CN101674281A - 一种基于信道环境判决的导频图案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道环境判决的导频图案设计和信道估计方法。在上述方法中，首先，根据发射机发送的短训练序列估计载波频偏量，并将该载波频偏量与预先设定的门限值进行比较，如果该载波频偏超过预设的门限值，表明收发双方的相对速度较快，信道的时间选择性衰落较为严重，信道变化剧烈，通过MAC层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发送的信号导频的结构；如果频偏估计小于预设的门限值，表明收发双方的相对速度较慢，此时，根据长训练序列进行信道估计，当信道估计的结果含有三个以上超过预设门限的回波，或者两个很接近的超过某门限的回波，表明信道的频率选择性衰落较为严重，信道变化剧烈，则通过MAC层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发送的信号导频的结构。上述方法既能解决由于快速移动而产生的信道估计误差过大以及解调不准的问题，又能克服存在多径效应时的情况，对于在旷野中高速公路上或者高楼林立的城市中行进的车辆来说特别适用。

Description

一种基于信道环境判决的导频图案设计方法

技术领域

本发明属于信息的传输领域，特别是因特网、数据通讯、数字电视、数字广播中的信息传输技术。

背景技术

车载网络的一个重要任务就是能够提供越来越高的计算复杂度。随着适合车载无线通讯的服务和应用的不断涌现，对车载设备间无线通信的可靠性、快速响应和安全性提出了要求。美国无线电管理委员会已经分配了专用的频段以增强交通系统的可靠稳定通讯的需求。从网络的观点看，需要一个框架去衡量和评估无线传输系统。IEEE工作组已经起草了802.11p的草案以补充802.11x系列协议，增加对车载无线存取网络的支持。该标准将定义专门设计的传输帧，以保证在快速移动的信道环境中可靠、安全传输信息，以及保证传输音视频的QOS.

为了确切说明背景技术，现对几个专有名词进行解释：

DSRC：专用短程通讯协议。DSRC是中短程距离的通讯服务，支持ITS频谱(5.85-5.925GHz)范围内专有或者公共的通信业务。它支持车载设备间以及车载设备和路上基站设备间的通讯，提供高速数据传输，最小化通讯链接的建立延迟，以及建立基于各个通讯设备和基站间的子网络。

WAVE：车载环境中的无线存取。它是一种在DSRC频段内支持802.11设备间的操作模式。它基于IEEE1609标准族，符合其定义的架构，通讯模型，管理结构，安全性以及物理存取特性以用于车辆间的无线存取。其主要的架构组成部分是路上设备(基站)和车载移动台，以及它们之间的无线存取接口。

IEEE 802.11p/1609：是在车载无线通讯网络中出现和正在完善中的一种标准，其目的在于为车载无线电通信提供一种解决方案。它修订了IEEE 802.11-2007标准，定义了一种基于车载环境中的无线存取模式；并包含了IEEE1609标准族。在物理层，802.11p完善了802.11a的物理层功能，使用OFDM的调制方式；从其传输帧的结构中能够发现包含有长和短的训练序列，以及在频域传输数据的子载波固定位置插入导频；这些都是为了能够满足高速移动下的稳定数据接收。

在无线信道中，当收发双方存在相对快速运动时，会存在因多普勒频移引起的时间选择性衰落；当接收机在处高楼林立的环境中时，会存在多径效应并由此产生频率选择性衰落。对于车载无线系统来说，由于车辆经常在市区或者高速公路上运行，这两种情况都是非常常见的。如果系统没有很好地完成多普勒频移的校正，或者没有对多径信道进行精确地信道估计和信道补偿，将会严重影响系统性能。这时时间选择性衰落和频率选择性衰落会导致信道环境剧烈变化，这个时候需要先进的信道估计算法完成补偿以保证稳定接收。

802.11p使用OFDM作为其调制方式。由于OFDM中引入了循环保护间隔，可以在接收机中采用简单的频域均衡消除多普勒效应带来的时间选择性衰落以及多径干扰。OFDM的频域均衡必须知道每个子载波上准确的信道频率响应。因此，在OFDM均衡之前，必须先进行信道估计，信道估计的准确度将直接决定接收机的工作性能。目前802.11p物理层同802.11a一样，它采用基于频域离散导频和时序长训练序列的信道估计方法。

