CN103108396A - 车载移动台间协作通信的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载移动台间协作通信的方法及系统，包括在交通路口设置中继站；建立两条链路：车载移动台向所述中继站发送信号的通信链路（V2R），以及所述中继站向车载移动台发送信号的通信链路（R2V）；车载移动台与车载移动台之间，通过所述两条链路实现通信。本发明克服了在传统无中继站传输模式下，当基站的位置远离交通路口时，车载移动台与基站之间由于信号损耗过大导致接收性能差的技术问题，从而使得在不增加发射功率的情况下，提高系统吞吐量。

Description

车载移动台间协作通信的方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种在交通路口场景下采用新型车载移动台间协作通信的方法。

背景技术

车载通信（Vehicle Communication,VC）的研究大概从上世纪八十年代在无线通信领域兴起。而在这几年内，这一领域的研究才有了蓬勃的发展。

车载通信主要分为三大类：车辆间通信（Vehicle to Vehicle,V2V）系统，车辆与路边设施通信（Vehicle to Infrastructure,V2I）系统，混合车辆通信（Hybrid Vehicle Communication,HVC）系统，如图1所示。

V2V系统是无需路边设施的，根据车辆之间数据传输是否需要其他车辆，又将V2V系统细分为单跳V2V系统（单跳车间通信Single-hop）和多跳V2V系统（多跳车间通信Multi-hop）。单跳系统适用于短距离间车辆数据的转发。但如果需要通信的两辆车辆间超出了限定距离，单跳系统就无法发挥其作用了。因此，引入多跳就十分有必要了。相对于单跳系统，多跳系统支持长距离通信，但系统结构较为复杂。

V2I系统是指所有的通信都发生在车辆到路边设施之间。V2I又可分为稀疏V2I系统（Sparse）和完全覆盖V2I系统（普遍存在的Ubiquitous）。稀疏系统主要完成热点覆盖，例如在一个繁忙的交通路口调度信号灯的时间长度，在加油站对车辆做广告等等。而完全覆盖系统指的是在每一条道路上都能进行V2I通信。目前现阶段稀疏系统逐步建立起来，而要完成完全覆盖系统的建立仍需要大量的投入。

HVC系统的提出是用来扩展V2I系统的通信距离。通过借助移动车辆作为路由，HVC系统比V2I系统具有更远的传输距离。但是它的缺点是，当道路上车辆密度较小时，该系统的网络连接性不能被保证。

针对在交通路口场景下车辆间通信（Vehicle to Vehicle,V2V）系统中车载移动台的行为做出以下规定。首先，对车载移动台在交通路口的运动和通信行为进行规定。每个车载移动台为一个V用户，分布在道路上，遵从绿灯行红灯停的交通规则；行人用户为普通蜂窝用户U，分布在道路旁的区域。基站与十字路口有一定的距离。在传统的通信场景下，车载移动台和行人用户之间通过基站进行相互通信。在这种通信模式下，当两个车载移动台均靠近交通路口，但又不在基站所在的地理位置一侧（如图2）：行人用户向基站发送信号①，车载移动台也向基站发送信号②；基站向行人用户发送信号③，基站向车载移动台发送信号④。可见，通过基站通信这一模式，将使得该链路的吞吐量降低，时延增加。

并且，在传统的频率利用模式下，当基站的位置远离交通路口时，车载移动台与基站之间的平均路径损耗明显增大。在发射功率不增加的情况下，根据香农公式可知，随着信号的接收信噪比的降低，使得吞吐量下降。

由此可见，针对交通路口这一特殊场景下车载移动台间的通信，有必要采取一些措施来提升系统的吞吐量性能。

发明内容

本发明针对上述现有技术的缺陷，提出如何在交通路口场景下提高车载移动台之间的通信容量的技术问题。为了解决上述问题，本发明提供了如下解决方案：

一种车载移动台之间协作通信的方法，包括在交通路口设置中继站；建立两条链路：车载移动台向所述中继站发送信号的通信链路（V2R），以及所述中继站向车载移动台发送信号的通信链路（R2V）；车载移动台与车载移动台之间，通过所述两条链路实现通信。

