CN105721027A - 车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法 - Google Patents

车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中继车辆与路边基站天线的联合选择方法，主要解决传统方法复杂度高，计算量大的问题。其技术方案包括：用户车辆向所有中继车辆发送自身导频信号；中继车辆根据接收到的导频信号估计信道状态信息，选择最优的中继车辆；最优中继车辆给路边基站发送自身导频与信令符号；路边基站根据接收到的导频信号估计天线与最优中继车辆间的信道状态信息,选择具有最优信道增益的天线；路边基站给所选最优中继车辆发送自身导频和信令符号，最优中继车辆给用户车辆发送自身导频与信令符号。本发明具有复杂度低，选择效率高，系统整体开销小的优点，适合信道状态变化较快的双向车载中继网络。

Description

车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体是一路边基站天线和中继车辆的选择方法，可用于车载双向通信。
背景技术
近年来,车载通信获得越来越多的关注。车载通信系统以车为载体，同时能随着车辆移动进行无线信号的传输，不仅允许车辆之间及时交互信息，而且能与道路上已有的基础通信设施进行通信，访问因特网和展开其他服务，从而有助于缓解交通拥塞，减少交通事故。双向中继可以减少传统单路半双工中继频谱效率的损失，节省转发数据所用时隙，提高网络整体的吞吐量，提高网络性能。将双向中继与车载通信相结合，用户车辆与路边基站通过双向通信充分利用频谱，提高了频谱效率。
在实际车载中继通信系统中，常常会出现多个车辆中继的情况，使用中继选择技术，能以较低的复杂度获得满分集增益。通过分布式机会中继车辆的选择，及中继车辆估计信道信息，基于本地测得的瞬时信道状态信息，自行启动定时器判断转发，只选择信道状态最好的一个最佳中继车辆参与协作，不需要获得拓扑信息，简化了系统物理层设计，降低系统复杂度。
众所周知，多天线可以显著提高频谱效率和传输可靠性，如采用多天线的MIMO技术，提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。但是这种性能增益的提高会导致硬件复杂度提升，进而造成了费用的高消耗。因此有学者提出了一种可选择的能得到满分集增益并且保持低的复杂度的天线选择方案。将天线选择方案应用到多车辆中继场景下，未有文献研究天线选择与中继车辆选择相结合的选择算法。
针对这一问题，现有的方法采用固定天线与中继联合选择算法，但这种方法只是用于所有节点都是固定的场景下，若要将这种方法应用到车载场景下，则需要遍历所有的天线与中继车辆，路边基站需要获得所有路边用户车辆到中继车辆及中继车辆到路边基站所有天线的信道状态信息，计算端到端信噪比，系统整体开销大，计算复杂度高，选择效率低。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法，以减小系统整体开销和计算复杂度，提高选择效率低。
为了实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)用户车辆V向所有中继车辆R广播发送导频信号，所有的中继车辆根据接收到的信号利用信道估计算法估计信道状态信息，选择与用户车辆间信道状态最好的车辆作为最优中继车辆；
(2)被选出的最优中继车辆给路边基站发送自身导频信号和最优中继车辆标号；
(3)路边基站根据接收到的来自最优中继车辆的导频信号，估计其每根天线与所选的最优中继车辆间的信道状态信息，选择具有最优信道增益的天线；
(4)路边基站用选择好的天线给所选最优中继车辆发送自身导频信号和最优信道增益的天线标号及最优中继车辆标号，所选最优中继车辆给用户车辆发送自身导频信号和最优信道增益的天线标号及最优中继车辆标号，完成最优中继车辆与最优天线的联合选择。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明提供了一种车载双向通信中联合路边基站天线和中继车辆的选择方法，利用这种选择方法，可以有效的将联合选择分解为两步即先进行中继车辆选择，然后进行路边基站天线选择，不需要计算端到端信噪比，仅根据基于最大化信道状态信息，来分别选择最优的中继车辆和最优的天线，降低了路边基站天线与中继车辆联合选择的复杂度，降低成本开销。
第二，本发明采用分布式中继，节省了系统开销。
现有技术采用集中式中继选择方法，需要整个系统将所有信道实时的信道状态信息持续的反馈给基站来进行中继选择，过多的信息反馈会造成信道拥塞，尤其是在存在非常多的可供选择的中继车辆节点时，存在反馈信息需求量大和处理延迟长的缺点。
本发明采用分布式中继选择无需中继汇集信息到基站，仅需自行对信息判断处理，弥补了处理时延长和反馈信息需求量大的缺点，系统的整体开销小，信道信息反馈量小。
附图说明
图1是本发明实施例的场景图；
图2是本发明的中继车辆天线联合选择流程图；
图3是本发明方法与现有天线中继车辆联合选择方法的系统中断概率对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。
