为最优功率分配比；

[0037] 功率分配模块，用于根据所述最优功率分配比分配所述路边单元接收到的RF信号的功率。

[0038] 可选的，所述功率分配模块具体包括：

[0039] 功率分配单元，用于根据所述最优功率分配比，将所述路边单元R接收的RF信号yR-S分成 和 部分，其中 部分用于进行能量收集， 部分用于进行信息处理。

[0040] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

[0041] 本发明公开了一种车联网协作通信系统、路边单元的功率分配方法及系统，使用RF能量收集的路边单元代替需要大力铺设电网的路基设备为车辆提供服务，能量收集技术的发展允许在任何地方安装路基设备，而不考虑电源的可用性，使得车联网基础设施可以覆盖更加广阔的区域。同时，使用可再生能源代替电网实现了绿色、智能交通系统的建立。

[0042] 此外，本发明提供的一种路边单元的功率分配方法及系统，提出利用路边单元作为中继的车联网协作通信模型，采用基于功率分配的中继协议，推导由能量收集供电的车联网系统的中断概率，获得最佳的功率分配比，并根据最优功率分配比实现了路边单元接收RF信号的功率分配，提高了通信系统的协作通信性能。

附图说明

[0043] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0044] 图1为本发明提供的一种车联网协作通信系统的示意图；

[0045] 图2为本发明提供的一种路边单元的功率分配方法的流程图；

[0046] 图3为本发明提供的一种路边单元的功率分配系统的结构图；

[0047] 图4为本发明实施例提供的采用DF协议时S→R→D链路的中断概率与ρ的关系示意图；

[0048] 图5为本发明实施例提供的采用AF协议时S→R→D链路的中断概率与ρ的关系示意图；

[0049] 图6为本发明实施例提供的DF直传和不同ρ的取值下SNR与中断概率的关系示意图；

[0050] 图7为本发明实施例提供的AF直传和不同ρ的取值下SNR与中断概率的关系示意图；

[0051] 图8为本发明实施例提供的DF与AF协议下中断概率的比较示意图。

具体实施方式

[0052] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0053] 本发明的目的是提供一种车联网协作通信系统、路边单元的功率分配方法及系统，通过使用RF能量收集的路边单元代替需要大力铺设电网的路基设备为车辆提供服务，使车联网基础设施可以覆盖更加广阔的区域。

[0054] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。

[0055] 图1为本发明提供的一种车联网协作通信系统的示意图。参见图1，本发明提供的车联网协作通信系统由依靠物理位置独立的移动车辆节点S和D、无源的路边单元R组成。路边单元R作为中继帮助S→D之间进行信息交换。信息通过能量约束的中继节点R从源节点S传送到目的节点D。两节点间没有直接通信链路。路边单元R是无源的并且能够进行能量收集来发送信息，中继R从源节点S发送的RF信号中收集能量，再使用收集的能量作为发射功率将源节点S的信号发送给目的节点D。移动车辆S、D利用能够进行RF能量收集的路边单元R来协助其完成信息的交互。

[0056] 基于能量收集的中继协议包括基于时间切换的中继(Time switch relay，TSR)协议和基于功率分配的中继(Power switch relay，PSR)协议。

[0057] 本文中，S表示源节点，R表示中继节点，D表示目的节点，字母之间的“→”表示箭头前面的节点到箭头后面的节点的链路，例如S→D表示源节点到目的节点的链路。RF是Radio Frequency(射频)的缩写。

[0058] 能量收集(EH)，即从周围环境中提取能量的过程作为替代方法来提供能量，延长能量受限的通信网络的寿命，可利用各种各样可收集的能量，如热、光、波和风等能源来进行无线网络中的能量收集。最近，由于其为低功率通信系统提供能量自给的便利，从环境射频(RF)信号收集能量已经受到越来越多的关注。随着近年来工业和学术界低功率器件技术的进步，预计从RF信号中获取能量将为未来的应用提供一个切实可行的解决方案，特别是对于低功耗设备的网络，如无线传感器网络(WSN)节点。人们开始关注诸如无线传感器网络、物联网等能量受限网络，其中的无线设备通常既无法连接到电网，也难以频繁充电或更换电池。对于上述网络，在满足基本通信服务的前提下，如何获取稳定持续的能量供应从而延长网络生存时间已成为关注的焦点。甚至从人为现象(例如无线能量转移)中获取能源来实现可持续的网络。环境发射器辐射的RF信号可以成为能量收集的可行来源。一方面，RF信号在环境大气中广泛可用并且能够同时携带能量和信息；另一方面，RF信号已被广泛用作信息传输的载体。由于无线信息和功率的同时传输实现了RF信号的高效率，潜在地为移动用户提供了极大的方便。