一种车载移动台之间协作通信的系统，包括：基站，用于接收和发送信号；至少两个车载移动台；在交通路口安装中继站；所述中继站能够接收来自车载移动台的信号，并发送信号给车载移动台；两条链路：建立车载移动台向所述中继站发送信号的第一通信链路（V2R），以及建立所述中继站向车载移动台发送信号的第二通信链路（R2V）；车载移动台与车载移动台之间，通过所述两条链路实现通信。

一种车载移动台之间协作通信的方法，包括：在交通路口安装中继站；通过车载移动台到中继站、以及中继站到车载移动台的两条通信链路，实现车载移动台与车载移动台之间的通信；其中，车载移动台到中继站（V2R）链路使用蜂窝系统的下行频段，中继站到车载移动台（R2V）链路使用蜂窝系统的上行频段。

一种车载移动台之间协作通信的方法，包括：在交通路口安装中继站；在中继站和/或基站上安装方向性天线，且该中继站和/或基站上的天线的方向使得中继站和/或基站不会收到来自基站和/或中继站的天线的信号；通过车载移动台到中继站、以及中继站到车载移动台的两条通信链路，实现车载移动台与车载移动台之间的通信；其中，车载移动台到中继站（V2R）的通信链路，使用蜂窝系统的下行频段，中继站到车载移动台（R2V）的通信链路使用蜂窝系统的上行频段。

本发明的技术创新之处和有益效果包括以下内容：

由于车辆的运动方向总是沿着道路的，且运动过程中均会经过交通路口，其运动轨迹与普通蜂窝用户相比更有规律性。本发明提出在交通路口添加中继的方法，该方法缩短了车载移动台与路边设施通信的距离，提高了通信容量。其次本发明提出了一种新型的频率复用模式，V2R链路和R2V链路使用蜂窝系统的频段的模式，此模式下提出了两种资源分配方式，使得在不同场景下资源利用方式更加灵活，最后，在复用资源分配方式下，提出添加方向性天线进一步提高系统容量的方法。整体上，提升了系统性能。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了车载通信分类的示意图;

图2示出了没有中继的传统方式下交通路口信号示意图；

图3示出了没有中继的传统方式下采用轮询调度的时频资源划分图；

图4是本发明添加中继的新型频率复用模式中正交方式下的信号干扰示意图；

图5（a）示出本发明正交分配方式下的频率资源划分图；

图5（b）示出本发明复用分配方式下的频率资源划分图；

图6示出本发明添加中继的新型频率复用模式中复用方式下的信号干扰示意图；

图7示出本发明中继和基站天线几何示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

首先，给出在没有中继的场景下车载移动台和行人用户的通信行为。车载移动台和行人用户均通过基站进行通信。假设该交通路口场景下的通信采用LTE蜂窝移动系统的标准协议。LTE蜂窝系统的双工方式可分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。在本发明中，在不失一般性的前提下，采用频分双工这种双工方式。在上行频段，行人用户和车载移动台发送信号至基站，在基站处采用不同的调度策略，分配不同的子载波给每个行人用户和车载移动台，以满足不同的系统目标。在下行频段，基站向行人用户和接收数据的车载移动台发送信号，同样的在基站处进行调度将资源分配给不同的用户。为了方便分析，本发明假设采用轮询（Round Robin，RR）调度（如图2、3所示），车载移动台和行人用户没有优先级之分，平等地共享子载波资源，上行频段行人用户和车载移动台都向基站发送信号，下行频段基站向行人用户和车载移动台发送信号。可见，当基站的位置远离交通路口时，车辆与基站之间的平均路径损耗明显增大，在发射功率不增加的情况下，信号的接收功率降低，并且信噪比降低，使得吞吐量下降。

为此，针对交通路口这一特殊场景下车辆间的通信，在交通路口添加中继站，设置/安装一个或多个中继站，车载移动台之间通信经过中继，来提升系统的吞吐量性能。

本发明提出的解决方案：在交通路口添加中继站，车载移动台之间通信经过中继，有车辆到中继（vehicle-to-relay，简写为V2R）和中继到车辆（relay-to-vehicle，简写为R2V）两条链路，这两条链路代替了无中继时的车辆到基站链路和基站到车辆链路。由此提高在交通路口场景下车辆之间的通信信噪比等，从而增加吞吐量，提升系统性能。