当前使用的物理层对于车载系统来说存在着如下缺陷：首先，在高速公路上行驶并进行通讯的车辆会有很大的相对速度；这样会产生较大的多普勒频移并导致严重的时间选择性衰落。然而对于目前802.11a的物理层来说，在两个时域长训练序列之后，仅存在梳状导频，因此难以应对由于严重的时间选择性衰落导致的信道剧烈变化，将产生严重的误码或者通信失败，必须进行信道跟踪或者采用先进的信道估计方法进行信道补偿；其次，在高楼林立的市区里通信时，会存在多径衰落。虽然梳状导频可以起到一定程度的对抗频率选择性衰落的作用，但是在多径效应特别大，而且同时存在多普勒频移极端恶劣信道的情况下，通信将失败，这时需要由接收机通知发射机这一信道信息以便重新通讯。

目前的文献讨论最多的是使用反馈方法进行信道跟踪：使用解映射之后的信号再进行映射之后得到的信号反馈回去，或者解映射之后的信号再进行映射、交织、维特比编码之后再判决反馈的方法进行信道跟踪。这些方法的性能随着使用硬件设备量的增加而提升；然而在设计实际的系统时，必须在考虑性能的同时，对实现的复杂度进行折中。另外，拥有复杂反馈部件的系统将会存在延迟的问题，这样会导致信道估计的结果不精确，进而影响性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种根据对信道的多普勒频移的计算，以及对多径信道的估计来设计自适应的导频图案的方法，该方法包括以下步骤：

首先，接收机基于发射机发射的短训练序列初步估计载波频偏量并进行同步；基于发射机发射的已知的长训练序列精确估计载波频偏量；其次，接收机将估计所得到的载波频偏量与预设的门限值进行比较，当频偏量大于该门限值时，或者接收机当信道估计的结果含有三个以上超过预设门限的回波，或者两个很接近的超过某门限的回波时，通过MAC层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发射信号导频的结构，将子载波导频图案变为网状结构，而且根据计算得到的多普勒频移大小，自适应地调节网状结构的导频中不含导频的符号的个数，从而可以达到传送效率的最优化；最后，发射机根据从MAC层应答帧控制域相应比特接收到的指示(通过在802.11p的MAC层应答帧的帧头部分的控制域的00类型，0110子类型的相应预留的比特处置1)改变发射信号导频的结构。这里仅仅使用了MAC层应答帧的帧头预留部分1个比特，即使信道存在严重的衰落，这1个比特失败解码的概率仍然很小，这样就你保证了系统的稳定性。

附图说明

图1为802.11p物理层同步头说明。

图2为802.11p中MAC层的帧格式说明。

图3为802.11p MAC层帧的控制域说明。

图4IEEE802.11数据帧的PPDU格式

图5为原始与改进后的导频图案。图5(a)为原始802.11导频图，图5(b)为改进后的导频图。可以看到5(b)中离散导频间隔一个符号，且导频位置有规律变化。

图6为帧控制域中有效的类型和子类型，用来设置接收端信道信息以便通知发射机作相应导频变化或重传的切换。

图7为典型的导频图案，包括7(a)块状导频，7(b)梳状导频，7(c)离散导频。

图8为导频插值和信道估计过程。

图9为本发明中根据信道环境进行导频图案切换和处理的流程。

具体实施方式

对于802.11p物理层，如图1所示，发射机会首先发射已知的短的训练序列t1到t10，用来进行信号检测，自动增益控制，粗频偏估计和采样时钟同步。而后，经过循环前缀GI2之后，发射机会发射已知的长的训练序列以便于接收机进行信道估计和载波频偏精估计。由于当发射机和接收机相对速度很快时，接收机会因多普勒效应而存在较大的载波频偏，这个载波频偏f_d会对接收性能产生严重的影响。该载波频偏f_d与接收机和发射机之间的相对速度v成正比，于是我们可以根据在接收机接收已知序列t8-t10时进行粗频偏估计，得到频偏粗估计值f_d_coarse，对应于一定的相对速度设定一个频偏的门限threshold_f_d，若f_d_coarse超过这个threshold_f_d，则认为相对速度很快，多普勒效应会导致信道变化剧烈，这时需要改变发射的导频图案以便于稳定可靠接收。若f_d_coarse没超过这个threshold_f_d，则认为相对速度不快，不会存在因多普勒效应而产生信道的时间选择性衰落。

经过循环前缀GI2之后，接收机会根据已知的长的训练序列T1进行信道估计.

