D2D通信衝突改錯跨層自適應系統及數據傳輸方法與流程
2023-05-14 09:54:01
本發明涉及屬於無線通信技術領域，涉及一種實現高可靠d2d通信的衝突改錯跨層自適應設計技術，尤其是涉及一種d2d通信衝突改錯跨層自適應系統及數據傳輸方法。
背景技術：
d2d通信作為5g通信的關鍵技術，彌補了專用短程通信(dedicatedshortrangecommunication,dsrc)中傳輸距離受限、安全消息可靠性低等缺陷。在dsrc中，車輛具有主動安全的應用，這些主動安全的應用需要周期性廣播車輛的心跳信息。車輛的心跳信息提供了非常重要的信息，如位置、方向、速度以及車輛的安全消息和緊急消息，如安全氣囊的部署、事故報告等，從而保證了駕駛員在開車過程中對緊急事件的及時反映。d2d通信技術作為dsrc的一種擴展，同時也有安全消息的傳輸。安全消息的可靠傳輸，保證車輛主動安全應用的有效性，所以在d2d通信中，安全消息的可靠性傳輸是非常重要的。
目前關於提高d2d通信安全消息可靠性的技術，大部分研究都是針對重傳協議的優化。基於車聯網中汽車安全消息的介質訪問控制協議，異步固定重傳次數協議(asynchronousfixedrepetition,afr)、同步固定重傳次數協議(synchronousfixedrepetition,sfr)和同步持續重傳協議(synchronousp-persistentrepetition,spr)都是通過優化mac層訪問機制提高接收數據包的成功率。安全消息的廣播頻率決定於d2d節點的密度和數據包的重傳數量。考慮到d2d節點的移動性，數據包的衝突可以很大程度上影響通信的可靠性並降低數據包成功傳輸的概率。而在d2d節點數量多、重傳次數多的情況下重傳協議的優化並不能解決mac層數據衝突的問題。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種d2d通信衝突改錯跨層自適應系統及數據傳輸方法，針對d2d安全消息，提高d2d安全消息在傳輸過程的可靠性，在減少重傳次數的前提下提高數據包傳輸的成功概率，減少誤包率。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種d2d通信衝突改錯跨層自適應系統，在一個衝突消息已經傳輸過一次的前提下恢復出在衝突中損壞的數據包，該系統包括d2d發送節點和d2d接收節點，其中，該d2d發送節點根據信道條件選擇相應的調製方式，同時將所述調製方式傳輸給該d2d接收節點；
所述d2d接收節點包括物理層和mac層，所述物理層包括接收包緩存模塊、信道估計衝突改錯決策模塊和自適應解調解碼模塊，所述mac層包括mac重傳歷史模塊和前數據包選擇器。
所述信道條件由所述物理層內的信道估計模塊獲得，或者在tdd方式下根據信道互易性獲得。
一種基於所述的d2d通信衝突改錯跨層自適應系統的數據傳輸方法，包括以下步驟：
1)d2d發送節點根據信道條件選擇相應的調製方式，發送數據包；
2)d2d接收節點對所述數據包進行預處理，存入接收包緩存模塊；
3)信道估計衝突改錯決策模塊通過前數據包選擇器獲取mac重傳歷史模塊的重傳歷史數據，根據所述重傳歷史數據直接進行信道均衡處理或執行衝突改錯後再進行信道均衡處理；
4)d2d接收節點根據步驟1)中的調製方式對經步驟3)處理後的數據包進行最終處理。
所述信道條件由所述物理層內的信道估計模塊獲得，或者在tdd方式下根據信道互易性獲得。
所述步驟2)中的預處理包括循環前綴移除、串並轉化和fft。
所述步驟3)具體為：
當根據mac重傳歷史模塊的重傳歷史數據判斷當前存在衝突威脅時，則執行衝突改錯後再進行信道均衡處理，否則，直接進行信道均衡處理。
所述信道均衡處理包括信道估計和信道均衡。
所述衝突改錯是恢復出在衝突中損壞的數據包，對於d2d節點a、b、c而言，具體恢復公式為：
x2＝(y-x1h1)/h2
式中，h1、h2分別表示d2d節點a到節點b和節點c到節點b的信道的復頻率響應，y為d2d節點b接收到的數據包，x1表示d2d節點a發送的數據包，x2表示d2d節點c發送的數據包，為衝突中需要恢復的數據包，xce為導頻序列，分別為節點b的導頻估計的信道的復頻率響應，分別為節點a和節點c的導頻估計的信道的復頻率響應,分別為聯合節點b和節點a及聯合節點b和節點c之間導頻估計的信道的復頻率響應。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