[0059] 在本发明提供的车联网协作通信系统、路边单元的功率分配方法及系统中，通过使用RF能量收集的路边单元代替需要大力铺设电网的路基设备为车辆提供服务，使车联网基础设施可以覆盖更加广阔的区域。

[0060] 具体如图1中所示，所述车联网协作通信系统包括：源节点S、中继节点R和目的节点D；所述源节点S和所述目的节点D均为物理位置独立的移动车辆节点。系统特点在于，所述中继节点R为无源的路边单元，且所述路边单元R能够进行RF能量收集。路边单元R利用收集的能量来发送信息。所述源节点S和所述目的节点D通过所述中继节点R进行信息交互。

[0061] 所述源节点S将发送信号xs发送至所述中继节点R；

[0062] AF协议下，所述中继节点R对接收到的所述发送信号xs进行放大并转发至所述目的节点D；

[0063] DF协议下，所述中继节点R对接收到的所述发送信号xs进行译码并判断所述发送信号xs是否正确接收，获得第一判断结果；

[0064] 当所述第一判断结果为是时，所述中继节点R将所述发送信号转发至所述目的节点D；当所述第一判断结果为否时不转发。

[0065] 图1中各节点都是半双工方式的单天线。假设移动车辆S的发射功率为PS，路边单元R从收到的RF信号中获得能量，η∈(0,1)表示能量效率，取决于整流效率和R处能量收集电路。假设S→R和R→D初始距离由DS-R和DD-R表示。(h0,dSD)，(h1,dSR)，(h2,dRD)分别表示S→D，S→R和R→D链路的信道衰落系数和距离。 的高斯随机变量中， 设分别表示与环境相关的常数、
路径损耗指数和节点间距离的变量c＝1、τ＝2、d。变量gi＝|hi|2，i∈{0,1,2}是服从参数为λi,i∈{0,1,2}的指数分布。

[0066] 根据功率分配比ρ∈(0,1)，路边单元R接收的RF信号yR-S分成两部分： 部分用于进行能量收集，另一部分 用于进行信息处理。

[0067] 第一时隙中，移动车辆S→D，S→R同时发送信号xs，路边单元R和目的车辆D接收的信号分别为：

[0068]

[0069]

[0070] 其中yR-S表示路边单元R处接收的信号，yD-S表示目的车辆D处接收的信号；ni～CN(0,N0),i＝R,D表示在路边单元R、D处的加性高斯白噪声。

[0071] 所以，在路边单元R处进行信息处理的信号可以表示为：

[0072]

[0073] 考虑到在路边单元处由RF到基带转换单元采样产生的附加噪声，上式(1)被修改为：

[0074]

[0075] 其中，xs表示源节点的发送信号，nR表示中继节点的加性高斯白噪声的方差；表示在中继节点R处由于RF到基带转换单元产生的加性高斯白
噪声。

[0076] 在路边单元R处进行收集能量的信号可以表示为：

[0077]

[0078] 其中， 中携带的噪声能量可以忽略不计，所以路边单元处收集的能量表示为：

[0079]

[0080] 其中，η表示路边单元处的能量转换效率，g1＝|h1|2，h1表示从车辆S→R的信道衰落系数，T为整个时间块。

[0081] 所以，在路边单元R处的传输功率PR为：

[0082]

[0083] 第二时隙，路边单元R→D利用功率PR发送信号xR，所以车辆D处获得的信号是：

[0084]

[0085] 其中，nD2～CN(0,N0)是目的车辆D的加性高斯白噪声，表示在移动车辆D处由于RF到基带转换单元采样产生的加性高斯白噪声。

[0086] 在较为偏远地区花费高成本利用电网建立车联网中的路基设备是一种资源的浪费，使用可再生能源代替电网是一个很好的选择。本发明提供的车联网协作通信系统通过使用RF能量收集的路边单元代替需要大力铺设电网的路基设备为车辆提供服务，实现绿色智能交通系统。能量收集技术的发展允许在任何地方安装路基设备，而不考虑电源的可用性，车联网基础设施可以覆盖更加广阔的区域。

