CN106162532A - 具有认知功能的车载通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有认知功能的车载通信方法和系统，包括2个以上的认知用户和路边单元。每个认知用户包括认知中心处理器、认知通信机、基站通信机、基站中心处理器、控制中心、射频前端、基带处理模块和车载单元。本发明将DSRC(短距离通信)与认知无线电结合起来，运用到车载通信中，既能在DSRC授权频段空闲时使用授权频段，也能在授权频段繁忙时开启认知功能，检测居民区DVB‑T的频段使用情况并且利用，有效的提高了频谱利用率。

Description

具有认知功能的车载通信方法和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种具有认知功能的车载通信方法和系统。

背景技术

目前，用于车载通信的频段为：5855MHz-5925MHz。但是随着车载用户数量和通信需求的大幅度增加，仅仅70MHz是不能满足车载通信的需要的。实验表明，其他授权频段存在着大量的“频谱空洞”，这些“频谱空洞”大部分时间中是没有授权用户在使用的，因此怎样把这些“频谱空洞”利用在车载通信中便成为一个研究热点。

为此，基于短距离通信的具有认知功能的车载通信技术应运而生。该技术允许未授权的认知用户在授权用户未使用授权频段情况下，利用授权用户的频段进行通信。如何在车载通信网中检测授权用户的空闲频段并且准确的进行分配就变得十分重要。

DVB-T(数字地面电视广播系统标准)的频段范围为50-878MHz，DVB-T频段也往往只在某一时段才被利用，如果能够在不干扰DVB-T频段授权用户的情况下，将空闲频段充分利用起来，可以在一定程度上缓解车载通信频谱资源短缺的现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有车载频段无法满足车载通信需求的问题，提供一种具有认知功能的车载通信方法和系统，其能够自适应的判断是否要启动认知功能，并对DVB-T频段进行准确的检测和分配。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

具有认知功能的车载通信方法，包括如下步骤：

步骤1.待通信的认知用户向路边单元发送通信请求；

步骤2.路边单元判断是否存在空闲的短距离通信频段；若有空闲的短距离通信频段，则路边单元将感知到的空闲短距离通信频段报告给待通信的认知用户，待通信的认知用户直接使用空闲短距离通信频段进行通信；若无空闲的短距离通信频段，则路边单元向附近的认知用户广播，接收到广播的认知用户开启认知功能，进行频谱感知；

步骤3.接收到广播的认知用户接收DVB-T频段信号，并对整个DVB-T频段按照预设的子频段带宽进行分段，并采用加权双门限能量检测的协作频谱感知方法来判断各个子频段是否空闲，并将判决结果发送给路边单元；

步骤4.路边单元根据决策的最终结果，将可用的空闲子频段放入到频谱池中，并分配给待通信的认知用户。

步骤3中，加权双门限能量检测的协作频谱感知方法的过程如下：

步骤3.1.设定双门限V_th0和V_th1，且V_th0<V_th1；

步骤3.2.针对每个子频段，接收到广播的认知用户i计算在该子频段内的感知能量C_i；

步骤3.3.将该子频段的感知能量C_i与双门限V_th0和V_th1进行比较；

当C_i>V_th1时，判定为存在主用户信号，此时检测结果为不可用；随后该认知用户计算检测结果为不可用时的信任度，并以此来判断该检测结果是否可信；若检测结果可信，则将该子频段不可用的判决结果G_i＝1发送给路边单元，否则，自动丢弃该数据；

当C_i<V_th0时，判定为不存在主用户信号，此时检测结果为可用；随后该认知用户计算检测结果为可用时的信任度，并以此来判断该检测结果是否可信；若检测结果可信，则将该子频段可用的判决结果G_i＝0发送给路边单元，否则，自动丢弃该数据；

当V_th0≤C_i≤V_th1时，不确定是否含有主用户信号，此时直接将感知能量C_i发送到路边单元；路边单元利用信噪比加权因子和距离加权因子将接收到的认知用户的感知能量C_i进行加权计算，并利用加权准则得出判决结果B；其中

$\left\{\begin{array}{c}B=0,0\&le;\underset{i=1}{\overset{U-Y}{\&Sigma;}}{w}_i{C}_i\&le;V_{th}\\ B=1,\underset{i=1}{\overset{U-Y}{\&Sigma;}}{w}_i{C}_i>V_{th}\end{array}\right.$

