CN102594765A - 用于车载ofdm通信系统的基带符号映射及解映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车载OFDM通信系统的基带符号映射及解映射方法，映射方法包括以下步骤：将所有子载波分为M个子载波组，每个子载波组由N个子载波组成；在一个OFDM符号时间内存储N个基带符号，遍历所述M个子载波组，在每个子载波组的N个子载波加载所述N个基带符号，形成一个OFDM符号。解映射方法包括以下步骤：收集到一个OFDM符号后，分别从M个子载波组的相应子载波提取基带数据并加以合并，恢复出相应的基带符号。本发明基带符号映射及解映射方法能够提高车载OFDM通信系统在恶劣信道环境下的可靠性。

Description

用于车载OFDM通信系统的基带符号映射及解映射方法

技术领域

本发明涉及基带符号映射及解映射方法，特别是用于车载OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交频分复用)通信系统的基带符号映射方法及解映射方法。

背景技术

近年来，随着人们对智能交通系统日益关注，道路环境中的通信系统设计及可靠性问题得到了越来越多的研究。2010年下半年正式推出的IEEE802.11p标准为道路环境中的通信标准提出了MAC和PHY层规范。该标准基于IEEE802.11标准中OFDM结构的基本设置，作为一个802.11a这种室内通信标准的改进版本，在应对车辆间通信环境时存在潜在的不足。

道路通信环境按收发机类型可分为车辆与路边设施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）信道环境以及车辆对车辆（Vehicle-to-Vehicle，V2V）信道环境。其中前者与传统的蜂窝通信信道有一定的相似之处；而后者则更为复杂，是研究车间通信系统可靠性时的重点研究对象。系统中除了接收机以外，发射机以及一些主要的散射体都可能处于移动状态，且在某些应用环境如高速公路环境中，此移动速度还可达到一个相对较快的程度，一般为100km/h左右；另外，车辆所处的道路环境中各种散射体的情况十分复杂，包括建筑、道路设施、路边树木等都将对信号在发射机与接收机之间的传播造成影响，而且一些研究已经表明，道路环境中存在着较多的漫散射体，这些漫散射体对通信的影响十分显著。

由于以上这些特点，车间通信环境中的多径信道，尤其是V2V信道，与以往人们较为熟悉的蜂窝系统信道或者室内信道都有着显著的区别，可以概括为两点：由通信系统中多种构成因素的高速运动性导致的信道严重的时变性，以及由通信环境中复杂的散射体分布情况造成的复杂的信道衰落特性。

IEEE 802.11p采用了802.11标准中的OFDM结构。与同样采用了OFDM结构、针对室内通信应用需求的IEEE 802.11a标准相比，它根据车间通信需求对一些关键参数进行了修改。发射机的基本结构如图1：数据依次经过扰码、卷积码编码、交织、映射和OFDM调制后得到物理层信号。交织处理用于减轻突发错误带来的影响。OFDM调制利用64点的快速傅里叶逆变换（IFFT）实现，在64个子载波中，52个子载波由携带信息的基带符号组成，11个子载波作为保护间隔以避免子载波间的串扰（ICI），另外一个位于直流分量位置的子载波则置为零值。其中52个携带信息的子载波的具体内容为：48个子载波携带数据，另外4个子载波作为导频。在存在频偏和相位噪声的情况下，导频的引入可使相关检测具有更高的可靠性。经过利用IFFT的调制，为了防止多径效应产生的符号间干扰（ISI），在每个OFDM符号前采用循环前缀的方式设置了保护间隔。接收机的工作过程主要为发射机的逆过程。为了保证接收的可靠性，接收时还需经过自动增益控制（AGC）、定时同步及载波恢复、均衡、信道估计等步骤。

802.11p标准作为适用于车间通信环境的DSRC标准，其物理层结构与面向室内通信需求的802.11a标准相比，主要区别在于为了适应车间通信中较大的多径传播延时等特点，对信道带宽等参数做出修改。但是，由于主要继承了与802.11a标准相同的多种特性，802.11p在解决道路环境中可靠通信这种更为复杂的问题上仍具有诸多潜在的不足。

