一種基於信道環境判決的導頻圖案設計方法
2023-05-12 23:57:36
專利名稱：一種基於信道環境判決的導頻圖案設計方法
技術領域：
本發明屬於信息的傳輸領域，特別是網際網路、數據通訊、數位電視、數字廣播中的信息 傳輸技術。
背景技術：
車載網絡的一個重要任務就是能夠提供越來越高的計算複雜度。隨著適合車載無線通訊 的服務和應用的不斷湧現，對車載設備間無線通信的可靠性、快速響應和安全性提出了要求。 美國無線電管理委員會已經分配了專用的頻段以增強交通系統的可靠穩定通訊的需求。從網 絡的觀點看，需要一個框架去衡量和評估無線傳輸系統。IEEE工作組已經起草了 802. llp的 草案以補充802. llx系列協議，增加對車載無線存取網絡的支持。該標準將定義專門設計的 傳輸幀，以保證在快速移動的信道環境中可靠、安全傳輸信息，以及保證傳輸音視頻的QOS.
為了確切說明背景技術，現對幾個專有名詞進行解釋
DSRC:專用短程通訊協議。DSRC是中短程距離的通訊服務，支持ITS頻譜(5. 85-5. 925GHz) 範圍內專有或者公共的通信業務。它支持車載設備間以及車載設備和路上基站設備間的通訊， 提供高速數據傳輸，最小化通訊連結的建立延遲，以及建立基於各個通訊設備和基站間的子 網絡。
WAVE:車載環境中的無線存取。它是一種在DSRC頻段內支持802. 11設備間的操作模式。 它基於IEEE1609標準族，符合其定義的架構，通訊模型，管理結構，安全性以及物理存取特 性以用於車輛間的無線存取。其主要的架構組成部分是路上設備(基站)和車載移動臺，以
及它們之間的無線存取接口。
IEEE 802. 11p/1609:是在車載無線通訊網絡中出現和正在完善中的一種標準，其目的在 於為車載無線電通信提供一種解決方案。它修訂了 IEEE 802. 11-2007標準，定義了一種基於 車載環境中的無線存取模式；並包含了 IEEE1609標準族。在物理層，802. llp完善了 802. lla 的物理層功能，使用OFDM的調製方式；從其傳輸幀的結構中能夠發現包含有長和短的訓練序 列，以及在頻域傳輸數據的子載波固定位置插入導頻；這些都是為了能夠滿足高速移動下的 穩定數據接收。
在無線信道中，當收發雙方存在相對快速運動時，會存在因都卜勒頻移引起的時間選擇性衰落；當接收機在處高樓林立的環境中時，會存在多徑效應並由此產生頻率選擇性衰落。對於車載無線系統來說，由於車輛經常在市區或者高速公路上運行，這兩種情況都是非常常見的。如果系統沒有很好地完成都卜勒頻移的校正，或者沒有對多徑信道進行精確地信道估計和信道補償，將會嚴重影響系統性能。這時時間選擇性衰落和頻率選擇性衰落會導致信道環境劇烈變化，這個時候需要先進的信道估計算法完成補償以保證穩定接收。
802.11p使用OFDM作為其調製方式。由於OFDM中引入了循環保護間隔，可以在接收機中採用簡單的頻域均衡消除都卜勒效應帶來的時間選擇性衰落以及多徑幹擾。OFDM的頻域均衡必須知道每個子載波上準確的信道頻率響應。因此，在OFDM均衡之前，必須先進行信道估計，信道估計的準確度將直接決定接收機的工作性能。目前802.11p物理層同802.11a一樣，它採用基於頻域離散導頻和時序長訓練序列的信道估計方法。
當前使用的物理層對於車載系統來說存在著如下缺陷首先，在高速公路上行駛並進行通訊的車輛會有很大的相對速度；這樣會產生較大的都卜勒頻移並導致嚴重的時間選擇性衰
落。然而對於目前802.11a的物理層來說，在兩個時域長訓練序列之後，僅存在梳狀導頻，因此難以應對由於嚴重的時間選擇性衰落導致的信道劇烈變化，將產生嚴重的誤碼或者通信失敗，必須進行信道跟蹤或者採用先進的信道估計方法進行信道補償；其次，在高樓林立的市區裡通信時，會存在多徑衰落。雖然梳狀導頻可以起到一定程度的對抗頻率選擇性衰落的作用，但是在多徑效應特別大，而且同時存在都卜勒頻移極端惡劣信道的情況下，通信將失敗，這時需要由接收機通知發射機這一信道信息以便重新通訊。