1、本發明採用跨層設計技術，跨phy層和mac層，增加了協議層間交互和節點間交互，可以減少mac層重傳次數題高數據包傳輸的成功率，解決了傳統mac層協議優化不能解決的問題。
2、本發明在高重傳次數和信道質量差的條件下能夠具有提高d2d通信安全消息數據包成功率、減少誤比特率(biterrorrate,ber)的優勢，可以實現高可靠d2d通信。
3、當信噪比(signalnoiseratio,snr)比較低時，通過自適應調製，減少了系統的誤比特率，提高系統的可靠性和信道的頻譜資源
附圖說明
圖1為本發明d2d通信跨phy層和mac層自適應系統；
圖2為d2d安全消息衝突場景模型；
圖3為本發明的一種場景模型；
圖4為三個d2d應用場景的關係示例圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
本發明中的d2d通信衝突改錯跨層自適應系統是能夠根據不同的信道條件選擇相應的調製方式，並當d2d的安全消息在發生衝突的時候，能夠在一個衝突消息已經傳輸過一次的前提下恢復出在衝突中損壞的數據包。
該系統包括d2d發送節點1和d2d接收節點2，d2d發送節點採用ofdm(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，正交頻分復用技術)系統的自適應調製技術，即ofdm的各個子載波採用自適應的調製技術。d2d發送節點首先獲取各個子載波的信道參數，由接收端進行信道估計，並通過反饋信道發送給發送端，或者在tdd的方式下，根據信道的互易性來獲得信道參數。然後，d2d接收節點根據一定的算法確定各個子載波的調製方式，d2d發送節點再進行ifft、並串轉換和添加循環前綴。同時各子載波的調製方式也作為信息發送給d2d接收節點。
本發明設計的跨層自適應系統中，d2d接收節點2在傳統的物理層202和mac層201都增加了相應的模塊，其物理層202包括接收包緩存模塊(crh)221、信道估計衝突改錯決策模塊(channelestimatorcollisioncorrectiondecision,ce/cc決策模塊)222和自適應解調解碼模塊，自適應解調解碼模塊包括自適應解調單元223和自適應解碼單元224，所述mac層201包括mac重傳歷史模塊(mrh)211和前數據包選擇器(pps)212。
1、調製方式選取
表1給出依據hughes-hartogs算法(hughes-hartogsalgorithm,hha)進行自適應調製時算法切換閾值的實例，該實例中子載波調製以mqam技術為主。圖2所示為自適應hha自適應調製的算法流程圖。在該流程圖中，將ofdm符號作為接收端的輸入值，並讓ofdm符號在awgn信道中傳輸，接收端的信道估計模塊通過計算snr的瞬時值，依據表1所示的自適應調製切換閾值，進行對應的自適應調製。
表1
2、數據傳輸
上述d2d通信衝突改錯跨層自適應系統在應用過程中包括以下步驟：
步驟1：d2d接收節點進行信道估計，並將信道參數通過反饋信道發送給d2d發送節點。
步驟2：d2d發送節點獲取各個子載波的信道參數，並進行ofdm自適應調製。
步驟3：d2d發送節點發送數據包，並在信道中進行傳輸。
步驟4：數據包在d2d接收節點移除cp、串並轉化，並進行fft。
d2d接收節點中fft模塊將時域的接收信息xn,k轉換頻域的信息yn,k，
yn,k＝hn,k·xn,k+wn,k
式中，0≤n≤ns，ns為物理層ofdm的符號，k表示第k個子載波，hn,k為信道的復頻率響應，wn,k為第n個ofdm符號，第k個子載波的加性高斯白噪聲。
步驟5：進行fft之後的數據存入crh中，以用於當進行安全消息改錯時提供存入的數據。
步驟6：在mac重傳歷史、pps模塊的幫助下，ce/cc決策模塊直接進行信道均衡處理或執行衝突改錯後再進行信道均衡處理。
信道均衡處理包括信道估計和信道均衡。
信道估計採用導頻估計，訓練符號採用bpsk調製，前兩個ofdm接收符號分別使用一個導頻序列xce，信道估計的過程為：
式中，y1,y2分別代表前兩個ofdm接收符號，假設信道為時不變信道，即
信道均衡模塊根據接收到的信息yn,k和信道估計得到的計算得出即
衝突改錯，是自適應系統模型的核心。該當數據包在d2d節點的mac層發生數據衝突時，ce/cc決策模塊做出衝突改錯的決策，利用算法進行數據包的衝突改錯。