步骤3.4.路边单元将所有认知用户的判决结果利用或准则做出各个子频段的最终判决结果：即当时，该子频段不可用；否则，该子频段可用；

其中，U为所有接收到广播的认知用户个数，Y为感知能量C_i在V_th0和V_th1之外的认知用户个数，U-Y为感知能量C_i在V_th0和V_th1之间的认知用户个数，w_i为第i个认知用户的权重因子。

步骤3.3中，判断检测结果是否可信的过程如下：

步骤3.3.1.计算感知能量C_i的估计均值和估计方差；

步骤3.3.2.设定均值的置信区间和方差的置信区间；

步骤3.3.3.若估计均值在均值的置信区间内，并且估计方差在方差的置信区间内，则

在检测结果为可用时，计算检测结果为可用时的信任参数t₀，若符合-ε≤t₀≤ε，则说明检测结果可信，否则说明检测结果不可信；其中ε为修正因子；

在检测结果为不可用时，计算检测结果为不可用时的信任参数t₁，若符合t₁>>ε，则说明检测结果可信，否则说明检测结果不可信；其中ε为修正因子；

步骤3.3.4.若估计均值不在均值的置信区间内或估计方差不在方差的置信区间内，则说明所求得估计均值和估计方差有误，增加采样点数，并返回步骤3.3.1重新计算估计均值和估计方差，直到所求得的估计均值和估计方差在相应的置信区间内；

步骤4中，仅将可用的空闲子频段的中间值放入到频谱池中。

所述的具有认知功能的车载通信方法，还进一步包括：步骤5.待通信的认知用户在使用空闲子频段通信的过程中，利用循环前缀方法检测出授权用户出现与否；一旦授权用户存在，则利用干扰温度来判断是否需要待通信的认知用户退出使用授权的子频段。

步骤5中，当存在认知用户时授权用户接收机处的干扰温度满足下式时，认知用户可以和授权用户共存，此时认知用户不需要退出当前使用的子频段；否则，认知用户需要退出当前使用的子频段，并返回步骤1重新寻找可用空闲子频段；

$T_I(f_c,B_g)+\frac{\mathrm{\&xi;}P}{{\mathrm{\&theta;B}}_E}\&le;T_L\left(f_c\right)$

式中，T_I(f_c,B_g)_test为干扰温度；ξ为乘性衰落值，P为认知用户的平均功率，θ是玻尔兹曼常数，B_E是整个频段范围，T_L(f_c)表示干扰温度门限。

基于上述方法的具有认知功能的车载通信系统，包括2个以上的认知用户和路边单元；

每个认知用户包括认知中心处理器、认知通信机、基站通信机、基站中心处理器、控制中心、射频前端、基带处理模块和车载单元；

基站中心处理器连接基站通信机；基站通信机和认知通信机通过天线连接；认知中心处理器连接认知通信机；

基站中心处理器连接射频前端的射频前端本；射频前端连接基带处理模块，基带处理模块连接基站中心处理器；

基站中心处理器连接控制中心；控制中心连接车载单元；车载单元通过天线连接路边单元。

上述射频前端包括射频天线、前低通滤波器、低噪声放大器、衰减器、第二级放大器、混频器、射频前端本振、后低通滤波器和自动增益控制器；射频天线的输出端连接前低通滤波器的输入端；前低通滤波器的输出端连接低噪声放大器的输入端；低噪声放大器的输出端经衰减器与第二级放大器的输入端相连；第二级放大器的输出端连接混频器的一输入端，基站中心处理器经射频前端本振连接混频器的另一输入端；混频器的输出端分为I、Q两路输出端，I、Q两路输出端各经后低通滤波器和自动增益控制器后，与基带处理模块的一路输入端相连。

与现有技术相比，本发明将频谱感知技术与频谱分配技术运用到车载通信中，既能在DSRC(短距离通信)授权频段空闲时使用授权频段，也能在授权频段繁忙时开启认知功能，检测居民区DVB-T的频段使用情况并且利用，有效的提高了频谱利用率。