在旷野中，信道估计的结果可能是只有一个主径，其从径很小；而在城市里，信道估计的结果不仅含有主径，而且有从径；从径的功率比较明显并且可能不止一条。这时，需要设置门限对所有的径进行判决：如果不存在超过某个门限的从径，则认为信道频率选择性衰落不明显；如果从径存在一条而且其能量超过某个门限，则认为此时信道存在一般性频率选择性衰落；如果超出门限的从径有若干条或者(而且)存在接近0dB的从径，则认为信道存在严重的频率选择性衰落。现在的802.11p版本使用梳状导频，能够克服多径效应引起的信道频率选择性衰落。

在判决出当前存在严重的时间选择性衰落的情况时，需要在不增加导频子载波数量的前提下，改进802.11p的物理层协议，改变发射机发射的导频图案。具体的图案设计还要参考对于当前信道频率选择性衰落程度的判断。当信道频率选择性衰落不明显时，使用块状导频；当信道存在一般性频率选择性衰落时，将之前的802.11a物理层固定的子载波导频图案变为网状结构，如图2所示。这种网状结构的导频在快速变化信道中有着良好的信道跟踪性能(具体的网状导频结构要符合根据实际的时间选择性衰落的程度)。在使用T2时间段的连续导频获得最初的信道估计值之后，接收机使用离散导频对接收的后续数据符号进行频域插值，得到相应于当前符号的信道估计值，然后再对这个频域信道估计值取倒数，按照逐个子载波地对接收到的信号进行加权，从而能够完整恢复剧烈变化信道中的接收数据。具体插值和信道估计过程参见图8所示。接收机在进行完毕信道估计和校正之后，会将恢复得到的数据填在原先的导频子载波处，以节省空间。在极端情况下，如果同时存在严重的频率和时间选择性衰落时，则信道的环境非常恶劣，无法有效通讯。

接收机在判断出当前信道存在严重的时间选择性衰落而且存在多径效应时，会将该信息传送给发射机以便发射机能够改变发射的导频图案或其他控制。在本发明中规定接收机确定使用块状导频后，将802.11p的MAC层应答帧的帧头部分的控制域的00类型，0110子类型的相应预留的比特(具体位置如图3所示)处置1；若确定使用网状导频，则在子类型0111的相应预留的比特置1，然后发射给发射机。发射机从MAC应答帧控制域接收到该预留的比特之后，会判断此时信道的环境的特点，在发送数据信息时会改变离散导频的图案以便于接收机能够进行正确的信道估计，完整恢复出发射的数据。若接收机判定此时信道环境非常恶劣，则在子类型1110的相应预留的比特置1；发射机在检测到相应信息后会重新发送数据帧。原始的导频图案是基于802.11p物理层草案的；设计的新的导频图案如图5(b)所示：参考x轴，在长训练序列(块状导频)之后，不像原始的图案那样是梳状导频，而是网状的。具体的，在第一个数据符号里的第-21，-7，7，21子载波(参考y轴)为离散导频；第二个数据符号里不使用导频；第三个符号里的第-20，-6，8，22子载波为离散导频，依次类推。这样设计的好处是：数据偶数符号不使用导频，可以提高数据传送效率；采用网状结构的导频图案既可抗时间选择性衰落，又能对抗频率选择性衰落。另外，不含有导频的间隔符号个数可以因多普勒频移的减小而增加，因此进一步地增加了通信效率。进一步的，可以根据计算得到的多普勒频移大小，以及前文提到的导频图案的平衡设计准则自适应调节x轴方向上的导频间隔。于是，在原始802.11p导频图案的基础上改进图案的设计既能够保证协议的平缓继承和过渡，又能在不牺牲传输效率的前提下大大提高车载无线系统对抗时间选择性衰落的能力。同时，由于可以对块状导频后的所有的符号进行逐个的信道估计和均衡，就无需像没有更改的导频图案那样，为了均衡的准确性需要对块状导频后的每一个符号进行判决反馈均衡，省下了映射交织和维特比编码的工作，可以减少用于这些功能的硬件量以及由此而致的系统延迟.

