CN107659519B - Lte-v2v中基于导频的多普勒门限判决方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LTE‑V2V中基于导频的多普勒门限判决方法。本发明利用估计出的导频处信道估计值，进行自相关操作，得到频域自相关ρm(n,k)，再对该自相关通过算法平均，滑动滤波后获得门限值
Figure DDA0001409446730000011
将门限值
Figure DDA0001409446730000012
与2000Hz多普勒下的标准门限进行比较，得出判决结果。本发明能够很好的估计出多普勒的范围，并反馈给系统的信道估计模块，选择合理的信道估计算法，其算法复杂度低，相应时间短，只需要30ms的时间便可以得到一个可靠的多普勒判决结果；且鲁棒性较高，信噪比不会对该算法有所影响，此外，不同的信道环境也不会对本发明产生性能恶化。

Description

LTE-V2V中基于导频的多普勒门限判决方法
技术领域
本发明属于LTE车联网通信领域，具体涉及基于导频的多普勒门限判决。
背景技术
近年来，美国、日本和欧盟等发达国家分别通过Connected Vehicles、VSC、SmartWay、CVIS和DriveC2X等项目，深入研究车与车(V2V(Vehicle-to-Vehicle))、车与路侧基础设施(V2I(Vehicle to Infrastructure))、车与人(V2P(Vehicle to People))等之间实时高效的双向通信，用来有效地解决传统激光、雷达、机器视觉分析等存在的距离、角度等缺陷，全方位提升汽车主动安全系统的感知范围，从而解决碰撞引起的事故和生命财产损失。同时，通过该系统还可以搭建车辆、行人以及路侧基础设施之间的信息交互桥梁，为交通参与者提供全时空的、高可靠的交通信息，实现人—车—路的充分协同，从而有效提升道路通行效率，减少排放，改善交通环境，增加出行舒适度。
V2V通信技术是一种不受限于固定式基站的通信技术，为移动中的车辆提供直接的一端到另一端的无线通信。即通过V2V通信技术，车辆终端彼此直接交换无线信息，无需通过基站转发。V2V技术与车辆碰撞预警的结合，对实现智能交通中车与车之间的安全行驶，对城市道路安全实现具有重要意义。所以，针对该场景的需求，必然需要低时延、高速率的通信系统。基于此，信道估计和实时信号处理成为了该系统的关键，并且对于接收机来说，解码的时间应该相当短，这也就要求信道估计的复杂度不能太高。
V2V系统中最难处理的问题在于克服复杂的通信环境。在城市区域，视距范围内的V2V通信经常被十字路口的建筑阻挡；在高速，处于通信路径上的卡车通常会带来严重的信号衰落及包损失。且多径衰落、阴影衰落、由高速移动引发普勒效应及复杂的城区通信环境将导致严重的无线损耗。由于大规模车辆的同时通信，车辆间的相互干扰也将扮演重要角色。毋庸置疑，准确的信道建模和估计方法是设计可靠V2X通信系统的先决条件。
3GPP(3rd Generation Partnership Project)已经提出了在V2V通信场景下，车辆速度最大支持为250km/h(相对速度达到500km/h)，在载波频率为5.9GHz下，最大多普勒频移将达到2800Hz(归一化多普勒频移18.7％)。多普勒的范围分布如此大的情况下，需要设置出估计多普勒大致范围的方法，从而选择合适的信道估计，当多普勒小于2000Hz时，则可以采用常规的信道估计算法，但是当期超过于2000Hz时，则需要选择更复杂的信道估计算法，以获得较好的解调性能。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种低复杂度的多普勒门限判决方法，在LTE-V2V系统中，利用导频来估计出多普勒大致范围，从而为信道估计处理时的估计算法选择提供选择依据。
本发明的LTE-V2V中基于导频的多普勒门限判决方法，包括下列步骤：
训练多普勒门限值Limit：
基于发射端导频信号和接收端导频信号进行导频处的信道频域响应估计，得到导频处信道估计值
Figure BDA0001409446710000021
其中p表示子帧内的导频处符号索引，n表示子帧索引，k表示子载波索引；
计算子帧内两个相邻的导频处信道估计值的互相关向量，记为
Figure BDA0001409446710000022