附图说明

图1为具有认知功能的车载通信方法和系统的功能流程框图。

图2为加权双门限能量检测的协作频谱感知算法框图。

图3为具有认知功能的车载通信系统的系统框图。

具体实施方式

一种具有认知功能的车载通信方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)待通信的认知用户的认知中心处理器通过认知通信机向基站通信机发送通信请求，基站中心处理器将信息传递给控制中心。控制中心收到要进行通信的信息后，与所处位置的路边单元(RSU)进行信息交换。

(2)路边单元将感知到的短距离通信(DSRC)频段的频谱使用情况报告给控制中心。若有空闲频段则直接使用短距离通信频段进行通信；若无空闲频段，则路边单元将该信息广播给该附近队列中的认知用户，该队列中的认知用户开启认知功能，进行频谱感知。

(3)队列中的认知用户的射频天线接收DVB-T频段信号。射频前端将整个频段按照预设的子频段带宽分段。在本发明优选实施例中，预设的子频段带宽设为10MHz。

基站中心处理器通过改变射频前端本振的输出频率将各个子频段搬移到零频，并将它分为I、Q两路后送入基带处理模块中。如基站中心处理器控制本振输出55MHz频率，通过正交解调器与50-60MHz子频段混频后将频段搬移到基带，此时在0-5MHz频段内就有50-60MHz频段的全部信息，通过带宽为5MHz的后低通滤波器将50-60MHz频段信息进行AD采样后送入FPGA进行处理。

(4)基站中心处理器向基带处理模块发送频谱检测的命令，基带处理模块采用基于路边单元的加权双门限能量检测的协作频谱感知方法进行频谱检测来判断该子频段是否空闲，并将感知结果发送给路边单元。当一个子频段感知完成之后，基站中心处理器控制射频前端本振切换到下一子频段进行感知。

如图2，为基于加权双门限能量检测算法框图，其中V_th0和V_th1为两个门限，且V_th0<V_th1，每个认知用户独立的进行感知，得到能量值为C_i，并且有如下判定规则：

当C_i>V_th1时，判定为存在主用户信号，该频段不可用，此时检测结果为1，随后该认知用户计算检测结果为1时的信任度并以此来判断该结果是否可信，若符合信任度结果则将1发送给路边单元，否则自动丢弃该数据；

当C_i<V_th0时，判定为不存在主用户信号，该频段可用，此时检测结果为0，随后认知用户计算检测结果为0时的信任度并以此来判断该结果是否可信，若符合信任度结果则将0发送给路边单元，否则自动丢弃该数据；

当V_th0≤C_i≤V_th1时，不确定是否含有主用户信号，此时直接将检测值C_i发送到路边单元，路边单元利用信噪比加权因子和距离加权因子将接收到的认知用户检测值进行加权计算，并利用加权后的判断准则判断该频段是否空闲。

最后路边单元将接收到的该队列中所有认知用户的感知结果利用“或”准则做出最终的判决结果。

具体来说，该检测方法包括如下步骤：

(4.1)设定双门限V_th0和V_th1；

(4.2)C_i表示第i个认知用户感知能量，x_i(k)表示第i个认知用户收到的信号，且

$C_i=\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{\left|x_i\left(k\right)\right|}^2$

其中，M表示该子频段内的采样点数。

(4.3)由中心极限定理可知当M足够大的时候，C_i近似服从高斯分布，有：

H₀：

H₁：

其中，γ_i是第i个认知用户的瞬时信噪比，为高斯白噪声的方差。H₀表示单个认知用户感知到的结果为该频段空闲可用，H₁表示单个认知用户感知到的结果为该频段不可用。

(4.4)H₀条件下，单个认知用户感知到的结果的信任度为：

$t_0={\mathrm{\&mu;}}_{0,i}^2-{\mathrm{M\&sigma;}}_{0,i}^2/2$

(4.5)由(4.3)得：

$t_0={\left({\mathrm{M\&sigma;}}_{g,i}^2\right)}^2-2{\mathrm{M\&sigma;}}_{g,i}^{4}M/2=0$