目前的文獻討論最多的是使用反饋方法進行信道跟蹤使用解映射之後的信號再進行映射之後得到的信號反饋回去，或者解映射之後的信號再進行映射、交織、維特比編碼之後再判決反饋的方法進行信道跟蹤。這些方法的性能隨著使用硬體設備量的增加而提升；然而在設計實際的系統時，必須在考慮性能的同時，對實現的複雜度進行折中。另外，擁有複雜反饋部件的系統將會存在延遲的問題，這樣會導致信道估計的結果不精確，進而影響性能。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明提出了一種根據對信道的都卜勒頻移的計算，以及對多徑信道的估計來設計自適應的導頻圖案的方法，該方法包括以下步驟
首先，接收機基於發射機發射的短訓練序列初步估計載波頻偏量並進行同步；基於發射機發射的已知的長訓練序列精確估計載波頻偏量；其次，接收機將估計所得到的載波頻偏量與預設的門限值進行比較，當頻偏量大於該門限值時，或者接收機當信道估計的結果含有三個以上超過預設門限的回波，或者兩個很接近的超過某門限的回波時，通過MAC層應答幀控制域相應比特指示發射機改變發射信號導頻的結構，將子載波導頻圖案變為網狀結構，而且根據計算得到的都卜勒頻移大小，自適應地調節網狀結構的導頻中不含導頻的符號的個數，從而可以達到傳送效率的最優化；最後，發射機根據從MAC層應答幀控制域相應比特接收到的指示(通過在802.11p的MAC層應答幀的幀頭部分的控制域的00類型，OllO子類型的相應預留的比特處置1)改變發射信號導頻的結構。這裡僅僅使用了 MAC層應答幀的幀頭預留部分l個比特，即使信道存在嚴重的衰落，這l個比特失敗解碼的概率仍然很小，這樣就你保證了系統的穩定性。
圖1為802.11p物理層同步頭說明。圖2為802.llp中MAC層的幀格式說明。圖3為802.lip MAC層幀的控制域說明。圖4正EE802.11數據幀的PPDU格式
圖5為原始與改進後的導頻圖案。圖5(a)為原始802.11導頻圖，圖5(b)為改進後的導頻圖。可以看到5(b)中離散導頻間隔一個符號，且導頻位置有規律變化。
圖6為幀控制域中有效的類型和子類型，用來設置接收端信道信息以便通知發射機作相應導頻變化或重傳的切換。
圖7為典型的導頻圖案，包括7(a)塊狀導頻，7(b)梳狀導頻，7(c)離散導頻。圖8為導頻插值和信道估計過程。
圖9為本發明中根據信道環境進行導頻圖案切換和處理的流程。
具體實施例方式
對於802.11p物理層，如圖1所示，發射機會首先發射已知的短的訓練序列tl到t10，用來進行信號檢測，自動增益控制，粗頻偏估計和採樣時鐘同步。而後，經過循環前綴GI2之後，發射機會發射已知的長的訓練序列以便於接收機進行信道估計和載波頻偏精估計。由於當發射機和接收機相對速度很快時，接收機會因都卜勒效應而存在較大的載波頻偏，這個載波頻偏力會對接收性能產生嚴重的影響。該載波頻偏/d與接收機和發射機之間的相對速度v成正比，於是我們可以根據在接收機接收已知序列t8-U0時進行賴頻偏估計，得到頻偏粗估計值人—"^"",對應於一定的相對速度設定一個頻偏的門限^"^^"一力，若《一"^^超過這個^"e^^"—力，則認為相對速度很快，都卜勒效應會導致信道變化劇烈，這時需要改變發射的導頻圖案以便於穩定可靠接收。若力-CoaMe沒超過這個仏"s^似—力，則認為相對速度不快，不會存在因都卜勒效應而產生信道的時間選擇性衰落。
經過循環前綴GI2之後，接收機會根據已知的長的訓練序列Tl進行信道估計.