其中m表示子帧内除去最后一个导频处符号索引的导频处符号索引，m*表示子帧内m的下一个导频处符号索引；并计算子帧内导频处符号索引m处的信道估计值的自相关向量，记为rm,m(n,k)；根据公式
Figure BDA0001409446710000023
得到频域自相关ρm(n,k)；
构建训练数据ρ(s)＝ρm(n,k)，其中
Figure BDA0001409446710000024
K为子载波数；并按s的升序将各ρ(s)构成训练数据序列；
基于预设的训练次数R，长度为L的滑动滤波器F，对训练数据序列进行R次滑动滤波处理，得到R个滤波输出，每次滑动滤波输出为
Figure BDA0001409446710000025
其中q表示训练数据序列的索引；由R个滤波输出的均值得到多普勒门限值Limit；
多普勒门限判决步骤：
采用训练多普勒门限值Limit中构建训练数据序列相同的方式，基于待判决对象的导频处信道估计值构建长度为L的判决数据序列，并输入所述滑动滤波器F，得到一个滑动滤波输出
Figure BDA0001409446710000026
若
Figure BDA0001409446710000027
大于Limit，则判定当前待判决对象的多普勒小于2000Hz；否则判定当前待判决对象的多普勒大于2000Hz。
进一步的，还可以直接基于设置的多普勒门限值Limit(-0.0386)，进行判决处理，具体步骤如下为：
基于待判决对象的导频处的频域自相关ρm(n,k)构建L(预设值)个s连续变化的判决数据
Figure BDA0001409446710000031
其中
Figure BDA0001409446710000032
判定L个判决数据
Figure BDA0001409446710000033
的均值是否小于多普勒门限值Limit，若是，则判定当前待判决对象的多普勒小于2000Hz；否则判定当前待判决对象的多普勒大于2000Hz；
其中导频处的频域自相关ρm(n,k)的计算过程为：计算子帧内两个相邻的导频处信道估计值的互相关向量，记为
Figure BDA0001409446710000034
m*表示子帧内导频处符号索引m的下一个导频处符号索引；并计算子帧内导频处符号索引m处的信道估计值的自相关向量，记为rm,m(n,k)；根据
Figure BDA0001409446710000035
得到频域自相关ρm(n,k)。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明能够很好的估计出多普勒的范围，并反馈给系统的信道估计模块，选择合理的信道估计算法。
(2)本发明的算法复杂度低，相应时间短，只需要30ms的时间便可以得到一个可靠的多普勒判决结果。
(3)本发明的鲁棒性较高，信噪比不会对该算法有所影响，此外，不同的信道环境也不会对本发明产生性能恶化。
附图说明
图1为3GPP提出的LTE-V2V导频结构。
图2为本发明的接收机框图。
图3为本发明中不同门限值对判决正确率的影响。
图4为本发明中滑动滤波器长度对判决正确率的影响。
图5为不同信噪比对判决正确率的影响。
图6为不同信道环境对判决正确率的影响。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
由3GPP提出的LTE-V2V系统的标准导频格式如图1所示，由于时间方向的导频间隔较大，而频域方向的间隔很小。所以，对于这样的一整个符号都作为导频的帧结构，可以充分利用导频信息来进行多普勒的范围估计。本发明的基本思想就是先训练多普勒在2000Hz时，求解该多普勒下的CFR相关系数，并通过算术平均、滑动滤波后得到2000Hz下的门限值Limit。训练结束后，在针对其余多普勒情况下，与门限值进行对比估计出多普勒的范围。
LTE-V2V系统中的接收机结构参见图2，其包括除循环前缀(CP)、OFDM解调、多普勒门限判决模块、信道估计、信道均衡、IDFT、信道解码。将本发明的闷响判决方法应用到接收机的多普勒门限判决模块，整个接收机的处理过程为：
步骤1：接收机接收到的一个子帧(14个OFDM符号)的频域信号R，去除循环前缀再经过OFDM解调后，分别得到频域导频信号Rpilot和数据信号Rdata。
步骤2：通过发射端的频域导频信号Xpilot和接收端的频域导频信号Rpilot，运用最小二乘求解出导频符号处的CFR：
Figure BDA0001409446710000041