[0087] 图2为本发明提供的一种路边单元的功率分配方法的流程图。如图2所示，本发明提供的功率分配方法包括如下步骤：

[0088] 步骤201：获取所述车联网协作通信系统中各链路的信道衰落系数。

[0089] 所述各链路的信道衰落系数包括源节点到目的节点链路的信道衰落系数h0、源节点到中继节点链路的信道衰落系数h1以及中继节点到目的节点链路的信道衰落系数h2。

[0090] 步骤202：根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接收信噪比。

[0091] 步骤202根据DF和AF两个协议，分析S→R→D传输中各端点的信号接收情况。

[0092] (1)DF协议

[0093] 解码转发(Decode-and-Forward，DF)协议下，路边单元R对接收到的信号译码的同时并检测接收情况的正确与否，如果正确则将接收信号转发到目的节点，否则不转发。所以，此时中继节点R的发送信号为：

[0094]

[0095] 其中，xR是路边单元R发送的信号。

[0096] 根据第一时隙路边单元R获得的信号，获得路边单元R处的信噪比为：

[0097]

[0098] 其中，g1＝|h1|2，h1表示S→R的信道衰落系数，γ＝PS/N0。

[0099] 在传输过程中车辆D的接收信噪比为：

[0100]

[0101] 其中，γD表示DF协议下目的节点的接收信噪比；g0＝|h0|2服从参数为λ0的指数分布，h0表示源节点到目的节点链路的信道衰落系数， c表示与环境相关的常数，τ表示路径损耗指数，dSD表示源节点和目的节点之间的距离；ρ表示路边单元的功率分配比；η表示路边单元的能量转换效率；g1＝|h1|2服从参数为λ1的指数分布，h1表示源节点到中继节点链路的信道衰落系数， dSR表示源节点和中继节点之间的距离；g2＝
|h2|2服从参数为λ2的指数分布，h2表示中继节点到目的节点链路的信道衰落系数，dRD表示中继节点和目的节点之间的距离；γ＝PS/N0，PS表示源节点的发
射功率，N0表示中继节点和目的节点处的加性高斯白噪声的方差；μ表示在目的节点处由于RF到基带转换单元产生的加性高斯白噪声方差前的系数；R正确表示中继节点正确接收源节点的发送信号；R错误表示中继节点错误接收源节点的发送信号。

[0102] (2)AF协议

[0103] 放大转发(Amplify-and-Forward，AF)协议下，路边单元R对接收信号进行放大转发，此时R的发送信号xR为：

[0104]

[0105] 其中，G为路边单元R发送信号前的归一化因子，可表示为：

[0106]

[0107] 根据车辆D处获得的信号，其在第一个时隙的接收信噪比为：

[0108] γD1＝g0γ/(1+μ)  (12)

[0109] 同理，在第二个时隙D处接收信噪比是：

[0110]

[0111] 化简得：

[0112]

[0113] 令μ＝1，即假设 则上式简化为：

[0114]

[0115] 整个通信过程中，移动车辆节点D处接收到的接收信噪比为：γD＝γD1+γD2。

[0116] 步骤203：根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率。所述中断概率与功率分配比直接相关。

[0117] 为了寻找使得路边单元处具有最佳功率分配的最优功率分配比ρ∈(0,1)，需对DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率进行分析。直传链路来自功率固定的S→D的传输，和路边单元处的功率分配没有关系，因此只需要研究S→R→D协作链路来分析路边单元处的功率分配。

[0118] 假设所有信道是平稳的随机瑞利衰落信道。中断概率是指在车辆D处由于信噪比低于给定阈值而可实现的数据速率小于目标数据速率的概率。车辆S→R→D在通信传输过程中的中断概率表达式为：

[0119] PS-R-D＝Pr[CSRD＜R]  (16)

[0120] 1)分析DF协议下系统协作链路的中断概率

[0121] 车辆S→R→D在通信传输过程中R正确解码下，目的车辆D处的接收信噪比：

[0122]

[0123] 令RT、RR、RD分别为目标数据速率、第一时隙在路边单元R处可获得数据速率、在S→R→D协作传输过程R正确译码时车辆D可获得数据速率。因为对路边单元处进行功率分配只涉及S→R→D的传输，所以采用DF协议时S→R→D链路的中断概率可以表示为：

[0124]

[0125] 其中， 根据等式(8)和等式(17)，RR、RD为：

[0126]

[0127]

[0128] 将上述两个等式(19)、(20)代入到等式(18)中得到：

[0129]

[0130] 其中，

[0131] 将RR和RD代入等式(4-18)中，可以获得Pr2为：

[0132]