由于实际采样过程中，噪声的不确定性和采样点的限制，t₀不可能完全为0，所以在这里引入修正因子ε，修正t₀为：

-ε≤t₀≤ε

其中，ε为无限趋近于0的数值。

(4.6)H₁条件下，单个认知用户感知到的结果的信任度为：

$t_1={\mathrm{\&mu;}}_{1,i}^2-{\mathrm{M\&sigma;}}_{1,i}^2/2$

(4.7)由(4.3)得：

$t_1={\left(M\right(1+{\mathrm{\&gamma;}}_i\left){\mathrm{\&sigma;}}_{g,i}^2\right)}^2-2M\left(1+2{\mathrm{\&gamma;}}_i\right){\mathrm{\&sigma;}}_{g,i}^{4}M/2=M^2{\mathrm{\&gamma;}}_i^2{\mathrm{\&sigma;}}_{g,i}^4=M^2{\mathrm{\&sigma;}}_s^4$

其中，为主用户的方差。一般情况下，因为采样数目过大，所以t₁>>ε。

(4.8)由于C_i由有限个相互独立的随机采样|x_i(k)|²组成，因此μ_j,i和的估计值可以由|x_i(k)|²的采样均值和采样方差得到。即：

${\widehat{\mathrm{\&mu;}}}_{j,i}=\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{\left|x_i\left(k\right)\right|}^2$

${\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}_{j,i}^2=\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{\&lsqb;{\left|x_i\left(k\right)\right|}^2-\frac{1}{M}\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{\left|x_i\left(k\right)\right|}^2\&rsqb;}^2,i=1,2,3...N,j=0,1$

(4.9)若单个认知用户感知结果为H₀时，利用(4.8)中式子计算出估计均值和估计方差，并对所求的估计均值和估计方差进行如下的判断：

(4.9.1)均值μ的置信区间求解：

总体X方差未知时，用采样方差S²代替总体方差，有

$T=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{X}-\mathrm{\&mu;}}{\sqrt{\frac{S^2}{n}}}~t(n-1)$

则对给定的显著水平令

$P\left\{\right|\frac{\stackrel{\&OverBar;}{X}-\mathrm{\&mu;}}{\sqrt{\frac{S^2}{n}}}|\&le;t_{\frac{\&part;}{2}}(n-1)\}=1-\&part;$

查t分布表可得的值。

$P\{\stackrel{\&OverBar;}{X}-\frac{S}{\sqrt{n}}{t}_{\frac{\&part;}{2}}(n-1)\&le;\mathrm{\&mu;}\&le;\stackrel{\&OverBar;}{X}+\frac{S}{\sqrt{n}}{t}_{\frac{\&part;}{2}}(n-1)\}=1-\&part;$

则μ的置信度为的置信区间为：

$\&lsqb;\stackrel{\&OverBar;}{X}-\frac{S}{\sqrt{n}}{t}_{\frac{\&part;}{2}}(n-1),\stackrel{\&OverBar;}{X}+\frac{S}{\sqrt{n}}{t}_{\frac{\&part;}{2}}(n-1)\&rsqb;$

(4.9.2)方差σ²的置信区间：

选取则由

$P({\mathrm{\&chi;}}_{1-\frac{\&part;}{2}}^2<\frac{(n-1)S^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}<x_{\frac{\&part;}{2}}^2)=1-\&part;$

得σ²的置信区间为

$\&lsqb;\frac{(n-1)S^2}{{\mathrm{\&chi;}}_{\frac{\&part;}{2}}^2(n-1)},\frac{(n-1)S^2}{{\mathrm{\&chi;}}_{1-\frac{\&part;}{2}}^2(n-1)}\&rsqb;$

式中，为样本平均值，S²为样本方差，n为样本个数，为显著水平，和均可通过查t分布表和χ分布表得到。

(4.10)当单个认知用户感知结果为H₀时，若所求出的均值和方差均在(4.9)中所求得的置信区间中，则将该数据带入(4.4)中式子计算出信任参数t₀，若符合-ε≤t₀≤ε则说明该感知结果可信，该认知用户将感知到的结果发送给路边单元，否则自动丢弃数据；若求出的均值和方差不在(4.9)中所求得的置信区间内，说明所求得估计均值和方差有误，则需要重新对均值方差进行计算，直到所求得数值在置信区间内。同理，当单个认知用户感知结果为H₁时，利用(4.8)中式子计算出估计均值和估计方差，并且判断所求得数值是否在置信区间内，若在，则带入(4.6)中式子计算出信任参数t₁，当t₁>>ε时说明该感知结果可信，认知用户将该感知结果发送给路边单元，否则自动丢弃数据；若不正确则重新进行计算。