参照图1，在一个固定区域大小的车载网络中包含若干的行驶中继车辆R，行驶的单个用户车辆V以及静止的装有M根天线的路边基站I。本发明的工作场景为:路边基站配置多天线,中继车辆和用户车辆都配置单天线,路边基站天线数目为M,中继车辆数目为N。路边基站与中继车辆间信道为Nakagami-m信道,中继车辆与用户车辆间信道为2*Nakagami-m信道,系统噪声为高斯白噪声。
参照图2，本发明根据图1的使用场景进行路边基站天线和中继车辆的联合选择步骤如下：
步骤1，用户车辆发送导频到中继车辆，中继车辆处进行中继选择。
(1)用户车辆向所有的中继车辆广播导频信号,所有的中继车辆根据接收到的信号利用信道估计算法估计信道状态信息；
所述的信道估计算法，分为基于参考信号的估计,盲估计,半盲估计，其中基于参考信号的估计又分为基于训练序列估计和基于导频序列的估计。本实例采用基于导频序列的信道估计，步骤如下：
(1a)用户车辆在发送的有用数据中插入中继车辆已知的导频符号，发送给中继车辆；
(1b)中继车辆接收数据后得到用户车辆导频位置的信道估计结果，利用该导频位置的信道估计结果，再通过内插法得到用户车辆与中继车辆间的信道增益hb,i，1≤i≤N，完成用户车辆与中继车辆间的信道估计。
(2)通过分布式定时器方法选择与用户车辆间信道状态最好的车辆作为最优中继车辆i*；
(2a)所有中继车辆同时各自启动一个内部设置的定时器；
(2b)该定时器的时长τ，设为λ为常数，hb,i为中继车辆采用信道状态估计后得出的用户车辆与中继车辆间的信道增益；
(2c)选择最大|hb,i|，得到最短定时器时长τ*，τ*是具有最大|hb,i|对应中继车辆i*的定时器时长，其定时器首先结束计时的i*，被选为最优中继车辆。
步骤2，最优中继给路边基站发送导频与信令。
被选出的最优中继车辆i*给路边基站I发送自身导频和所选中最优中继车辆标号。
步骤3,路边基站信道估计，选择最优天线。
(1)路边基站根据接收到的来自最优中继车辆的导频信号，估计其每根天线与所选的最优中继车辆间的信道状态信息，步骤如下：
(1a)最优中继车辆在发送的有用数据中插入路边基站已知的导频符号，发送给路边基站的每根天线；
(1b)路边基站每根天线接收数据后得到最优中继车辆导频位置的信道估计结果，利用该导频位置的信道估计结果，通过内插法得到最优中继车辆与路边基站每根天线间的信道增益1≤k≤M，完成最优中继车辆与路边基站每根天线间的信道估计；
(2)选择具有最优信道增益的天线；
(2a)利用路边基站每根天线与所选的最优中继车辆间的信道估计得到的信道增益
(2b)选择最大的信道增益，即取得到信道增益该信道增益对应的天线k*即为具有最优信道增益的天线。
步骤4，路边基站给最优中继车辆发送自身导频与信令，最优中继车辆给用户车辆发送导频与信令。
(4a)路边基站用选择好的天线给所选最优中继车辆发送自身导频信号和最优信道增益的天线标号及最优中继车辆标号；
(4b)所选最优中继车辆给用户车辆发送自身导频信号和最优信道增益的天线标号及最优中继车辆标号，完成最优中继车辆与最优天线的联合选择；
对本发明的效果可通过以下仿真做进一步的说明：
1.仿真条件：
本发明在Matlab平台上，得到仿真数据及仿真图。
本发明对提出的基于车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法进行了仿真。在图1所示的场景中，天线中继车辆联合选择系统的配置为：将路边基站与用户间的距离归一化为1,假设路边基站和中继车间的距离d分别为0.2和0.6,中继车和用户车间的距离分别为0.8和0.4，路径衰落系数为3，用户车辆与中继车辆间的信道服从2*Nakagami-m分布,第一衰落严重程度系数m1为0.2,第二衰落严重程度系数m2为1.5。中继车辆与路边基站间的信道服从Nakagami-m分布,衰落严重程度系数m为05。路边基站天线数为M,中继车辆数为N,对{M,N}取{2,2}进行仿真,假设本系统的目标传输速率为Rth＝1bit/s/Hz。
2.仿真内容：
在图1所示的场景中，对不同信噪比条件下，采用不同的路边基站和中继车间的距离d时，用传统方法与本发明方法的中断概率性能进行对比，结果如图3所示。
图3中上方星形线表示在中继车辆与路边基站距离d＝0.2时，使用传统方法通信时，系统中断概率性能仿真曲线；
图3中上方实线表示在中继车辆距离路边基站距离d＝0.2时，使用本发明中提出的车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法通信时，系统中断概率性能仿真曲线；
图3中下方星形线表示在中继车辆距离路边基站距离d＝0.6时，使用传统方法通信时，系统中断概率性能仿真曲线；
图3中下方实线表示在中继车辆距离路边基站距离d＝0.6时，使用本发明中提出的车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法通信时，系统中断概率性能仿真曲线；
由图3可以看出，在中继车辆距离路边基站较近时系统中断概率性能逼近传统方法，但本发明采用的天线中继车辆联合选择方法比传统方法计算简单，复杂度低,可以在实际场景实施,经济效益高节约成本。