在曠野中,信道估計的結果可能是只有一個主徑,其從徑很小；而在城市裡，信道估計的結
5果不僅含有主徑，而且有從徑；從徑的功率比較明顯並且可能不止一條。這時，需要設置門限對所有的徑進行判決如果不存在超過某個門限的從徑，則認為信道頻率選擇性衰落不明顯;如果從徑存在一條而且其能量超過某個門限,則認為此時信道存在一般性頻率選擇性衰落；如果超出門限的從徑有若干條或者(而且)存在接近0dB的從徑，則認為信道存在嚴重的頻率選擇性衰落。現在的S02.11p版本使用梳狀導頻，能夠克服多徑效應引起的信道頻率選擇性衰落。
在判決出當前存在嚴重的時間選擇性衰落的情況時，需要在不增加導頻子載波數量的前提下，改進802.11p的物理層協議，改變發射機發射的導頻圖案。具體的圖案設計還要參考對於當前信道頻率選擇性衰落程度的判斷。當信道頻率選擇性衰落不明顯時，使用塊狀導頻；當信道存在一般性頻率選擇性衰落時，將之前的802.11a物理層固定的子載波導頻圖案變為網狀結構，如圖2所示。這種網狀結構的導頻在快速變化信道中有著良好的信道跟蹤性能(具體的網狀導頻結構要符合根據實際的時間選擇性衰落的程度)。在使用T2時間段的連續導頻獲得最初的信道估計值之後，接收機使用離散導頻對接收的後續數據符號進行頻域插值，得到相應於當前符號的信道估計值，然後再對這個頻域信道估計值取倒數，按照逐個子載波地對接收到的信號進行加權，從而能夠完整恢復劇烈變化信道中的接收數據。具體插值和信道估計過程參見圖8所示。接收機在進行完畢信道估計和校正之後，會將恢復得到的數據填在原先的導頻子載波處，以節省空間。在極端情況下，如果同時存在嚴重的頻率和時間選擇性衰落時，則信道的環境非常惡劣，無法有效通訊。
接收機在判斷出當前信道存在嚴重的時間選擇性衰落而且存在多徑效應時，會將該信息傳送給發射機以便發射機能夠改變發射的導頻圖案或其他控制。在本發明中規定接收機確定使用塊狀導頻後，將802.11p的MAC層應答幀的幀頭部分的控制域的00類型，0110子類型的相應預留的比特(具體位置如圖3所示)處置l;若確定使用網狀導頻，則在子類型Olll的相應預留的比特置l,然後發射給發射機。發射機從MAC應答幀控制域接收到該預留的比特之後，會判斷此時信道的環境的特點，在發送數據信息時會改變離散導頻的圖案以便於接收機能夠進行正確的信道估計，完整恢復出發射的數據。若接收機判定此時信道環境非常惡劣，則在子類型1110的相應預留的比特置1;發射機在檢測到相應信息後會重新發送數據幀。原始的導頻圖案是基於802.11p物理層草案的；設計的新的導頻圖案如圖5(b)所示參考x軸，在長訓練序列(塊狀導頻)之後，不像原始的圖案那樣是梳狀導頻，而是網狀的。具體的，在第一個數據符號裡的第-21， -7， 7， 21子載波(參考y軸)為離散導頻；第二個數據符號裡不使用導頻；第三個符號裡的第-20， -6， 8， 22子載波為離散導頻，依次類推。這樣設計的好處是數據偶數符號不使用導頻，可以提高數據傳送效率；採用網狀結構的導頻圖案既可抗時間選擇性衰落，又能對抗頻率選擇性衰落。另外，不含有導頻的間隔符號個數可以因都卜勒頻移的減小而增加，因此進一步地增加了通信效率。進一步的，可以根據計算得到的都卜勒頻移大小，以及前文提到的導頻圖案的平衡設計準則自適應調節X軸方向上的導頻間隔。於是，在原始S02.11p導頻圖案的基礎上改進圖案的設計既能夠保證協議的平緩繼承和過渡，又能在不犧牲傳輸效率的前提下大大提高車載無線系統對抗時間選擇性衰落的能力。同時,由於可以對塊狀導頻後的所有的符號進行逐個的信道估計和均衡,就無需像沒有更改的導頻圖案那樣，為了均衡的準確性需要對塊狀導頻後的每一個符號進行判決反饋均衡,省下了映射交織和維特比編碼的工作，可以減少用於這些功能的硬體量以及由此而致的系統延遲.
