CN109379117B - 车联网系统中联合发射天线和中继车辆选择的方法 - Google Patents

车联网系统中联合发射天线和中继车辆选择的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车联网系统中联合发射天线和中继车辆选择的方法，首先所有中继车辆根据目标车辆的导频信号估计信噪比并根据最大化准则得到其最佳中继车辆‑目标车辆的发射天线；其次，路侧单元每根天线依次发送导频信号，中继车辆由对应最佳发射天线进行转发，在目标车辆处得到路侧单元天线对应的系统信噪比；选择最大的系统信噪比值对应的路侧单元发射天线及相应的中继车辆作为该车联网传输系统的路侧单元发射天线及中继车辆；本发明的系统性能与复杂的最佳选择方法仅相差1dB，但能以较低的车联网系统复杂度、较短的最佳发射天线选择时间以及极小的反馈时隙来完成路侧单元发射天线和中继车辆的选择，从而大大降低车联网传输系统的开销。

Description

车联网系统中联合发射天线和中继车辆选择的方法
技术领域
本发明属于交通信息工程及控制领域，具体涉及一种车联网系统中联合发射天线和中继车辆选择的方法。
背景技术
车联网系统是指通过在车辆仪表台安装车载终端设备，实现对车辆所有工作情况和静、动态信息的采集、存储并发送。车载终端都安装有多天线，因此，可将多输入多输出技术应用于车联网系统。多输入多输出技术是实现各种无线通信标准中的更高传输速率、更大覆盖范围和更强端到端传输鲁棒性等目标的重要支撑技术。而中继协作技术使无线网络中的多个用户按照一定规则共享彼此的天线来进行信息传输，可以形成一个虚拟的多输入多输出网络，实现端到端传输的可靠性。因此，在车联网系统中可以结合多输入多输出技术和中继协作技术来更好地提升信息传输可靠性。
路侧单元和中继车辆的发射天线选择技术可以在获得空间分集的同时有效降低执行复杂度，在车联网系统中采用发射天线选择可以有效提高系统的抗衰落性能。
目前，车联网系统中发射天线选择的方法主要有以下两种：
一、最优天线选择方法。该方法首先通过发送导频得到每个中继车辆到目标车辆的最优发射天线；然后路侧单元每根天线依次发送导频并经过每个中继车辆转发至目标车辆来得到对应的系统信噪比，从中选出最优的路侧单元的发射天线。完成所有发射天线和中继车辆选择需要NS+MNS+MNR时隙和M+1个目标车辆的反馈时隙；其中M是中继车辆数目，NS、NR、ND分别是路侧单元、每个中继车辆和目标车辆的天线数目。
二、以最大化直传链路接收信噪比或最大化中继链路接收信噪比来选择直传链路的最佳发射天线或中继链路的最佳发射天线进行通信。主要步骤为：首先通过发送导频得到每个中继车辆到目标车辆的最优发射天线；然后路侧单元每根天线发送导频并经过每个中继车辆转发至目标车辆来得到对应的直传链路最佳发射天线或中继链路最佳发射天线来进行通信；完成分别天线选择需NS+MNR+2M+1时隙和NS+MNS+MNR+M+1时隙。
其中方法一所需时间长，反馈开销大，在目标车辆端的计算复杂度高；方法二复杂度稍低，但天线选择的时间长度会随着中继的增加而不断扩大。此外，两种方法所采用的最大合并比的方式会增加中继车辆和目标车辆的计算复杂度。
发明内容
本发明针对上述车联网系统中协作信号最大合并比的合并方式复杂度高的缺点，以及现有天线和中继车辆选择所需时间长及反馈大的问题，提出一种基于选择合并的最佳发射天线和中继车辆选择方法，以降低系统复杂度并缩短选择时间。此方法仅需NS+MNS+ND时隙和1个反馈时隙。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：车联网系统中联合发射天线和中继车辆选择的方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将路侧单元S的天线、目标车辆D的天线、中继车辆R以及每一个中继车辆进行编号；