假設d2d節點接收到的數據包為y，分別從兩個發送節點接收到的數據包為y1和y2，由於d2d發送節點同時發送數據包，造成數據包在d2d接收節點的mac層發生衝突。
式中，x1,x2分別表示d2d發送節點發送的數據包，h1、h2分別表示兩個d2d發送節點到接收節點的信道的復頻率響應。我們假定x2為衝突中需要恢復的數據包，x1、h1已經在d2d接收節點中的crh有相應的存儲信息。
當忽略高斯白噪聲的影響時，上式可以簡化為：
由上式可知，若要恢復出x2，則需要計算出h2：
式中，xce為導頻序列，分別為接收節點的導頻估計的信道的復頻率響應，分別為兩個發送節點的導頻估計的信道的復頻率響應,分別為聯合接收節點和一發送節點及聯合接收節點和另一發送節點之間導頻估計的信道的復頻率響應。
所以，當需要恢復出x2時，
式中，y為d2d接收節點接收到的數據包，x1,h1為d2d接收節點中crh模塊存儲的上個時刻的信息，而由導頻信息可以計算得來，因此可以對衝突的數據包進行衝突改錯。
步驟7：d2d接收節點根據d2d發送節點發送的調製信息，進行自適應解調、解碼、mac層crc校檢、解碼等。
3、應用
如圖3所示，為本發明的一種場景模型，圖中d2d節點a已經在上一個時隙給d2d節點b傳輸了一個數據包，在下一個時隙，假設d2d節點a和c同時給b發送數據包，此時數據包發送衝撞，b收到a和c衝突後的數據包。具體的實際情況涉及到三種不同的場景，圖4所示為三個應用場景的示例圖，該示例圖清晰明了的表明了三個應用場景的關係以及d2d節點mac層和phy層進行標準信道估計信道均衡和衝突改錯的機制。
場景1：一個時隙一個傳輸，無衝突發生
步驟(1)，d2d節點a通過無線介質發送數據包給節點b。
步驟(2)，d2d節點b的物理層發現到來的數據包並檢查mrh。如果沒有威脅或者重傳信息在mrh中，使用ofdm物理層標準的信道估計，否則見場景2。
步驟(3)，d2d節點b物理層接收從節點a發送的數據包，並將數據包存儲在crp中。
步驟(4)，d2d節點b的mac層接收物理層的數據包並檢查數據包頭，因為mrh中沒有記錄，故發現沒有潛在的衝突威脅。從此時刻開始，d2d節點a一直發送k時刻的數據包，故節點b記錄第k時隙的信息在mrh中。
場景2：有過去時隙的信息，有衝突發生
步驟(1)，d2d節點a和c同時發送數據包。
步驟(2)，d2d節點b的物理層發現到來的數據包並檢查mrh，發現mrh中有節點a發送的數據包，故發現了一個衝突威脅。節點b利用pps提供mrh信息，ce/cc決策模塊做出用物理層的衝突改錯機制決策。
步驟(3)，d2d節點b物理層接收從節點a發送的數據包，並將數據包存儲在crp中。
步驟(4)，d2d節點b的mac層接收物理層通過恢復得到改錯後的數據包並檢查數據包頭，為提高mac層自適應預測和控制將來的數據包衝突打下基礎。
場景3：無過去時隙信息，有衝突發生
步驟同場景1的基本步驟，此時沒有跨層信息的存儲，該跨層自適應結構無法發揮其作用。
如圖3場景模型所示，假設d2d節點b接收到的數據包為y，分別從節點a和節點c接收到的數據包為y1和y2，由於d2d節點a和c同時發送數據包，造成數據包在d2d節點b的mac層發生衝突。
式中為考慮噪聲對信號的影響，x1表示d2d節點a發送的數據包，x2表示d2d節點c發送的數據包，我們假定x2為衝突中需要恢復的數據包，x1、h1已經在d2d節點b中的crh有相應的存儲信息。
由式(1)可知，若要恢復出x2，則需要計算出h2。
所以，當需要恢復出x2時，
由式(3)可知，y為d2d節點b接收到的數據包，x1、h1為d2d節點b中crh模塊存儲的上個時刻的信息，而由導頻信息可以計算得來，這就是結合具體實施方式的d2d通信安全消息衝突改錯的算法原理。
本發明提供了基於d2d安全消息的跨層自適應結構，具有很大的創造性，為提高d2d通信安全消息的可靠性提供了發明來源，為未來高可靠5g通信提供了一個創新的系統結構。本發明具有高度的發明價值和產業化價值。
上述實施例僅用於說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人員皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行擴展或者修改。因此，凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想的條件下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。