如果在T1時刻結束時，在T2時刻起始沒有檢測出信道的時間選擇性衰落，則無論是否存在多徑效應，此時就進行類似於802.11a物理層的處理方式(使用塊狀導頻)接收機在MAC層應答幀的幀頭部分的控制域的00類型，0110子類型的相應預留的比特處置1;在整個T2時刻使用已知的長訓練序列即塊狀導頻進行信道估計；在T2以及緊接著的SIGNAL之後的數據符號傳輸中，根據塊狀導頻估計的結果，使用基於維特比判決反饋的方法進行信道跟蹤。同時在數據符號的接收時使用固定的梳狀導頻進行恆定相位校正和ICI補償，以便於消除相位噪聲。
該導頻切換和調整方案的缺點是具有一定反饋時延，且使系統複雜度有所提高。反饋時延取決於服務小區半徑的大小，本文中的OFDM系統的符號周期為4/A (其中包括循環前綴)，電磁波在一個OFDM符號內可以傳輸的距離為1.2km(往返路程)，因此考慮的車輛間通訊的半徑可以為600m左右，導頻圖案的調整隻延時一個OFDM符號，這對系統信道估計的性能影響較小，可以忽略不計。系統複雜度提高使得系統性能有較大改善，因而也是值得的。
在時變的信道中，接收端採用相同的信道估計算法時，若發送端採用固定的塊狀和梳狀導頻，其性能比較接近。採用自適應導頻圖案時，信道估計後的誤碼率比固定導頻有較大幅度提高。導致誤碼率較大差別的原因在於，固定導頻圖案只能適用於某種信道，而無線通信中的信道環境是會發生變化的，此時固定導頻因為與實際信道發生失配而導致系統性能下降，而根據信道變化主動地調整導頻圖案，使導頻圖案在任何時刻幾乎與當前信道匹配，從而可以提高信道估計精度，降低系統的誤碼率。
在實際仿真以及後續的演示系統測試中，證明了提出的改變導頻發送圖案方法的效果和實用性。在實測高速公路上400Hz的都卜勒頻移環境下，使用原來梳狀導頻發送圖案的時候在信噪比15dB時，其PER為0.03，而使用改變圖案的離散導頻時，在同樣的環境下其PER為O.Ol。使用巴西信道C仿真城市中高樓密集的通訊環境下時，使用使用原來梳狀導頻發送圖案的時候在信噪比15dB時，其PER為0.05，而使用改變圖案的離散導頻時，在同樣的環境下其PER為0.014。
權利要求
1.一種基於信道環境判決的導頻圖案設計方法，應用於車載通信系統，該方法包括以下步驟1)基於發射機發射的短訓練序列初步估計載波頻偏量並進行同步；2)基於發射機發射的已知的長訓練序列精確估計載波頻偏量；3)將估計所得到的載波頻偏量與預設的門限值進行比較；4)當頻偏量大於該門限值時，通過MAC層應答幀控制域相應比特指示發射機改變發射信號導頻的結構；5)發射機根據接收到的MAC層應答幀控制域相應比特指示改變發射信號導頻的結構。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於當步驟3)中比較的結果為估計的頻偏量小於門限值時，則執行以下步驟a. 接收機會根據已知的長的訓練序列以進行信道估計b. 當信道估計的結果含有三個以上超過預設門限的回波，或者兩個很接近的超過某門限的回波時，通過MAC層應答幀控制域相應比特指示發射機改變發射信號導頻的結構；c. 執行所述步驟5)。
3. 根據權利要求1至2所述的方法，其特徵在於所述改變發射信號導頻的結構具體為將子載波導頻圖案變為網狀結構。
4. 根據權利要求1至3所述的方法，其中通過MAC層控制域相應比特指示發射機改變發射 信號導頻的結構的步驟具體為通過在802.11p的MAC層應答幀的控制域的00類型，0110 子類型的相應預留的比特處置1。
5. 根據權利要求1至4所述的方法，其中，改變的導頻圖案與現有的導頻圖案兼容。
6. 根據權利要求3所述的方法，其中，根據計算得到的都卜勒頻移大小，自適應地調節網狀 結構的導頻中不含導頻的符號的個數，從而可以達到傳送效率的最優化。
全文摘要
本發明公開了一種基於信道環境判決的導頻圖案設計和信道估計方法。在上述方法中，首先，根據發射機發送的短訓練序列估計載波頻偏量，並將該載波頻偏量與預先設定的門限值進行比較，如果該載波頻偏超過預設的門限值，表明收發雙方的相對速度較快，信道的時間選擇性衰落較為嚴重，信道變化劇烈，通過MAC層應答幀控制域相應比特指示發射機改變發送的信號導頻的結構；如果頻偏估計小於預設的門限值，表明收發雙方的相對速度較慢，此時，根據長訓練序列進行信道估計，當信道估計的結果含有三個以上超過預設門限的回波，或者兩個很接近的超過某門限的回波，表明信道的頻率選擇性衰落較為嚴重，信道變化劇烈，則通過MAC層應答幀控制域相應比特指示發射機改變發送的信號導頻的結構。上述方法既能解決由於快速移動而產生的信道估計誤差過大以及解調不準的問題，又能克服存在多徑效應時的情況，對於在曠野中高速公路上或者高樓林立的城市中行進的車輛來說特別適用。
文檔編號H04L27/26GK101674281SQ20091020563
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月30日 優先權日2009年9月30日
發明者孫士民, 宋崑崙, 景為平 申請人:南通大學