现有标准在对抗复杂的信道衰落特性、提高系统可靠性方面，可能仍需要从更多角度考虑对系统结构的调整和改进。在时变性严重的车间通信信道尤其是V2V信道环境中，标准采用的OFDM调制结构变得较为脆弱。OFDM结构在提高了频谱利用效率的同时，也带来了对频域中各种失真更为敏感的缺点。而在车间通信信道中，诸如Doppler扩展、相位噪声、频率选择性衰落等不利因素都较为明显。这要求系统在接收端采用多种措施以保证通信的质量。其中十分重要的一项就是信道响应的估计与均衡。为此802.11p标准采用了基于导频辅助的信道估计方案，并同时使用了两种导频，即块状导频和梳状导频。块状导频即每帧的前两个OFDM符号的所有子载波都携带导频信息，用于信道的初始估计。梳状导频通过在每个OFDM符号的子频带中插入导频子载波实现。标准规定的OFDM符号仅使用4个子载波携带导频信息。在接收端首先估计这些导频子载波处的信道响应，然后通过插值获得其他48个数据子载波对应的信道响应并进行相应的均衡操作。

通过分析车间通信遇到的问题可发现，造成系统可靠性下降的根本原因是恶劣的信道环境。当由此使得接收机无法进行准确的信道估计时，可能导致对子载波符号的误判。其中的影响因素包括噪声、信道恢复偏差等。在OFDM中，如果对每个子载波上的这些影响进行单独的分析，当子载波位置处的信道响应无法被准确估计时，可以视为其遭遇了一个无法恢复的严重衰落。为了减轻这种误差的影响，可以采用子载波分组来改进基带符号映射的方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于车载OFDM通信系统的基带符号映射及解映射方法，以提高车载OFDM通信系统在恶劣信道环境下的可靠性。

本发明的总体构思是将原本加载于单一子载波的数据扩散到多个子载波上，在信道编码的基础上对数据进一步引入一定的冗余，以期在某个子载波遭遇不可准确恢复的衰落后仍然可以对数据进行解调。这相当于一种载波层面的重复传输编码。在此基础之上，还可进一步设计携带相关数据的子载波分布，以达到类似于交织的效果。当一个子频带遭遇随机性的衰落导致失真甚至无法恢复时，这种进一步的编码有望提高数据恢复的准确性，减轻衰落的影响。

本发明用于车载OFDM通信系统的基带符号映射方法，包括以下步骤：

将所有子载波分为M个子载波组，每个子载波组由N个子载波组成；

在一个OFDM符号时间内存储N个基带符号，遍历所述M个子载波组，在每个子载波组的N个子载波加载所述N个基带符号，形成一个OFDM符号。

优选地，所述N个基带符号在所述M个子载波组中的加载位置不同。

优选地，所述基带符号映射方法还包括对所述N个基带符号在每个子载波组中的加载位置进行编码的步骤，以达到类似于交织的效果。

本发明用于车载OFDM通信系统的基带符号解映射方法，包括以下步骤：收集到一个OFDM符号后，分别从M个子载波组的相应子载波提取基带数据并加以合并，恢复出相应的基带符号。

本发明通过子载波分组映射对子载波上携带的数据加以调整，来提高车载OFDM通信系统在恶劣信道环境下的可靠性，这种对基带符号映射的改进主要集中于数据操作方面，因此不会对物理层的结构产生较大的影响从而保证了其可用性，同时又使这种改进的系统只需在原802.11p系统的基础上做出少量改动便可实现。 

附图说明

图1为802.11标准中的OFDM发射机的结构示意图。

图2为本发明基带符号映射方法中子载波的结构示意图。

图3为采用本发明基带符号映射方法的一种发射机的结构示意图。

图4为采用本发明基带符号解映射方法的一种接收机的结构示意图。

    图5为本发明解映射方法的一种实现结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图2示出了本发明基带符号映射方法中子载波的结构。如图2所示，本发明用于车载OFDM通信系统的基带符号映射方法，首先将所有子载波分为M组，每组包含N个子载波；在一个OFDM符号时间内存储N个基带符号，遍历所述M个子载波组，在每个子载波组的N个子载波加载所述N个基带符号，形成一个OFDM符号。换言之，在基带符号映射中，各组子载波上将加载相同的一组数据。

在一些较佳的实施例中，所述N个基带符号在所述M个子载波组中的加载位置不同。例如，将基带符号X1分别加载在第1个子载波组的第1个子载波、第2个子载波的第2个子载波、……、第M个子载波组的第M个子载波，将基带符号X2分别加载在第1个子载波组的第2个子载波、第2个子载波的第3个子载波、……、第M个子载波组的第1个子载波。