如果在T1时刻结束时，在T2时刻起始没有检测出信道的时间选择性衰落，则无论是否存在多径效应，此时就进行类似于802.11a物理层的处理方式(使用块状导频)：接收机在MAC层应答帧的帧头部分的控制域的00类型，0110子类型的相应预留的比特处置1；在整个T2时刻使用已知的长训练序列即块状导频进行信道估计；在T2以及紧接着的SIGNAL之后的数据符号传输中，根据块状导频估计的结果，使用基于维特比判决反馈的方法进行信道跟踪。同时在数据符号的接收时使用固定的梳状导频进行恒定相位校正和ICI补偿，以便于消除相位噪声。

该导频切换和调整方案的缺点是具有一定反馈时延，且使系统复杂度有所提高。反馈时延取决于服务小区半径的大小，本文中的OFDM系统的符号周期为4μs(其中包括循环前缀)，电磁波在一个OFDM符号内可以传输的距离为1.2km(往返路程)，因此考虑的车辆间通讯的半径可以为600m左右，导频图案的调整只延时一个OFDM符号，这对系统信道估计的性能影响较小，可以忽略不计。系统复杂度提高使得系统性能有较大改善，因而也是值得的。

在时变的信道中，接收端采用相同的信道估计算法时，若发送端采用固定的块状和梳状导频，其性能比较接近。采用自适应导频图案时，信道估计后的误码率比固定导频有较大幅度提高。导致误码率较大差别的原因在于，固定导频图案只能适用于某种信道，而无线通信中的信道环境是会发生变化的，此时固定导频因为与实际信道发生失配而导致系统性能下降，而根据信道变化主动地调整导频图案，使导频图案在任何时刻几乎与当前信道匹配，从而可以提高信道估计精度，

降低系统的误码率。

在实际仿真以及后续的演示系统测试中，证明了提出的改变导频发送图案方法的效果和实用性。在实测高速公路上400Hz的多普勒频移环境下，使用原来梳状导频发送图案的时候在信噪比15dB时，其PER为0.03，而使用改变图案的离散导频时，在同样的环境下其PER为0.01。使用巴西信道C仿真城市中高楼密集的通讯环境下时，使用使用原来梳状导频发送图案的时候在信噪比15dB时，其PER为0.05，而使用改变图案的离散导频时，在同样的环境下其PER为0.014。

Claims (6)

1.一种基于信道环境判决的导频图案设计方法，应用于车载通信系统，该方法包括以下步骤：

1)基于发射机发射的短训练序列初步估计载波频偏量并进行同步；

2)基于发射机发射的已知的长训练序列精确估计载波频偏量；

3)将估计所得到的载波频偏量与预设的门限值进行比较；

4)当频偏量大于该门限值时，通过MAC层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发射信号导频的结构；

5)发射机根据接收到的MAC层应答帧控制域相应比特指示改变发射信号导频的结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当步骤3)中比较的结果为估计的频偏量小于门限值时，则执行以下步骤：

a.接收机会根据已知的长的训练序列以进行信道估计

b.当信道估计的结果含有三个以上超过预设门限的回波，或者两个很接近的超过某门限的回波时，通过MAC层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发射信号导频的结构；

c.执行所述步骤5)。

3.根据权利要求1至2所述的方法，其特征在于：所述改变发射信号导频的结构具体为将子载波导频图案变为网状结构。

4.根据权利要求1至3所述的方法，其中通过MAC层控制域相应比特指示发射机改变发射信号导频的结构的步骤具体为：通过在802.11p的MAC层应答帧的控制域的00类型，0110子类型的相应预留的比特处置1。

5.根据权利要求1至4所述的方法，其中，改变的导频图案与现有的导频图案兼容。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，根据计算得到的多普勒频移大小，自适应地调节网状结构的导频中不含导频的符号的个数，从而可以达到传送效率的最优化。

Images