CN116782180A - 车联网通信与传感波束切换策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车联网通信与传感波束切换策略，包括：在车辆经过路侧单元范围时，第一条波束发送感知信号用于感知车辆速度；根据第一条波束所测得的速度值，确定车辆到达第二条波束所在位置时的所需时间T；路侧单元判断通信信号能否在T秒内传输完成，若否，则切换到第二条波束继续传输通信信号；在波束切换时，第二条波束会感知车辆是否存在，如果存在，那么继续测量距离和角度，再继续接力通信，如果不存在，则将波束切回至第一条波束的位置；进行路侧单元间的波束协调。本发明的有益效果是：本发明使用了开销更低的PRS辅助切换策略，这种策略能够有效降低系统切换策略开销，并且有效提升总体数据传输速率。

Description

车联网通信与传感波束切换策略

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更确切地说，它涉及车联网通信与传感波束切换策略。

背景技术

5G的发展其中大规模阵列天线是5G基站中最重要的一环，这一项技术能提高无线信号的传输速率、可靠性和效率。其主要作用有以下几个方面：

1、增强信号覆盖范围：大规模天线阵列可以通过在空间中分配天线来增强信号的覆盖范围，使信号能够到达远离基站的用户，从而扩大通信覆盖范围。

2、提高信号传输速率：大规模天线阵列可以通过在时间、频率和空间上复用信号，从而提高无线信号的传输速率和吞吐量。

3、减少干扰和提高信号质量：大规模天线阵列可以通过采用空间信号处理技术，例如波束成形和干扰消除，来减少干扰并提高信号质量。

4、支持更多的用户连接：大规模天线阵列可以同时处理更多的用户连接请求，从而提高网络的容量和效率。

大规模天线中的波束形成是一种利用阵列天线的空间信号处理技术，旨在将天线阵列发射或接收的信号聚焦到特定方向，以增强信号强度和抑制干扰，波束形成技术已广泛应用于雷达、通信、声学等领域。传统的方法是利用光束扫描技术来实现波束切换，但是这种方法不适合高速运动的车联网场景，因为此场景下车辆的运动速度可能会很快，导致无法及时的进行波束切换，同时如果使用接收端和发送端波束对执行强力搜索，那无线系统开销将会是基站难以承受的。针对这一现象，也有工作在考虑，例如通过专用短程通信(DSRC)，但是该方法仍然需要车辆的位置速度等信息的上行发送，依然会有通信开销。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了车联网通信与传感波束切换策略。

第一方面，提供了车联网通信与传感波束切换策略，包括：

步骤1、在车辆经过路侧单元(Road Side Unit，RSU)范围时，第一条波束发送感知信号(Position Reference Signal，PRS)用于感知车辆速度；

步骤2、根据第一条波束所测得的速度值，确定车辆到达第二条波束所在位置时的所需时间T；路侧单元判断通信信号能否在T秒内传输完成，若否，则切换到第二条波束继续传输通信信号；在波束切换时，第二条波束会感知车辆是否存在，如果存在，那么继续测量距离和角度，再继续接力通信，如果不存在，则将波束切回至第一条波束的位置；

步骤3、复用步骤2到剩余波束，当车辆离开最后一条波束时，会发生跨路侧单元间的波束协调，此时第二个路侧单元会接收到第一个路侧单元未发送的信息继续感知车辆并产生通信信号。

作为优选，步骤1中，所述感知信号使用两段波形的方式进行测量，发射第一段波形探测到距离和角度之后，再发射一段相同波形探测角度和距离，再根据正弦定理求出车辆这段时间内行驶的距离后，除以两波型发射时间之差，确定车辆速度。

作为优选，步骤2中，波束切回至第一条波束的位置时，用于发送通信信号，并在通信时，车辆将速度信息上报给路侧单元。

作为优选，步骤2中，每次的波束切换都会使路侧单元重新分配整个系统的功率。

作为优选，步骤1中，每条波束都能利用时分复用的方式发送通信和感知的信号，通信频段为毫米波频段，双工方式为时分双工(Time Division Duplexing，TDD)。