(4.11)G_i表示路边单元接收到的第i个认知用户的判决信息，如下：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_i=0,C_i<V_{tho}\\ G_i=1,C_i>V_{th1}\\ G_i=C_i,V_{tho}\&le;C_i\&le;V_{th1}\end{array}\right.$

(4.12)假设一个队列中有U个认知用户，Y个用户检测值在V_th0和V_th1之外，直接判决结果为0或1，则有U-Y个认知用户检测值落在V_th0和V_th1之间，此时无法判决，认知用户将感知结果直接发送给路边单元，路边单元根据信噪比加权和距离加权进行计算判决。

(4.13)加权后的判决规则如下：

$\left\{\begin{array}{c}B=0,0\&le;\underset{i=1}{\overset{U-Y}{\&Sigma;}}{w}_i{C}_i\&le;V_{th}\\ B=1,\underset{i=1}{\overset{U-Y}{\&Sigma;}}{w}_i{C}_i>V_{th}\end{array}\right.$

其中，U为所有接收到广播的认知用户个数，Y为感知能量C_i在V_th0和V_th1之外的认知用户个数，U-Y为感知能量C_i在V_th0和V_th1之间的认知用户个数，w_i为第i个认知用户的权重因子。

(4.14)信噪比权重因子表达式为：

$w_{ri}=\frac{r_i}{\underset{i=1}{\overset{U-Y}{\&Sigma;}}{r}_i}$

其中，r_i为第i个认知用户接收到的信噪比。

(4.15)接收信号功率损失和距离之间的关系为：

P(dB)＝10λlog₁₀(d)

其中，λ为路径损耗指数。

(4.16)认知用户接收到的信噪比为：

r_i＝SNR-P(dB)＝SNR-10λlog₁₀(d)

(4.17)所以信噪比权重因子具体表达式为：

$w_{ri}=\frac{SNR-10{\mathrm{\&lambda;log}}_{10}\left(d_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{U-Y}{\&Sigma;}}SNR-10{\mathrm{\&lambda;log}}_{10}\left(d_i\right)}$

从上式可以知道，认知用户与主用户之间的距离越大，接收到的信号能量越小。

(4.18)距离权重因子为：

$w_{di}=1-\frac{{\log }_{10}\left(d_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{U-Y}{\&Sigma;}}{\log }_{10}\left(d_i\right)}$

其中，d_i为第i个认知用户到主用户之间的距离。

(4.19)不同的认知用户，它的信噪比越大则权重值越大；距离越大，权重越小，对于单个认知用户来说，信噪比权重和距离权重之和为1，因此为了保证和为1，假设w_ri和w_di分别为0.5。得到认知用户i的权重值为：

$w_i=\frac{1}{2}(w_{ri}+w_{di})$

(4.20)认知用户权重公式：

$w_i=\frac{1}{2}(\frac{SNR-10{\mathrm{\&lambda;log}}_{10}\left(d_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{U-Y}{\&Sigma;}}SNR-10{\mathrm{\&lambda;log}}_{10}\left(d_i\right)}+(1-\frac{\log \left(d_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{U-Y}{\&Sigma;}}{\log }_{10}\left(d_i\right)}\left)\right)$

(4.21)路边单元对接收的认知用户结果进行判决规则如下：

在本发明优选实例中，路边单元并不是将判断为空闲的子频段的整个频段放入到空闲频谱池中，而是仅将空闲子频段的中间值放入到频谱池中。比如判断50-60MHz为空闲频段，则将55MHz这个中间值放入到空闲频谱池中。

(5)路边单元根据决策的最终结果，将可利用的频谱分配给待通信的认知用户。认知用户的认知通信机接收到空闲频段信息后将该信息传输给认知中心处理器，认知中心处理器控制认知用户本振调整通信频率到空闲频段进行通信，与此同时，本发明还能利用循环前缀算法检测出授权用户出现与否，并且利用干扰温度来判断是否需要认知用户退出使用授权的频段。