步骤3：CFR取相关：利用估计出的导频处的
Figure BDA0001409446710000042
计算对应互相关和自相关向量：
Figure BDA0001409446710000043
其中n代表时域子帧，k代表子载波，且n＝0,1,2,…；k＝1,2,…K。
步骤4：能量归一化：
Figure BDA0001409446710000044
步骤5：数据组合：
令
Figure BDA0001409446710000045
则有
Figure BDA0001409446710000046
其中ρ(s)＝ρm(n,k)，
Figure BDA0001409446710000047
n(n＝0,1,2…)为子帧索引。k(k＝1,2,…,K)为子载波索引。m(m＝2,5,8)为子帧内导频处符号索引。当完成了CFR取相关这个步骤后，再对得到的归一化互相关向量
Figure BDA0001409446710000048
进行滑动滤波处理。
步骤6：滑动滤波处理：
Figure BDA0001409446710000049
其中，L为滑动滤波器长度，q表示训练数据序列的索引。
经过滑动滤波器后，可以得到输出的取值，对于训练过程，需要求算术平均得到2000Hz多普勒门限值Limit；对于判决过程，则只需要将输出值与门限值进行对比即可。
步骤7：对
Figure BDA0001409446710000051
进行门限平均，取得2000Hz的门限值：
Figure BDA0001409446710000052
其中R为预设的门限长度，即滑动滤波次数。
步骤8：判别其余多普勒：
Figure BDA0001409446710000053
其中，
Figure BDA0001409446710000054
为其余多普勒经过滑动滤波器后的值，即待判决对象的1次滑动滤波输出。
当完成多普勒的判决后，将结果反馈给信道估计模块，根据不同的多普勒选择合适的信道估计算法，然后将估计得到的信道冲击响应输入给信道均衡模块进行信道均衡，最后通过信道解码模块输出比特流完成解调，输出二进制比特流数据
Figure BDA0001409446710000055
实施例
在LTE-V2V系统中按照表1给出的仿真参数进行仿真试验，以验证本发明的判决效果，图3显示了不同门限值对判决正确率的影响，合理的设置2000Hz的门限值，使得在该门限值下面满足以下3个约束条件：
1.对2000Hz本身的正确率必须分布在合理的范围内(50％左右)
2. 2000Hz附近的多普勒，例如1950Hz，2050Hz，其正确率必须大于2000Hz本身的正确率
3. 2000Hz附近的多普勒正确率分布大致相等
表1仿真参数
Figure BDA0001409446710000056
Figure BDA0001409446710000061
由图3可知，通过理论计算的信道相关性贝塞尔函数值并不能很好的作为2000Hz多普勒的门限值，通过微调门限值，可以取得较好的正确率。
表2仿真参数
Figure BDA0001409446710000062
图4显示了滑动滤波器长度对判决正确率的影响，按照表2设置仿真参数，得到图4中的判决正确率，由图4可知，滑动滤波器越长判决的精度越高。在实际场景中，滑动滤波器长度为20×104时，意味着经过约111个子帧(0.111秒)才能判决出其余多普勒的大致范围。为了精度和判决时间最优化选择5×104作为滑动滤波器的长度，该长度较短，当经过约27个子帧(0.027秒)就能判决出多普勒大致范围。判决精度在1800Hz—2200Hz相对不算高，但在0-1800Hz，2200Hz-2800Hz能够很好的判决出多普勒。由图4的结果，设置门限为-0.0386，并且取得滑动滤波器长度为5×104。对于其他多普勒需要(5×104)/1800≈27个子帧(0.027秒)，即当数据充满滑动滤波器后，就可以与2000Hz门限值比较得出多普勒所在范围。
按照表2设置仿真参数，修改信噪比的取值分别为0dB、10dB、20dB，得到图5所示的信噪比对判决正确率的影响。从图5可以看出，信噪比对本发明几乎没有影响，故本发明能够很好的适用于不同的信噪比环境中
，按照表2设置仿真参数，修改信道模型为2径信道，得到图6所示的不同信道环境对判决正确率的影响。从图6可以看出，本发明针对设置的2径测试信道也能够发挥作用。故信噪比对本发明几乎没有影响，能够很好的适用于不同的信噪比环境中。且2000Hz的门限值设置为-0.0386能够适用于不同的信噪比和信道环境。