步骤2，通过目标车辆D的所有天线依次广播导频信号，路侧单元和所有中继车辆在接收到该导频信号得到中继车辆的最佳接收天线；
步骤3，路侧单元的天线广播导频信号，中继车辆和目标车辆接收该导频信号；
步骤4，中继车辆通过步骤2中对应的最佳发射天线将步骤3接收到的导频信号发送至目标车辆D；目标车辆D根据该中继车辆-目标车辆的信号与步骤3中接收到的路侧单元-目标车辆信号，按放大转发协作协议计算该中继车辆参与协作的系统信噪比；
步骤5，重复步骤4，得到该路侧单元发射天线信号经所有中继车辆参与转发信号的系统信噪比；
步骤6，重复步骤3～步骤5得到所有路侧单元发射天线信号经所有中继车辆依次转发后对应的系统信噪比；
步骤7，将步骤6中得到的所有系统信噪比最大值所对应的路侧单元发射天线和中继车辆分别定为最佳路侧单元发射天线和最佳参与协作的中继车辆。
i为路侧单元S的发射天线序号，1≤i≤NS，NS为路侧单元S的天线个数；l为中继车辆序号，1≤l≤M，M为中继车辆个数；q为中继车辆的天线序号，1≤q≤NR，NR一个中继车辆的天线个数，j为目标车辆D的天线序号，1≤j≤ND，ND为路侧单元D的天线个数。
步骤2中，在采用选择合并得到最佳接收天线，并以此作为中继车辆到目标车辆的最佳发射天线。
步骤2中，中继车辆R到目标车辆D的最佳发射天线选择方法如下：
Figure BDA0001863606190000031
其中，
Figure BDA0001863606190000032
代表第l个中继车辆的第q根天线到目标车辆第j根天线间的信噪比。
步骤3中，中继车辆和目标车辆的所有天线接收信号后用选择合并的方式合并信号，此时第l个中继车辆和目标车辆接收信号的信噪比分别如下：
Figure BDA0001863606190000033
Figure BDA0001863606190000034
其中，
Figure BDA0001863606190000035
分别代表路侧单元S第i根天线到目标车辆D第j根天线间的信噪比以及路侧单元S第i根天线到第l个中继车辆的第p根天线间的信噪比。
步骤4中所述协作协议为放大转发和译码转发。
步骤4中，中继车辆参与协作的系统信噪比的大小计算如下：
Figure BDA0001863606190000041
其中，
Figure BDA0001863606190000042
代表路侧单元S第i根天线经第l个中继车辆的第p根天线协作转发到目标车辆的系统信噪比。
车联网系统中所有信道经历相互独立的瑞利平坦衰落。
与现有技术相比本发明至少具有以下有益效果：本发明采用选择合并的合并方式，通过从目标车辆的每根天线依次广播导频得到路侧单元和每个中继车辆的最佳发射天线，对于中继车辆数目较多的系统，有效降低中继车辆最佳发射天线选择所需时间，系统开销得到明显降低；本发明采用选择合并的合并方式，相比最大比合并的合并方式，极大降低路侧单元最佳发射天线和中继车辆选择的复杂度；本发明的仿真结果与最佳发射天线选择方法的性能仅差1dB，但本发明大大降低车联网传输系统的复杂度，与最佳发射天线选择方法相比，减少了MNR+M-ND的天线选择时间，且仅需一个反馈时隙，因此，本发明以极低的代价极大地降低了系统计算复杂度，并且，随着中继车辆数目M的增大，基于本发明的车联网系统优势会更加明显，因此本发明具有良好的工程应用前景。
附图说明
图1是车联网传输系统模型图；
图2是中继车辆最佳发射天线识别示意图；
图3是路侧单元向中继车辆和目标车辆广播导频信号示意图；
图4是中继车辆通过最佳发射天线向目标车辆转发路侧单元信号的示意图；
图5是本发明流程简图；
图6是本发明与其它方法的仿真结果对比图；其中，I为本发明基于选择合并的天线及中继选择仿真曲线，II为基于最大合并比的天线及中继选择仿真曲线，III为本发明基于选择合并的天线及中继选择的理论下界曲线，IV为本发明基于选择合并的天线及中继选择的近似下界曲线。