(5.1)干扰温度定义为：

$T_I(f_c,B_g)=\frac{P_I(f_c,B_g)}{{\mathrm{\&theta;B}}_g}$

其中，T_I是绝对温度，单位是开尔文K；P_I(f_c,B_g)是认知用户接入产生的干扰和噪声的平均功率，单位为瓦特W，干扰温度统一考虑认知用户接入产生的干扰和噪声，将其统称为干扰信号，这个干扰信号的频点为f_c，带宽为B_g，θ是玻尔兹曼常数，为1.38×10^-23J/K。

(5.2)干扰温度模型的表达式如下：

$T_I(f_c,B_g)+\frac{\mathrm{\&xi;}P}{{\mathrm{\&theta;B}}_E}\&le;T_L\left(f_c\right)$

其中，B_E是整个频段范围，ξ是乘性衰落值，P为认知用户的平均功率，T_L(f_c)表示干扰温度门限。

(5.3)已知信号带宽B_g和其中心频率f_c，可利用下式计算出干扰温度的值：

$T_I(f_c,B_g)=\frac{P(f_c-\frac{B_g}{2-\mathrm{\&tau;}})+P(f_c+\frac{B_g}{2+\mathrm{\&tau;}})}{2{\mathrm{\&theta;B}}_g}$

其中，τ为安全限度,B_g为信号带宽，f_c为中心频率，θ为玻尔兹曼常数。

(5.4)干扰温度的执行过程：设置一个合理的干扰温度门限，以某种方式准确的测量出授权接收机出的干扰温度，也就是说认知用户必须明确目标频带内现有的通信用户的工作状况，然后利用干扰温度的计算公式定量的计算出有认知用户存在时的干扰温度值，如不超过预设的门限，则认知用户和授权用户可以共存；若超过预设门限，则认知用户需退出授权频段的使用。

(5.5)假设所设定的干扰温度门限为T_L(f_c),存在认知用户时授权用户接收机处的干扰温度依据式(5.3)所得值为T_I(f_c,B_g)_test，将测得的干扰温度值T_I(f_c,B_g)_test代入式(5.2)中，若满足，则说明认知用户可以和授权用户共存，此时认知用户不需要退出使用频段；若不满足，则认知用户需要退出授权频段的使用，重新寻找可用空闲频谱。

(6)当频谱分配完成之后，路边单元将频谱池清空，开始准备下一个周期。

实现上述方法的具有认知功能的车载通信系统，其结构框图如图3所示，该系统包括认知用户和设置在路边单元(RSU)。每个认知用户包括认知中心处理器、认知通信机、基站通信机、基站中心处理器、控制中心、射频前端、基带处理模块和车载单元(OBU)，其中认知通信机和基站通信机均为2.4G通信机。每个认知用户包括认知中心处理器、认知通信机、基站通信机、基站中心处理器、控制中心、射频前端、基带处理模块和车载单元。基站中心处理器连接基站通信机；基站通信机和认知通信机通过天线连接；认知中心处理器连接认知通信机。基站中心处理器连接射频前端的射频前端本；射频前端连接基带处理模块，基带处理模块连接基站中心处理器。基站中心处理器连接控制中心；控制中心连接车载单元；车载单元通过天线连接路边单元。

射频前端采用零中频结构将射频信号搬移到零频。射频前端主要由射频天线、前低通滤波器、低噪声放大器、衰减器、第二级放大器、混频器、射频前端本振、后低通滤波器和自动增益控制器顺序连接组成。射频天线的输出端连接前低通滤波器的输入端；前低通滤波器的输出端连接低噪声放大器的输入端；低噪声放大器的输出端经衰减器与第二级放大器的输入端相连；第二级放大器的输出端连接混频器的一输入端，基站中心处理器经射频前端本振连接混频器的另一输入端；混频器的输出端分为I、Q两路输出端：其中I、Q两路输出端分别连接各自的第一级自动增益放大器的输入端，且I、Q两路的第一级自动增益放大器的输出端经各自的后低通滤波器后与各自的第二级自动增益放大器的输入端相连。