Claims (6)

1.一种车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法，包括：
(1)用户车辆V向所有中继车辆R广播发送导频信号，所有的中继车辆根据接收到的信号利用信道估计算法估计信道状态信息，选择与用户车辆间信道状态最好的车辆作为最优中继车辆；
(2)被选出的最优中继车辆给路边基站发送自身导频信号和最优中继车辆标号；
(3)路边基站根据接收到的来自最优中继车辆的导频信号，估计其每根天线与所选的最优中继车辆间的信道状态信息，选择具有最优信道增益的天线；
(4)路边基站用选择好的天线给所选最优中继车辆发送自身导频信号和最优信道增益的天线标号及最优中继车辆标号，所选最优中继车辆给用户车辆发送自身导频信号和最优信道增益的天线标号及最优中继车辆标号，完成最优中继车辆与最优天线的联合选择。
2.根据权利要求1所述的车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法，其中步骤(1)中的路边基站装有多天线，行驶中的用户车辆装有单天线，所有中继车辆均装有单天线。
3.根据权利要求1所述的车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法，其中步骤(1)中的所有的中继车辆根据接收到的信号利用信道估计算法估计信道状态信息，步骤如下：
(1a)用户车辆在发送的有用数据中插入中继车辆已知的导频符号，发送给中继车辆；
(1b)中继车辆接收数据后得到用户车辆导频位置的信道估计结果，利用该导频位置的信道估计结果，通过内插法得到用户车辆与中继车辆间的信道增益hb,i，完成用户车辆与中继车辆间的信道估计。
4.根据权利要求1所述的车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法，其中步骤(1)中选择与用户车辆间信道状态最好的车辆作为最优中继车辆，
采用分布式定时器方法，步骤如下：
(1c)所有中继车辆同时各自启动一个内部设置的定时器；
(1d)该定时器的时长τ，设为λ为常数,hb,i为中继车辆采用信道状态估计后得出的用户车辆与中继车辆间的信道增益；
(1e)将定时器首先结束计时的中继车辆作为最优中继车辆。
5.根据权利要求1所述的车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法，其中步骤(3)中的路边基站根据接收到的信号利用信道估计算法估计其每根天线与所选的最优中继车辆间的信道状态信息，步骤如下：
(3a)最优中继车辆在发送的有用数据中插入路边基站已知的导频符号，发送给路边基站的每根天线；
(3b)路边基站每根天线接收数据后得到最优中继车辆导频位置的信道估计结果，利用该导频位置的信道估计结果，通过内插法得到最优中继车辆与路边基站每根天线间的信道增益hak,i*，完成最优中继车辆与路边基站每根天线间的信道估计。
6.根据权利要求1所述的车载双向通信中路边基站天线和中继车辆的联合选择方法，其中步骤(3)中选择具有最优信道增益的天线，利用路边基站每根天线与所选的最优中继车辆间的信道估计得到的信道增益hak,i*，是从所有得到的信道增益hak,i*中选择最大的信道增益，该信道增益对应的天线即为具有最优信道增益的天线。
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