具体实施方式
下面参照附图并结合实例对本发明做进一步描述。
参照图1所示本发明采用的系统模型包括一个多天线路侧单元S、M个多天线中继车辆Rm和一个多天线目标车辆D；假设系统中所有信道经历相互独立的瑞利平坦衰落。以放大转发协作方式为例，路侧单元、中继车辆和目标车辆的天线数目分别为NS、NR和ND，路侧单元和中继车辆的发射功率均为PS，中继车辆和目标车辆处的噪声功率均为N0。
在每次信息传输前，首先在路侧单元S和中继车辆处执行发射天线和中继车辆选择。随后，启动传统的两阶段协作传输过程，其端到端的信噪比为
Figure BDA0001863606190000051
其中，γ代表端到端信噪比，i为路侧单元S的发射天线序号，l为选中的中继车辆的序号，p、q分别为该中继车辆的接收序号和发射天线序号，j1和j2分别是直传链路和中继链路在目标车辆的接收天线序号。
参照图2至图5，具体实施方法如下：
(1)初始化：将路侧单元S的天线、目标车辆D的天线、中继车辆R以及每一个中继车辆进行编号；i为路侧单元S的发射天线序号(其中1≤i≤NS，NS为路侧单元S的天线个数)，l为该系统中继车辆序号(其中1≤l≤M，该系统共M个中继车辆)，q为第l个中继车辆的天线序号(其中1≤q≤NR，NR为中继车辆的天线个数)，j为目标车辆D的天线序号(其中1≤j≤ND，ND为路侧单元D的天线个数)，并令i＝1，l＝1；
(2)如图2所示，目标车辆D的所有天线依次广播导频信号，路侧单元和所有中继车辆在接收到该导频信号后，采用选择合并的方式得到最佳接收天线，并以此作为中继车辆到目标车辆的最佳发射天线；选择方法如下：
Figure BDA0001863606190000061
(3)如图3所示，路侧单元的第i根天线广播导频信号，所有中继车辆和目标车辆的天线接收信号后用选择合并的方式合并信号，此时第l个中继车辆和目标车辆接收信号的信噪比分别如下：
Figure BDA0001863606190000062
Figure BDA0001863606190000063
(4)如图4所示，第l个中继车辆通过步骤(2)中得到的对应的最佳发射天线将导频信号发送到目标车辆D，目标车辆D根据该中继车辆-目标车辆的信号以及步骤(3)中接收到的路侧单元-目标车辆的信号按放大转发的协作协议计算第l个中继车辆参与协作的系统信噪比，系统信噪比大小如下：
Figure BDA0001863606190000064
(5)令l＝l+1，重复步骤(4)，得到第l+1个中继车辆参与转发信号的系统信噪比，直到轮询完所有M个中继车辆；得到所有中继车辆参与转发信号的系统信噪比；
(6)将i＝i+1，重复步骤(3)～步骤(5)，得到路侧单元第i+1根发射天线的发送信号经所有中继车辆依次转发后对应的系统信噪比，直到轮询完所有路侧单元的NS根发射天线，得到路侧单元所有发送天线发送信号经所有中继车辆一次转发后对应的系统信噪比；
(7)将所有步骤(6)中目标车辆D端得到的系统信噪比最大值对应的路侧单元发射天线和中继车辆分别定为最佳路侧单元发射天线和最佳参与协作的中继车辆，选择如下：
Figure BDA0001863606190000065
通过以上步骤得到最佳发射天线和最佳中继车辆进行数据传输。
本发明的效果可通过下面的仿真实例进一步说明。
一、仿真条件：
本仿真采用由一个2天线路侧单元S，两个2天线中继车辆Rm和一个单天线目标车辆D组成，系统中所有信道经历相互独立的瑞利平坦衰落。协作方式为放大转发，路侧单元和中继车辆的发射功率设为0～20W，中继车辆和目标车辆处的噪声功率均为1W，路径衰落系数为2，中继车辆和目标车辆处信号接收采用选择合并的接收方式，并在目标车辆处采用最大合并比的合并方式结合两条路线的接收信号。