射频天线接收DVB-T频段信号，通过低噪声放大器进行线性放大，其中低噪声放大器采用型号为MAX2130的芯片，工作范围为50-878MHz，能够覆盖DVB-T的全部频段；接收信号经衰减器和第二级放大器后与本振频率进行混频，射频前端本振采用锁相环与单片机构成，锁相环采用型号为ADF4351的芯片，它的输出频率范围为35MHz-4400MHz，通过单片机向锁相环内部写入相应的寄存器值就可以改变锁相环的输出频率；基站中心处理器控制本振输出相应的本振频率与射频信号进行混频，将各个子频段的中频点混频到零中频处，混频器采用的型号为ADL5387的芯片，工作频率范围是30MHz-2GHz，可以进行直接下变频调制，本振频率与射频信号混频后产生I、Q两路基带信号。I、Q两路基带信号各通过低通滤波器经自动增益控制后将信号送入基带处理模块。。

基带处理模块由一个双通道的模数转换器和FPGA组成，射频接收模块的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器输出端连接FPGA的输入端。模数转换器采用型号为AD9248的芯片，该芯片是14位双通道AD转换芯片；I/Q两路信号经过AD转换后变为数字基带信号；数字芯片FPGA选用型号为Cyclone II EP2C8Q240C8N的芯片，数字基带信号进入FPGA后对其进行数字处理。FPGA内部的数字处理器对各个输入的子频段进行频谱检测。即数字芯片内部加有双门限能量检测算法和循环前缀算法。双门限能量检测算法可以检测出空闲的频段，循环前缀算法专门用于检测DVB-T信号，它可以检测出认知用户在使用授权频段的时候授权用户是否出现占用该频段，若检测出授权用户出现，则利用干扰温度进行判断认知用户是否需要退出使用该频段。

本发明提出一种基于短距离通信的具有认知功能的车载通信系统和方法，该方法将DSRC(短距离通信)与认知无线电结合起来，运用到车载通信中，既能在DSRC授权频段空闲时使用授权频段，也能在授权频段繁忙时开启认知功能，检测居民区DVB-T的频段使用情况并且利用，有效的提高了频谱利用率。

Claims (8)

1.具有认知功能的车载通信方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1.待通信的认知用户向路边单元发送通信请求；

步骤2.路边单元判断是否存在空闲的短距离通信频段；若有空闲的短距离通信频段，则路边单元将感知到的空闲短距离通信频段报告给待通信的认知用户，待通信的认知用户直接使用空闲短距离通信频段进行通信；若无空闲的短距离通信频段，则路边单元向附近的认知用户广播，接收到广播的认知用户开启认知功能，进行频谱感知；

步骤3.接收到广播的认知用户接收DVB-T频段信号，并对整个DVB-T频段按照预设的子频段带宽进行分段，并采用加权双门限能量检测的协作频谱感知方法来判断各个子频段是否空闲，并将判决结果发送给路边单元；

步骤4.路边单元根据决策的最终结果，将可用的空闲子频段放入到频谱池中，并分配给待通信的认知用户。

2.根据权利要求1所述的具有认知功能的车载通信方法，其特征是，步骤3中，加权双门限能量检测的协作频谱感知方法的过程如下：

步骤3.1.设定双门限V_th0和V_th1，且V_th0<V_th1；

步骤3.2.针对每个子频段，接收到广播的认知用户i计算在该子频段内的感知能量C_i；

步骤3.3.将该子频段的感知能量C_i与双门限V_th0和V_th1进行比较；

当C_i>V_th1时，判定为存在主用户信号，此时检测结果为不可用；随后该认知用户计算检测结果为不可用时的信任度，并以此来判断该检测结果是否可信；若检测结果可信，则将该子频段不可用的判决结果G_i＝1发送给路边单元，否则，自动丢弃该数据；

当C_i<V_th0时，判定为不存在主用户信号，此时检测结果为可用；随后该认知用户计算检测结果为可用时的信任度，并以此来判断该检测结果是否可信；若检测结果可信，则将该子频段可用的判决结果G_i＝0发送给路边单元，否则，自动丢弃该数据；

当V_th0≤C_i≤V_th1时，不确定是否含有主用户信号，此时直接将感知能量C_i发送到路边单元；路边单元利用信噪比加权因子和距离加权因子将接收到的认知用户的感知能量C_i进行加权计算，并利用加权准则得出判决结果B；即当时，判决结果B＝0；当时，判决结果B＝1；