作为优选，在步骤1之前，对波束进行预训练，包括：

等间隔分布波束，每当车辆经过一个波束时，发送导频Pilot进而在接收端获得信道矩阵；通过接收端反馈给发送端，发送端也能获得所述信道矩阵；

进行奇异值分解，表示为：H＝USV^H，其中U、V为酉矩阵，H为信道矩阵，S是奇异值降序排列的对角矩阵；

将左奇异矩阵选取前N个列向量进行组合，成为新的预编码矩阵F，N为需要形成的波束数量；

将F乘以发送端所要发送的信号，即进行波束成形。

作为优选，每条波束随车经过的次数增加被训练的次数，当车经过时信噪比上下浮动小于M dB，则认为这条波束被训练完毕，M根据接收端的不同应用场景人为设置。

作为优选，通过改变波束的俯仰角，将步骤1-3应用于单双向多车道场景。

第二方面，提供了车联网通信与传感波束切换装置，用于执行第一方面任一所述的车联网通信与传感波束切换策略，包括：

发送模块，用于在车辆经过路侧单元范围时，第一条波束发送感知信号用于感知车辆速度；

切换模块，用于根据第一条波束所测得的速度值，确定车辆到达第二条波束所在位置时的所需时间T；路侧单元判断通信信号能否在T秒内传输完成，若否，则切换到第二条波束继续传输通信信号；在波束切换时，第二条波束会感知车辆是否存在，如果存在，那么继续测量距离和角度，再继续接力通信，如果不存在，则将波束切回至第一条波束的位置；

协调模块，用于复用切换模块到剩余波束，当车辆离开最后一条波束时，会发生跨路侧单元间的波束协调，此时第二个路侧单元会接收到第一个路侧单元未发送的信息继续感知车辆并产生通信信号。

本发明的有益效果是：

1.本发明摒弃了以往依靠搜索波束和导频信息交互来进行波束切换的策略，使用了开销更低的PRS辅助切换策略，这种策略能够有效降低系统切换策略开销，并且有效提升总体数据传输速率。此外，本发明采用预训练的波束，可以最大程度的降低通信导频开销。

2.本发明设计了一种新的时间帧方案，这个方案能够在保证感知车辆波束对准的同时能提升RSU与车辆进行通信的速率以及整体系统的总通信速率。

附图说明

图1为车联网通信与传感波束切换的应用场景示意图；

图2为时间帧格式示意图；

图3为车辆速度推导示意图；

图4为车联网通信与传感波束切换策略的流程图；

图5为一种车联网通信与传感波束切换装置的结构示意图；

图6为另一种车联网通信与传感波束切换装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1：

在5G基站的部署上，往往会涉及到车联网这个高速运动的场景，所以及时的波束切换和功率分配又显得尤为重要。

为了提升路侧单元服务区域内所有用户某一时间段内的总通信速率、单个用户通过单路侧单元服务区域时间段内的总通信速率以及减少波束切换的时间，本申请根据通信感知一体化方案，提供了车联网通信与传感波束切换策略，能够有效降低系统切换策略开销，并且有效提升总体数据传输速率。

在介绍车联网通信与传感波束切换策略之前，需要说明本申请实施例的应用场景为：考虑一段单向车道，车辆沿直线行驶，存在N个波束，每个波束间隔距离为D，每个波束在没有服务车辆的时候将会处于零功率状态，当有车辆进入波束服务范围时，开始根据整条道路的波束服务用户的数量进行功率分配，即：第N个波束开始服务用户，但是整条车道内没有其他用户，则将全部功率分配给此波束。

其中每条波束都能利用时分复用的方式发送通信和感知的信号，通信频段为毫米波频段，双工方式为TDD，概览如图1。

车联网通信与传感波束切换策略，如图4所示，包括：

步骤1、在车辆经过路侧单元范围时，第一条波束发送感知信号用于感知车辆速度。

步骤1中，如图2所示，感知信号使用两段波形的方式进行测量，发射第一段波形探测到距离和角度之后，再发射一段相同波形探测角度和距离，再根据正弦定理求出车辆这段时间内行驶的距离后，除以两波型发射时间之差，确定车辆速度。