由图4、6可知，车载移动台之间协作通信的系统包括：用于接收和发送信号的基站，能接收和发送信号的至少两个车载移动台，在交通路口处设置的中继（或称中继站），能接收来自车载移动台的信号和向车载移动台发送信号，行人用户等。

首先，在交通路口添加中继站，将中继站设置/安装在交通路口如十字路口等。建立两条链路：车载移动台向所述中继站发送信号的通信链路（V2R），即第一通信链路（V2R），以及所述中继站向车载移动台发送信号的通信链路（R2V），即第二通信链路（R2V）。这样，通过车载移动台到中继、中继到车载移动台的两条链路，实现至少两个车载移动台之间的通信。车载移动台与车载移动台之间，通过与中继建立的两条链路实现通信，而不通过基站进行。

在该解决方案的基础上，提出了新的频率复用模式。在该频率复用模式下，资源分配方式有正交分配和复用分配两种。下面将给出本发明的这两种资源分配方式的具体操作实施。

正交方案

正交方案下，V2R链路使用蜂窝系统的下行频段，R2V链路使用蜂窝系统的上行频段。

在下行频段，V2R链路与基站正交使用频率资源，即基站与车载移动台不会使用相同频率资源。同样的，在上行频段，R2V链路与行人用户正交使用频率资源，即中继与行人用户不会使用相同频率资源。正交分配时，下行频段，基站和车辆用户使用不同频率资源，同理，上行频段，中继与行人用户使用不同频率资源。

在正交方案下，传输信号如图4所示。在蜂窝系统的上行频段，行人用户向基站发送信号①，中继向车载移动台发送信号②。在蜂窝系统的下行频段，基站向行人用户发送信号③，车载移动台向中继发送信号④。链路④②即建立的两条用于车载移动台与中继站通信的链路，由这两条链路能实现车载移动台之间的通信。

在此正交分配方式下，车载移动台向所述中继站发送信号的通信链路（V2R）如链路④，使用蜂窝系统的下行频段；所述中继站向车载移动台发送信号的通信链路（R2V）如链路②，使用蜂窝系统的上行频段。

正交分配的频率资源划分图如图5（a）所示。在上行频段，行人用户和中继所使用的频段互不相干，即行人用户和中继站不会使用相同的频段资源。同样的，在下行频段，基站和车载移动台所使用的频段也互不相干，即基站与车载移动台不会使用相同频率资源。此方案下可采用轮询的调度策略，即不考虑系统中用户的信道质量，依次为每个用户分配子载波。

复用方案

复用方案下，V2R链路使用蜂窝系统的下行频段，R2V链路使用蜂窝系统的上行频段。在下行频段，V2R链路与基站复用使用频率资源，频率资源的使用，如资源块（资源块是LTE下行链路分配给用户的最小单位，是具体化的概念）的使用：即基站与车载移动台会使用同一资源块（相同的资源块），基站和车载移动台有可能使用相同频率资源。同样的，在上行频段，R2V链路与行人用户复用使用频率资源，即中继与行人用户会使用同一资源块（相同的资源块），中继和行人用户可能使用相同频率资源。

在复用方案下，传输信号和干扰信号如图6所示。在蜂窝系统的上行频段，行人用户向基站发送信号①，中继向车载移动台发送信号②。在蜂窝系统的下行频段，基站向行人用户发送信号③，车载移动台向中继发送信号④。复用分配的频率资源划分图如图5（b）所示。链路④②即建立的两条用于车载移动台与中继站通信的链路，由这两条链路能实现车载移动台之间的通信。

在上行频段，中继站（经由中继站向车载移动台发送信号的通信链路（R2V）如链路②）向车载移动台发送信号，行人用户向基站发送信号如链路①，这样，中继与行人用户复用使用频率资源，由于行人用户和中继有可能完全复用，不可避免的，行人用户使用的通信链路和中继使用的通信链路这两条链路，会调用相同的子载波。基站收到中继发出信号的干扰，车载移动台受到与其使用同一子载波的行人用户的干扰。

