system: [SYSTEM]

user: 2. 系统模型 在本节中，建立两个表示用户终端设备之间关系的通信网络模型。第一个是D2D通信系统模型，详细描述了D2D中继通信的通信链路和干扰链路。第二个是社交网络模型，它表示终端用户之间的社交关系强度。 2.1. 社交网络模型 车辆用户的关系可以映射到社交关系网络和物理传输网络中。在物理传输层，终端设备只要在通信范围内就可以连接。但是在社交关系网络中，只有两个终端设备的社交关系达到一定强度才能连接。物理传输层的设备和社交网络层的用户之间存在相对稳定的对应关系。在车辆D2D中继选择的过程中，不仅要考虑物理传输层的关系，还有必要考虑社交网络层的关系。因为两终端用户之间的社交信任度越强，就代表转发数据的意愿就越高。选择社交关系强度高的用户作为中继用户，可以有效降低用户隐私泄漏的风险。相反，若选择社交强度低的空闲用户作为中继节点，可能会导致用户的隐私泄漏，甚至影响D2D连接的稳定性。因此，在中继节点的选择策略中，社交强度可以作为一个关键的决策因素。 车辆用户的社交关系网络模型如图1所示。从社交网络层可以看出，用户4与用户2具有一定的社交关系强度，而用户4与用户3之间没有社交关系强度。这意味着用户2与用户4可能是亲戚或者是朋友的关系，而用户3与用户4可能是陌生人的关系。那么用户2替用户4转发数据的意愿要高于用户3，隐私泄露的风险也相对低一点。但是在物理传输层中，用户4与用户3之间的距离要明显的小于用户4与用户2之间的距离。因此，选择哪个空闲用户作为中继节点进行车辆D2D通信要综合考虑用户社交关系和物理位置信息。从直观上看，选择物理距离较近或者社交关系越强的空闲用户作为中继节点在车辆D2D通信中的收益越高。 图1. 车辆社交网络映射关系 对于任何车辆用户i和k来说，社会关系包括交互频次、每次交互的平均时间、社会距离以及兴趣等。为了更好的表述各车辆用户之间的社交关系，本文定义一个变量 ω i ， k 来表示车辆用户i和k之间的社会关系强度。但是，车辆用户之间的社会关系强度很难通过具体的手段进行测量，因此有必要对其中的权重系数进行量化。在衡量车辆用户社会关系强度时，用户间的交互次数以及每次交互的平均时间的影响最大。因此，本文以车辆用户间的交互次数和每次交互的平均时间来对社会关系强度进行量化。表达式如下所示： ω i ， k = 1 2 ⋅ C i ， k ∑ C i + 1 2 ⋅ D i ， k ∑ D i (1) 其中， C i ， k 表示车辆用户i和k之间的交互次数， ∑ C i 表示车辆用户i和其他车辆用户的交互总次数。 D i ， k 表示车辆用户i和k每次交互的平均时间， ∑ D i 表示车辆用户i和其他车辆用户每次交互的平均时间。假设eNB可以记录每个车辆用户的交互信息，并计算 ω i ， k 的值。假设通信网络中中继节点在对应不同的车辆D2D链路时具有不同的发射功率，且这个发射功率与D2D源端 D 2 D _ T i 和中继节点 n j 之间的社会关系强度密切相关。社会关系强度越高的中继节点可以触发中继节点更高的发射功率。则中继节点 n j 的发射功率与社会关系强度呈线性正相关，如下式所示： P n j = ( 1 2 + ω D 2 D T i ， n j ) P b m (2) 其中， ω D 2 D _ T i ， n j 表示车辆D2D用户发送端 D 2 D _ T i 和中继节点 n j 之间的社交关系强度， P b m 表示中继节点发射功率的基准。 2.2. D2D中继通信系统模型 D2D通信系统模型如图2所示。其中，eNB位于小区中央，小区半径为500 m。该模型采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM)技术以减少小区内蜂窝用户(Cellular User， CUE)之间的干扰。此外，为了提升蜂窝系统的频谱资源利用率，本文让所有的车辆D2D链路都复用蜂窝资源的上行链路(Up Link， UL)。在小区内，随机分布有M对等待接入的车辆D2D用户以及N ( M ≤ N )个空闲用户，小区内的所有空闲用户都可以作为潜在的中继用户。如图中所示，车辆用户在复用CUE的UL资源进行D2D中继通信时会受到来自CUE的干扰。根据文献 [ 13 ] [ 14 ]，在车辆D2D链路中小尺度信道衰落难以测量。因此，在本模型中，以大尺度衰落下自由空间中的路径损耗来表示通信网络中的信道增益。假设 ( x C ， y C ) 和 ( x D ， y D ) 分别表示任意两个在小区内终端设备的坐标，那么这两个终端设备之间的信道增益可以表示为： h C ， D = ( ( x C − x D ) 2 + ( y C − y D ) 2 ) − α = ( d C ， D ) − α (3) 其中， d C ， D 表示两个终端设备之间的距离， α 表示路径损耗指数。 在D2D中继通信系统模型中，假设一个车辆用户终端，也就是源端 D 2 D _ T i ，向eNB请求一个数据，另一个拥有该数据的车辆用户终端愿意通过D2D通信响应该源端的请求，被称为目的端 D 2 D _ R i 。但是，源端和目的端之间的距离可能过远或者信道条件很差。为了更好的传输数据，需要在源端和目的端之间选择一个空闲用户作为中继节点来辅助D2D通信。此外，多对D2D复用连接同一个CUE的时候会引起大量的同频干扰。为了减少这些不必要的同频干扰，本文规定小区内的蜂窝用户只能单独让最多一个D2D对进行复用。且由于小区内采用OFDM技术，所以CUE之间不存在相互干扰。假设小区内车辆D2D用户的源端、目的端以及空闲节点的位置信息都可以通过GPS获取。那么当D2D链路 m i 连接中继节点 n j 进行D2D通信时，信干躁比(Signal to Interference plus Noise Ratio， SINR)表达式如下所示： S D 2 D T i ， n j = P D 2 D T i ⋅ h D 2 D T i ， n j P C h C ， n j + N 0 (4) S n j ， D 2 D R i = P n j ⋅ h n j ， D 2 D R i P C h C ， D 2 D R i + N 0 (5) 其中， N 0 表示通信链路的平均噪声功率， h D 2 D _ T i ， n j 表示D2D链路 m i 的源端 D 2 D _ T i 到中继用户 n j 之间的信道增益， h n j ， D 2 D _ R i 表示中继用户 n j 到D2D链路目的端 D 2 D _ R i 之间的信道增益， h C ， n j 表示CUE到中继节点之间的信道增益， h C ， D 2 D _ R i 表示CUE到D2D对接收端 D 2 D _ R i 之间的信道增益。 P D 2 D _ T i 、 P n j 、 P C 分别表示D2D链路 m i 的发送端 D 2 D _ T i 、中继用户 n j 和CUE的发射功率， P n j 可以由式(2)得到。 图2. 车辆D2D中继通信系统模型 车辆D2D通信系统连通性的高低通常用中断概率来衡量。因此，本文定义D2D通信的中断概率为瞬时信干躁比S小于规定阈值S TH 的概率。其表达式如下： P o u t = P [ S = min { S D 2 D T i ， n j ， S n j ， D 2 D R i } < S T H ] (6) 根据式(6)，当D2D链路进行通信时，只有瞬时信干躁比S大于或者等于S TH 才能正常通信。若不满足式该条件，则视为通信链路出现异常而处于中断状态。