具体地，如图3所示，已知d_nd_n-1Δθθ_n-1

只需要求出Δd即可。

根据正弦定理：

可以得到：

最后将其除以两段波束发Δt射时间差便可以得到车辆速度值。

步骤2、根据第一条波束所测得的速度值，确定车辆到达第二条波束所在位置时的所需时间T；路侧单元判断通信信号能否在T秒内传输完成，若否，则切换到第二条波束继续传输通信信号；在波束切换时，第二条波束会感知车辆是否存在，如果存在，那么继续测量距离和角度，再继续接力通信，如果不存在，则将波束切回至第一条波束的位置。

步骤2中，将波束切回至第一条波束的位置仍然是发送通信信号，但是此时的数据交互中车辆会将速度信息上报给路侧单元，所以可以及时知道车辆速度，并根据速度适时切换到第二条波束。这一步是为了排除瞬时速度的不确定性，也就是司机存在急刹车的可能性。同时，切换到了另一条波束后，那么会重新分配该道路内所有波束的功率，使得整个系统以及单用户达到更大的数据传输速率。

需要说明的是，每次的波束切换都会使路侧单元重新分配整个系统的功率，例如第一条波束不再服务的时候，那么第一条波束的功率将会降为0。

步骤3、复用步骤2到剩余波束，当车辆离开最后一条波束时，会发生跨路侧单元间的波束协调，此时第二个路侧单元会接收到第一个路侧单元未发送的信息继续感知车辆并产生通信信号。第二个路侧单元的部署与切换策略与步骤1-3相同。

此外，在上述实施例的基础上，本实施例还提供了另一种车联网通信与传感波束切换策略，通过改变波束的俯仰角，可以将步骤1-3应用于单双向多车道场景。

可见，本申请实施例并不需要车辆发送通信信号给路侧单元或路侧单元发送导频来搜索车辆位置，而是依靠感知信号回波，这个信号开销相对来说较小。同时在通信过程中，由于波束已经预训练好了，所以可以最大程度的降低通信导频开销。

实施例2：

在实施例1的基础上，本申请实施例提供了另一种通信与传感波束切换策略，包括：

步骤1、对波束进行预训练。

预训练波束采用如下方式：等间隔分布波束，每当车辆经过一个波束时，会发送导频进而在接收端获得信道矩阵，再通过接收端反馈给发送端，发送端也能获得这个信道矩阵。进而可以在波束成形时利用这个信道矩阵训练并构建质量更好的波束，包括以下步骤：

进行奇异值分解，表示为：H＝USV^H，其中U、V为酉矩阵，H为信道矩阵，S是奇异值降序排列的对角矩阵；

将左奇异矩阵选取前N个列向量进行组合，成为新的预编码矩阵F，N为需要形成的波束数量；

将F乘以发送端所要发送的信号，即可进行波束成形。

以上步骤循环一次被称之为一次波束训练。每经过一辆车，那么该条波束就会被训练一次，所以当训练结束后这样所形成的波束能够使主瓣方向有更好的指向性，副瓣的幅度更低，目标方向的信号增益更大，也具有更好的抗干扰和抗多径能力。

每经过一辆车，该条波束便能被训练的更好，当一条波束被训练的次数足够多，车经过时信噪比上下浮动小于MdB，则认为这条波束被训练完毕，M根据接收端的不同应用场景人为设置。

步骤2、在车辆经过路侧单元范围时，第一条波束发送感知信号用于感知车辆速度。

步骤2中，如图2所示，感知信号使用两段波形的方式进行测量，发射第一段波形探测到距离和角度之后，再发射一段相同波形探测角度和距离，再根据正弦定理求出车辆这段时间内行驶的距离后，除以两波型发射时间之差，确定车辆速度。

步骤3、根据第一条波束所测得的速度值，确定车辆到达第二条波束所在位置时的所需时间T；路侧单元判断通信信号能否在T秒内传输完成，若否，则切换到第二条波束继续传输通信信号；在波束切换时，第二条波束会感知车辆是否存在，如果存在，那么继续测量距离和角度，再继续接力通信，如果不存在，则将波束切回至第一条波束的位置。

步骤3中，将波束切回至第一条波束的位置仍然是发送通信信号，但是此时的数据交互中车辆会将速度信息上报给路侧单元，所以可以及时知道车辆速度，并根据速度适时切换到第二条波束。

步骤4、复用步骤3到剩余波束，当车辆离开最后一条波束时，会发生跨路侧单元间的波束协调，此时第二个路侧单元会接收到第一个路侧单元未发送的信息继续感知车辆并产生通信信号。