[0133] 其中， γ＝PS/N0。

[0134] gi＝|hi|2，i∈{1,2}是服从参数为λi,i∈{1,2}的指数分布，h1,h2分别表示S→R和R→D的信道衰落系数，上式计算为：

[0135]

[0136] 其中，K1是第二类一阶修正贝塞尔函数， γ＝PS/N0。

[0137] 所以S→R→D链路的中断概率为：

[0138]

[0139] 其中，

[0140] 2)分析AF协议下系统协作链路的中断概率

[0141] 根据公式(15)、(16)的分析，采用AF协议，S→R→D链路的中断概率为：

[0142]

[0143] 由于γD2＝(1-ρ)ρηg1g2γ/[(1-ρ)ρηg2+ρηg2+(1-ρ)]，上式(25)计算为：

[0144]

[0145] 其中，a＝1+1/(1-ρ)，γ＝PS/N0。同理，上式(26)计算为：

[0146]

[0147] 其中，a＝1+1/(1-ρ)，γ＝PS/N0，

[0148] 步骤204：确定所述中断概率达到最小时的功率分配比值，作为最优功率分配比。

[0149] 由于求得的 和 的解析表达式涉及积分和修正贝塞尔函数，所以用和 计算ρ的最优值的闭式表达式较为困难。因此根据系统参数(链路距离、车辆传输速率等)对ρ的最优值进行数值分析，将使所述中断概率达到最小时的功率分配比值作为最优功率分配比，完成优化。

[0150] 步骤205：根据所述最优功率分配比分配所述路边单元接收到的RF信号的功率。

[0151] 根据所述最优功率分配比，将所述路边单元R接收的RF信号yR-S分成 和部分，其中 部分用于进行能量收集， 部分用于进行信息处理。从而实现了路边单元处的最佳功率分配，提高了通信系统的协作通信性能。

[0152] 图3为本发明提供的一种路边单元的功率分配系统的结构图。如图3所示，本发明还提供一种路边单元的功率分配系统，所述功率分配系统包括：

[0153] 信道衰落系数获取模块301，用于获取所述车联网协作通信系统中各链路的信道衰落系数；所述各链路的信道衰落系数包括源节点到目的节点链路的信道衰落系数、源节点到中继节点链路的信道衰落系数以及中继节点到目的节点链路的信道衰落系数；

[0154] 接收信噪比确定模块302，用于根据所述各链路的信道衰落系数确定DF协议或AF协议下目的节点的接收信噪比；

[0155] 中断概率分析模块303，用于根据所述目的节点的接收信噪比，分析DF协议或AF协议下系统协作链路的中断概率；所述中断概率与功率分配比相关；

[0156] 最优功率分配比确定模块304，用于确定所述中断概率达到最小时的功率分配比值，作为最优功率分配比；

[0157] 功率分配模块305，用于根据所述最优功率分配比分配所述路边单元接收到的RF信号的功率。

[0158] 具体的，所述接收信噪比确定模块302包括：

[0159] DF协议下接收信噪比确定单元，用于根据公式确定DF协议下目的节点的接收信噪比；其中γD表示
DF协议下目的节点的接收信噪比；g0＝|h0|2服从参数为λ0的指数分布，h0表示源节点到目的节点链路的信道衰落系数， c表示与环境相关的常数，τ表示路径损耗指
数，dSD表示源节点和目的节点之间的距离；ρ表示路边单元的功率分配比；η表示路边单元的能量转换效率；g1＝|h1|2服从参数为λ1的指数分布，h1表示源节点到中继节点链路的信道衰落系数， dSR表示源节点和中继节点之间的距离；g2＝|h2|2服从参数为λ2的指数分布，h2表示中继节点到目的节点链路的信道衰落系数， dRD表示中继
节点和目的节点之间的距离；γ＝PS/N0，PS表示源节点的发射功率，N0表示中继节点和目的节点处的加性高斯白噪声的方差；μ表示在目的节点处由于RF到基带转换单元产生的加性高斯白噪声方差前的系数；R正确表示中继节点正确接收源节点的发送信号；R错误表示中继节点错误接收源节点的发送信号。

[0160] AF协议下第一时隙接收信噪比确定单元，用于根据公式γD1＝g0γ/(1+μ)确定AF协议下目的节点在第一个时隙的接收信噪比；

[0161] AF协议下第二时隙接收信噪比确定单元，用于根据公式确定AF协议下目的节点在第二个时隙的接收信噪比；

[0162] AF协议下接收信噪比确定单元，用于根据公式γD＝γD1+γD2确定AF协议下目的节点在整个通信过程中的接收信噪比。

[0163] 所述中断概率分析模块303具体包括：

[0164] DF协议下中断概率分析单元，用于根据公式分析DF协议下系统
协作链路的中断概率；所述系统协作链路为源节点到中继节点再到目的节点的协作链路；
其中 RT表示目标数据速率；K1(x)是第二类一阶修正贝塞
尔函数；