在一些更佳的实施例中，基带符号映射方法还包括对所述N个基带符号在每个子载波组中的加载位置进行编码的步骤，以达到类似于交织的效果。

与上述基带符号映射方法对应的解映射方法包括以下步骤：收集到一个OFDM符号后，分别从M个子载波组的相应子载波提取基带数据并加以合并，恢复出相应的基带符号。然后进行解调、解交织、译码等后续处理。

由于本映射方法比传统OFDM系统的映射方法引入了更多的数据冗余，在系统中其他部分参数不变的情况下，将会损失一定的数据率。另外，本映射方法将产生额外的接收延时，这主要是由于改进后的系统中用于判决的基带符号为多组子载波中不同子载波所携带数据的合并结果，而该合并过程必须在收集所有相关子载波信息后进行。因此，与传统OFDM系统中每收集到一个符号即可进行基带符号解映射的方法相比，本映射方法的接收延时将数倍于传统系统。考虑车辆以100km/h行驶的情况，在标准规定的一个OFDM符号持续时间6.4us内，车辆行驶的距离仅为0.178mm。即使由于采用本映射方法而使信号接收延时增加数倍，其增加的车辆反应距离与由于驾驶员反应速度等带来的车辆反应距离（一般为十米量级）相比仍可忽略。因此可以认为，即使在某些与车辆行驶安全相关并对系统延时要求较为严格的关键应用中，采用本映射方法带来的系统响应时间的增加并不会对应用的性能带来明显的影响。

从系统实现角度考虑，由于本映射方法实际上只对数据本身进行操作，因此可以在现有802.11p OFDM结构的基础上较为简便的加以实现。利用已经存在的符号同步、载波同步等功能，只需规定统一的子频带间编码规则，并对发射/接收端的相应OFDM符号按照相同的规则对数据进行子载波层面的编码/解码即可。

图3示出了一种采用本发明基带符号映射方法的发射机的结构，如图3所示，该发射机包括卷积码编码器31、交织器32、基带符号映射器33、IFFT34、保护间隔加入模块35，其中，基带符号映射器33是在传统基带符号映射器中增加了子载波分组映射处理模块形成，该子载波分组映射处理模块中存储预设的分组加载方案，用于：将所有子载波分为M个子载波组，每个子载波组由N个子载波组成；并且在一个OFDM符号时间内存储N个基带符号，以供后续M个子载波组加载使用，通过遍历所述M个子载波组，在每个子载波组的N个子载波加载所述N个基带符号，形成一个OFDM符号。

进一步的改进方案包括在子载波间对数据进行编码等操作。通过改变子载波分组映射处理模块中预设的分组加载方案可简单的实现不同编码方式。

图4示出了一种采用本发明基带符号解映射方法的接收机的结构，如图4所示，该接收机包括保护间隔移除模块41、FFT42、基带符号解映射器43、解交织器44、译码器45，其中，基带符号解映射器43是在传统基带符号解映射器中增加了子载波合并处理模块形成，该子载波合并处理模块用于在收集到一个OFDM符号后，分别从M个子载波组的相应子载波提取基带数据并加以合并，恢复出相应的基带符号。合并时，采用的规则与发射机中子载波分组映射处理模块预设的加载规则相对应。利用原系统中已具备的定时同步功能，可以准确的定位一个新的OFDM符号的起止位置。

图5示出了本发明解映射方法的一种实现结构，即一种子载波合并模块。通过图5中所示的结构，可对原基带符号进行恢复。与传统OFDM系统相比，基带符号在传统的解映射处理前先经过合并处理。通过合理的设计子载波分组映射方案并控制其合并过程，可以减轻信道估计不准确造成的系统性能恶化。

Claims (4)

1.一种用于车载OFDM通信系统的基带符号映射方法，其特征在于包括以下步骤：

将所有子载波分为M个子载波组，每个子载波组由N个子载波组成；

在一个OFDM符号时间内存储N个基带符号，遍历所述M个子载波组，在每个子载波组的N个子载波加载所述N个基带符号，形成一个OFDM符号。

2.根据权利要求1所述的基带符号映射方法，其特征在于：所述N个基带符号在所述M个子载波组中的加载位置不同。

3.根据权利要求1所述的基带符号映射方法，其特征在于：还包括对所述N个基带符号在每个子载波组中的加载位置进行编码的步骤。

4.一种用于车载OFDM通信系统的基带符号解映射方法，其特征在于包括以下步骤：收集到一个OFDM符号后，分别从M个子载波组的相应子载波提取基带数据并加以合并，恢复出相应的基带符号。

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