二、仿真内容与结果：
图6给出了本发明和其它方法的仿真结果对比图，其中，I为本发明基于选择合并的天线及中继选择仿真曲线，II为基于最大合并比的天线及中继选择仿真曲线，III为本发明基于选择合并的天线及中继选择的理论下界曲线，IV为本发明基于选择合并的天线及中继选择的近似下界曲线。
图中可以看出，本发明的仿真结果性能与最佳发射天线选择方法相比仅差1dB，但本发明大大降低车联网传输系统的复杂度，与最佳天线选择方法比，减少了MNR+M-ND的天线选择时间，只需1时隙的反馈时间。因此，本发明以极低的代价极大地降低了系统计算复杂度。并且，随着中继车辆数目M的增大，基于本发明的车联网系统优势会更加明显，因此本发明具有良好的工程应用前景。

Claims (2)

1.车联网系统中联合发射天线和中继车辆选择的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，将路侧单元S的天线、目标车辆D的天线、中继车辆R以及每一个中继车辆进行编号；
步骤2，通过目标车辆D的所有天线依次广播导频信号，路侧单元和所有中继车辆在接收到该导频信号得到中继车辆的最佳接收天线；
步骤3，路侧单元的天线广播导频信号，中继车辆和目标车辆接收该导频信号；
步骤4，中继车辆通过步骤2中对应的最佳发射天线将步骤3接收到的导频信号发送至目标车辆D；目标车辆D根据该中继车辆-目标车辆的信号与步骤3中接收到的路侧单元-目标车辆信号，按放大转发协作协议计算该中继车辆参与协作的系统信噪比；
步骤5，重复步骤4，得到该路侧单元发射天线信号经所有中继车辆参与转发信号的系统信噪比；
步骤6，重复步骤3～步骤5得到所有路侧单元发射天线信号经所有中继车辆依次转发后对应的系统信噪比；
步骤7，将步骤6中得到的所有系统信噪比最大值所对应的路侧单元发射天线和中继车辆分别定为最佳路侧单元发射天线和最佳参与协作的中继车辆；i为路侧单元S的发射天线序号，1≤i≤NS，NS为路侧单元S的天线个数；l为中继车辆序号，1≤l≤M，M为中继车辆个数；q为中继车辆的天线序号，1≤q≤NR，NR一个中继车辆的天线个数，j为目标车辆D的天线序号，1≤j≤ND，ND为路侧单元D的天线个数；步骤2中，在采用选择合并得到最佳接收天线，并以此作为中继车辆到目标车辆的最佳发射天线；步骤2中，中继车辆R到目标车辆D的最佳发射天线选择方法如下：
Figure FDA0002849517650000011
其中，
Figure FDA0002849517650000012
代表第l个中继车辆的第q根天线到目标车辆第j根天线间的信噪比；步骤3中，中继车辆和目标车辆的所有天线接收信号后用选择合并的方式合并信号，此时第l个中继车辆和目标车辆接收信号的信噪比分别如下：
Figure FDA0002849517650000021
Figure FDA0002849517650000022
其中，
Figure FDA0002849517650000023
分别代表路侧单元S第i根天线到目标车辆D第j根天线间的信噪比以及路侧单元S第i根天线到第l个中继车辆的第p根天线间的信噪比；步骤4中所述协作协议为放大转发和译码转发；步骤4中，中继车辆参与协作的系统信噪比的大小计算如下：
Figure FDA0002849517650000024
其中，
Figure FDA0002849517650000025
代表路侧单元S第i根天线经第l个中继车辆的第p根天线协作转发到目标车辆的系统信噪比。
2.根据权利要求1所述的车联网系统中联合发射天线和中继车辆选择的方法，其特征在于，车联网系统中所有信道经历相互独立的瑞利平坦衰落。
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