在下行频段，车载移动台（经由车载移动台向所述中继站发送信号的通信链路（V2R）如链路④）向中继发送信号，基站向行人用户发送信号如链路③，这样，车载移动台与基站复用频率资源，由于基站和车载移动台有可能完全复用，不可避免的，车载移动台使用的通信链路和基站使用的通信链路这两条链路，会调用相同的子载波。中继会收到基站发出的干扰，行人用户受到与其使用同一子载波的车载移动台的干扰。

在上述复用方案下，复用使用频率资源可能会带来干扰。在上行频段，基站接收来自行人用户的信号，但容易受到中继干扰；在下行频段，中继接收来自车载移动台的信号，但容易受到基站干扰。由于基站和中继的信号发射功率远大于行人用户和车载移动台发射功率，一旦受到干扰，则信干噪比损失严重，会大大减弱系统容量性能。该频率复用模式（复用分配）的概况分析见表1。

表1 新型频率复用模式概况表

为此，优选地，提供减弱系统中干扰的方法。即在中继和基站处设计方向性天线，使中继和基站互相接收不到来自对方的信号。由于根据香农公式，干扰减小，信干噪比值变大，因而系统的容量值也能得到提升。

具体地，可通过以下方式来消除基站和中继之间的干扰。首先，确定中继和基站天线的地理位置，将这两个天线所在位置当作质点考虑，连接这两个点。以中继处天线为例，需要确定与该连线垂直且过中继天线质点的平面。具体操作如下，如图7所示，过基站天线B点，作出中继天线R点所在水平面的垂线，交于O点。在该水平面，过R点作RO线段的垂线l₁，接着，在RBO三点确定的平面内过R点作线段BR的垂线l₂。由直线l₁和l₂构成的平面即为与RB垂直的平面。同样的，在基站处过B点分别作与l₁和l₂的平行线l₃和l₄。

在为中继进行天线设计时，分别从l₁和l₂方向进行考虑。中继上天线的方向应满足如下条件：在l₁直线上，当接近R点时，使得中继上的天线接受到的信号衰减变大并在R点时达到最大。同理在l₂直线上，接近R点时，使得中继上的天线接受到的信号衰减变大并在R点时达到最大。将满足上述设计条件的方向性天线应用到中继上，中继将不会收到来自基站天线的信号，干扰得以消除。同理，在为基站进行天线设计时，分别从l₃和l₄方向进行考虑。基站上天线的方向应满足如下条件：在l₃和l₄这两条直线上，越接近B点，使得基站上天线接受到的信号衰减逐渐变大并在B点处达到最大，将满足上述设计条件的方向性天线应用到基站上，基站将不会接收到来自中继天线的信号。可以采用诸如特殊的陷波天线阵等来实现。

最后通过实验，对无中继场景和添加中继采用新型频率复用模式的正交和复用场景（包括设置了方向性天线的复用场景）进行系统容量比较，见表2所示。

表2 各链路容量与系统总容量性能分析对比

与现有的技术相比，通过本发明提供的方法能有效提高所有车载移动台的通信容量并提升了系统性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种车载移动台之间协作通信的方法，其特征在于，包括：

在交通路口设置中继站；

建立两条链路：车载移动台向所述中继站发送信号的通信链路（V2R），以及所述中继站向车载移动台发送信号的通信链路（R2V）；

车载移动台与车载移动台之间，通过所述两条链路实现通信。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括，所述两条链路的频率资源分配采用：正交分配方式或复用分配方式。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用所述正交分配方式包括：在正交分配方式下，车载移动台向所述中继站发送信号的通信链路（V2R），使用蜂窝系统的下行频段；所述中继站向车载移动台发送信号的通信链路（R2V），使用蜂窝系统的上行频段。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用所述正交分配方式包括：在正交分配方式下，在蜂窝系统的下行频段，车载移动台向所述中继站发送信号的通信链路（V2R）与基站正交使用频率资源；在上行频段，所述中继站向车载移动台发送信号的通信链路（R2V）与行人用户正交使用频率资源。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，采用所述正交分配方式还包括：在正交分配方式下，采用轮询的调度策略。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采用轮询的调度策略依次为包括：行人用户和车载移动台在内的用户分配子载波。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用所述复用分配方式包括：在复用方式下，在蜂窝系统的下行频段，车载移动台向所述中继站发送信号的通信链路（V2R）与基站复用使用频率资源；在上行频段，所述中继站向车载移动台发送信号的通信链路（R2V）与行人用户复用使用频率资源。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