本发明从导频信号相关性的角度设计了多普勒范围估计，并测试了本发明的门限判定方法和门限值、本发明在不同信噪比下和不同信道条件下的性能。在判决精确度和判决时间最优的前提下，提出了滑动滤波器长度(5×104)的方案。通过仿真找到了2000Hz下合理的门限值：-0.0386，判别其他多普勒范围大约需要0.027秒，在多普勒为0-1800Hz和2200Hz-2800Hz能够完全正确的分辨出来，若需要提高判决精度可以设置较长的滑动滤波器长度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.LTE-V2V中基于导频的多普勒门限判决方法，其特征在于，包括下列步骤：
训练多普勒门限值Limit：
基于发射端导频信号和接收端导频信号进行导频处的信道频域响应估计，得到导频处信道估计值
Figure FDA0002383953130000011
其中p表示子帧内的导频处符号索引，n表示子帧索引，k表示子载波索引；
计算子帧内两个相邻的导频处信道估计值的互相关向量，记为
Figure FDA0002383953130000012
其中m表示子帧内除去最后一个导频处符号索引的导频处符号索引，m*表示子帧内m的下一个导频处符号索引；并计算子帧内导频处符号索引m处的信道估计值的自相关向量，记为rm,m(n,k)；根据公式
Figure FDA0002383953130000013
得到频域自相关ρm(n,k)；
构建训练数据ρ(s)＝ρm(n,k)，其中
Figure FDA0002383953130000014
K为子载波数；并按s的升序将各ρ(s)构成训练数据序列；
基于预设的训练次数R，长度为L的滑动滤波器F，对训练数据序列进行R次滑动滤波处理，得到R个滤波输出，每次滑动滤波输出为
Figure FDA0002383953130000015
其中q表示训练数据序列的索引；由R个滤波输出的均值得到多普勒门限值Limit；
多普勒门限判决步骤：
采用训练多普勒门限值Limit中构建训练数据序列相同的方式，基于待判决对象的导频处信道估计值构建长度为L的判决数据序列，并输入所述滑动滤波器F，得到一个滑动滤波输出
Figure FDA0002383953130000016
其中i表示判决数据序列的索引；若
Figure FDA0002383953130000017
大于Limit，则判定当前待判决对象的多普勒小于2000Hz；否则判定当前待判决对象的多普勒大于2000Hz。
2.LTE-V2V中基于导频的多普勒门限判决方法，其特征在于，包括下列步骤：
基于待判决对象的导频处的频域自相关ρm(n,k)构建L个s连续变化的判决数据
Figure FDA0002383953130000018
其中
Figure FDA0002383953130000019
m表示子帧内除去最后一个导频处符号索引的导频处符号索引，n表示子帧索引，k表示子载波索引，K为子载波数，L为预设值；
判定L个判决数据
Figure FDA0002383953130000021
进行滑动滤波后的值是否小于多普勒门限值Limit，若是，则判定当前待判决对象的多普勒小于2000Hz；否则判定当前待判决对象的多普勒大于2000Hz；其中多普勒门限值Limit为-0.0386；
所述导频处的频域自相关ρm(n,k)的计算过程为：
基于发射端导频信号和接收端导频信号进行导频处的信道频域响应估计，得到导频处信道估计值
Figure FDA0002383953130000022
其中p表示子帧内的导频处符号索引，n表示子帧索引，k表示子载波索引；
计算子帧内两个相邻的导频处信道估计值的互相关向量，记为
Figure FDA0002383953130000023
m*表示子帧内导频处符号索引m的下一个导频处符号索引；并计算子帧内导频处符号索引m处的信道估计值的自相关向量，记为rm,m(n,k)；根据
Figure FDA0002383953130000024
得到频域自相关ρm(n,k)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，L的取值为5×104。
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