步骤3.4.路边单元将所有认知用户的判决结果利用或准则做出各个子频段的最终判决结果：即当时，该子频段不可用；否则，该子频段可用；

其中，U为所有接收到广播的认知用户个数，Y为感知能量C_i在V_th0和V_th1之外的认知用户个数，U-Y为感知能量C_i在V_th0和V_th1之间的认知用户个数，w_i为第i个认知用户的权重因子。

3.根据权利要求2所述的具有认知功能的车载通信方法，其特征是，步骤3.3中，判断检测结果是否可信的过程如下：

步骤3.3.1.计算感知能量C_i的估计均值和估计方差；

步骤3.3.2.设定均值的置信区间和方差的置信区间；

步骤3.3.3.若估计均值在均值的置信区间内，并且估计方差在方差的置信区间内，则

在检测结果为可用时，计算检测结果为可用时的信任参数t₀，若符合-ε≤t₀≤ε，则说明检测结果可信，否则说明检测结果不可信；其中ε为修正因子；

在检测结果为不可用时，计算检测结果为不可用时的信任参数t₁，若符合t₁>>ε，则说明检测结果可信，否则说明检测结果不可信；其中ε为修正因子；

步骤3.3.4.若估计均值不在均值的置信区间内或估计方差不在方差的置信区间内，则说明所求得估计均值和估计方差有误，增加采样点数，并返回步骤3.3.1重新计算估计均值和估计方差，直到所求得的估计均值和估计方差在相应的置信区间内。

4.根据权利要求1所述的具有认知功能的车载通信方法，其特征是，步骤4中，仅将可用的空闲子频段的中间值放入到频谱池中。

5.根据权利要求1所述的具有认知功能的车载通信方法，其特征是，还进一步包括：

步骤5.待通信的认知用户在使用空闲子频段通信的过程中，利用循环前缀方法检测出授权用户出现与否；一旦授权用户存在，则利用干扰温度来判断是否需要待通信的认知用户退出使用授权的子频段。

6.根据权利要求5所述的具有认知功能的车载通信方法，其特征是，步骤5中，当存在认知用户时授权用户接收机处的干扰温度满足下式时，认知用户可以和授权用户共存，此时认知用户不需要退出当前使用的子频段；否则，认知用户需要退出当前使用的子频段，并返回步骤1重新寻找可用空闲子频段；

$T_I(f_c,B_g)+\frac{\mathrm{\&xi;}P}{{\mathrm{\&theta;B}}_E}\&le;T_L\left(f_c\right)$

式中，T_I(f_c,B_g)_test为干扰温度；ξ为乘性衰落值，P为认知用户的平均功率，θ是玻尔兹曼常数，B_E是整个频段范围，T_L(f_c)表示干扰温度门限。

7.实现权利要求1所述具有认知功能的车载通信方法的具有认知功能的车载通信系统，其特征是，包括2个以上的认知用户和路边单元；

每个认知用户包括认知中心处理器、认知通信机、基站通信机、基站中心处理器、控制中心、射频前端、基带处理模块和车载单元；

基站中心处理器连接基站通信机；基站通信机和认知通信机通过天线连接；认知中心处理器连接认知通信机；

基站中心处理器连接射频前端的射频前端本；射频前端连接基带处理模块，基带处理模块连接基站中心处理器；

基站中心处理器连接控制中心；控制中心连接车载单元；车载单元通过天线连接路边单元。

8.根据权利要求1所述具有认知功能的车载通信系统，其特征是，射频前端包括射频天线、前低通滤波器、低噪声放大器、衰减器、第二级放大器、混频器、射频前端本振、后低通滤波器和自动增益控制器；

射频天线的输出端连接前低通滤波器的输入端；前低通滤波器的输出端连接低噪声放大器的输入端；低噪声放大器的输出端经衰减器与第二级放大器的输入端相连；第二级放大器的输出端连接混频器的一输入端，基站中心处理器经射频前端本振连接混频器的另一输入端；混频器的输出端分为I、Q两路输出端，I、Q两路输出端各经后低通滤波器和自动增益控制器后，与基带处理模块的一路输入端相连。