[0165] AF协议下中断概率分析单元，用于根据公式分析AF协议下系统协
作链路的中断概率；其中，a＝1+1/(1-ρ)，

[0166] 所述功率分配模块305具体包括：

[0167] 功率分配单元，用于根据所述最优功率分配比，将所述路边单元R接收的RF信号yR-S分成 和 部分，其中 部分用于进行能量收集， 部分用于进行信息处理。

[0168] 在绿色电网车辆网络中，路边单元必须有效地管理其能源使用，尽可能服务更多的车辆。本发明提供的一种路边单元的功率分配方法及系统，提出利用路边单元作为中继的车联网协作通信模型，采用基于功率分配的中继协议，推导由能量收集供电的车联网系统的中断概率，获得最佳的功率分配比，并根据最优功率分配比实现了路边单元接收RF信号的功率分配，提高了通信系统的协作通信性能。

[0169] 下面通过系统仿真，分析S→R→D的传输中路边单元处功率的分配问题，以及直传和不同ρ的取值下SNR与中断概率的关系。分别使用式(24)和(28)评估 和 的分析结果，并且分别使用式(16)获得 和 的模拟结果。

[0170] 图4和图5分别绘出了采用DF协议和AF协议时，S→R→D链路的传输中断与ρ∈(0,1)的关系。图4和图5中，横坐标为功率分配比ρ的取值，纵坐标为中断概率。仿真采用dSR＝
0.2，dRD＝0.8。显而易见，分析和仿真结论都符合ρ∈(0,1)的所有可能值并且完全一致。对于在S→R→D传输中路边单元处的功率分配问题，PS-R-D随着ρ从0增加到某个最优ρ而减少，但随后随着ρ从其最优值增加而开始增加。这是因为对于小于最优ρ的ρ值，能量收集的可用功率较小。因此，从路边单元获得较少的传输功率PR，在目的车辆D处观察到更大的中断概率。对于大于最优ρ的ρ值，能量收集浪费更多的功率，并且为源车辆S传递信息传输留下更少的功率。在路边单元处观察到较差的信号强度，并且当路边单元将该信号转发到目的地时，导致目的地处的中断概率较大。因此，本发明将所述中断概率的概率值达到最小时的功率分配比值作为最优功率分配比，是与系统仿真结果相一致的。

[0171] 图6和图7分别绘出了DF直传、AF直传和不同ρ的取值下SNR与中断概率的关系。图6和图7中，横坐标为信噪比(SIGNAL-NOISERATIO，SNR)，纵坐标为中断概率。仿真采用dSR＝0.2，dRD＝0.8，dSRD＝1，其中S→D是两移动车辆之间通信，所以采用了双瑞利分布的信道模型，仿真了有直传链路的系统中断概率。图6和图7分别表示采用DF和AF协议，在没有路边单元作为中继辅助的直传链路和具有路边单元作中继在不同ρ的取值下随信噪比不断变化的中断概率的比较。显然，直传链路的性能比任何一个具有路边单元协助下系统的都差；相比ρ取最优值和其他值时，都是取最优值时的性能最佳。因此，若是在通信中有路边单元的协助并且在开始前对路边单元处的信号进行恰当的功率分配，整个通信质量会得到大大的改善。

[0172] 图8是DF与AF协议下中断概率的比较示意图，横坐标为信噪比，纵坐标为中断概率。图8表明DF协议下链路传输的中断性能最佳，直传最差。而AF协议下链路传输的中断性能高于DF协议下的链路传输。

[0173] 本发明提供的方法及系统在车联网中继系统中，采用无源的具有RF能量收集的绿色路边单元。路边单元采用功率分配体系架构，根据功率分配比，路边单元能够从源传输的RF信号中获取能量以转发其信息。确定进行能量收集和信息处理比例的最小可实现中断概率意义上的功率最优设计。仿真结果被用来评估各种系统参数的影响。优化设计的性能与其他情况下的性能进行了比较。能量收集技术R很好地重用了无线链路的能量和广播性质，且允许将路边单元安装在任何地方，而不用考虑实际电力供应情况。

[0174] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0175] 本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。