在中继站和/或基站上安装有方向性天线。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述安装有方向性天线包括：

安装所述中继站和/或基站上的方向性天线，所述天线安装的方向使得中继站和/或基站不会收到来自基站和/或中继的天线的信号。

10.一种车载移动台之间协作通信的系统，其特征在于，包括：

基站，用于接收和发送信号；

至少两个车载移动台；

在交通路口安装中继站；

所述中继站能够接收来自车载移动台的信号，并发送信号给车载移动台；

两条链路：建立车载移动台向所述中继站发送信号的第一通信链路（V2R），以及建立所述中继站向车载移动台发送信号的第二通信链路（R2V）；

车载移动台与车载移动台之间，通过所述两条链路实现通信。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，包括，所述两条链路的频率资源分配采用：正交分配方式或复用分配方式。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，采用所述正交分配方式包括：在正交分配方式下，车载移动台向所述中继站发送信号的第一通信链路（V2R），使用蜂窝系统的下行频段；所述中继站向车载移动台发送信号的第二通信链路（R2V），使用蜂窝系统的上行频段。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，采用所述正交分配方式包括：在正交分配方式下，在蜂窝系统的下行频段，车载移动台向所述中继站发送信号的第一通信链路（V2R）与基站正交使用频率资源；在上行频段，所述中继站向车载移动台发送信号的第二通信链路（R2V）与行人用户正交使用频率资源。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，采用所述正交分配方式还包括：在正交分配方式下，采用轮询的调度策略。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述采用轮询的调度策略依次为包括：行人用户和车载移动台在内的用户分配子载波。

16.如权利要求11所述的系统，其特征在于，采用所述复用分配方式包括：在复用方式下，在蜂窝系统的下行频段，车载移动台向所述中继站发送信号的第一通信链路（V2R）与基站复用使用频率资源；在上行频段，所述中继站向车载移动台发送信号的第二通信链路（R2V）与行人用户复用使用频率资源。

17.如权利要求10-16中任一项所述的系统，其特征在于，还包括：

在中继站和/或基站上安装有方向性天线。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述安装有方向性天线包括：

安装所述中继站和/或基站上的方向性天线，所述天线安装的方向使得中继站和/或基站不会收到来自基站和/或中继的天线的信号。

19.一种车载移动台之间协作通信的方法，其特征在于，包括：

在交通路口安装中继站；

通过车载移动台到中继站、以及中继站到车载移动台的两条通信链路，实现车载移动台与车载移动台之间的通信；

其中，车载移动台到中继站（V2R）链路使用蜂窝系统的下行频段，中继站到车载移动台（R2V）链路使用蜂窝系统的上行频段。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述下行频段，基站与车载移动台使用不同的频率资源；在所述上行频段，中继站与行人用户使用不相同频率资源。

21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述下行频段，基站与车载移动台使用相同的资源块；在所述上行频段，中继站与行人用户使用相同频率资源。

22.一种车载移动台之间协作通信的方法，其特征在于，包括：

在交通路口安装中继站；

在中继站和/或基站上安装方向性天线，且该中继站和/或基站上的天线的方向使得中继站和/或基站不会收到来自基站和/或中继站的天线的信号；

通过车载移动台到中继站、以及中继站到车载移动台的两条通信链路，实现车载移动台与车载移动台之间的通信；

其中，车载移动台到中继站（V2R）的通信链路，使用蜂窝系统的下行频段，中继站到车载移动台（R2V）的通信链路使用蜂窝系统的上行频段。

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