需要说明的，本实施例中与实施例1相同或相似的部分可相互参考，在本申请中不再赘述。

实施例3：

在实施例1的基础上，本申请实施例3提供了一种车联网通信与传感波束切换装置，如图5所示，包括：

发送模块，用于在车辆经过路侧单元范围时，第一条波束发送感知信号用于感知车辆速度。

具体的，感知信号使用两段波形的方式进行测量，发射第一段波形探测到距离和角度之后，再发射一段相同波形探测角度和距离，再根据正弦定理求出车辆这段时间内行驶的距离后，除以两波型发射时间之差，确定车辆速度。

切换模块，用于根据第一条波束所测得的速度值，确定车辆到达第二条波束所在位置时的所需时间T；路侧单元判断通信信号能否在T秒内传输完成，若否，则切换到第二条波束继续传输通信信号；在波束切换时，第二条波束会感知车辆是否存在，如果存在，那么继续测量距离和角度，再继续接力通信，如果不存在，则将波束切回至第一条波束的位置。

其中，每次的波束切换都会使路侧单元重新分配整个系统的功率。

协调模块，用于复用切换模块到剩余波束，当车辆离开最后一条波束时，会发生跨路侧单元间的波束协调，此时第二个路侧单元会接收到第一个路侧单元未发送的信息继续感知车辆并产生通信信号。

具体的，本实施例所提供的装置为实施例1提供的方法对应的装置，因此，在本实施例中与实施例1相同或相似的部分，可相互参考，在本申请中不再赘述。

实施例4：

在实施例3的基础上，本申请实施例提供了另一种车联网通信与传感波束切换装置，如图6所示，包括：

预训练模块，用于对波束进行预训练。

发送模块，用于在车辆经过路侧单元范围时，第一条波束发送感知信号用于感知车辆速度；

切换模块，用于根据第一条波束所测得的速度值，确定车辆到达第二条波束所在位置时的所需时间T；路侧单元判断通信信号能否在T秒内传输完成，若否，则切换到第二条波束继续传输通信信号；

协调模块，用于复用切换模块到剩余波束，当车辆离开最后一条波束时，会发生跨路侧单元间的波束协调。

具体的，本实施例所提供的装置为实施例2提供的方法对应的装置，因此，在本实施例中与实施例1相同或相似的部分，可相互参考，在本申请中不再赘述。

Claims (9)

1.车联网通信与传感波束切换策略，其特征在于，包括

步骤1、在车辆经过路侧单元范围时，第一条波束发送感知信号用于感知车辆速度；

步骤2、根据第一条波束所测得的速度值，确定车辆到达第二条波束所在位置时的所需时间T；路侧单元判断通信信号能否在T秒内传输完成，若否，则切换到第二条波束继续传输通信信号；在波束切换时，第二条波束会感知车辆是否存在，如果存在，那么继续测量距离和角度，再继续接力通信，如果不存在，则将波束切回至第一条波束的位置；

步骤3、复用步骤2到剩余波束，当车辆离开最后一条波束时，会发生跨路侧单元间的波束协调，此时第二个路侧单元会接收到第一个路侧单元未发送的信息继续感知车辆并产生通信信号。

2.根据权利要求1所述的车联网通信与传感波束切换策略，其特征在于，步骤1中，所述感知信号使用两段波形的方式进行测量，发射第一段波形探测到距离和角度之后，再发射一段相同波形探测角度和距离，再根据正弦定理求出车辆这段时间内行驶的距离后，除以两波型发射时间之差，确定车辆速度。

3.根据权利要求1所述的车联网通信与传感波束切换策略，其特征在于，步骤2中，波束切回至第一条波束的位置时，用于发送通信信号，并在通信时，车辆将速度信息上报给路侧单元。

4.根据权利要求1所述的车联网通信与传感波束切换策略，其特征在于，步骤2中，每次的波束切换都会使路侧单元重新分配整个系统的功率。

5.根据权利要求1所述的车联网通信与传感波束切换策略，其特征在于，步骤1中，每条波束都能利用时分复用的方式发送通信和感知的信号，通信频段为毫米波频段，双工方式为时分双工。

6.根据权利要求1所述的车联网通信与传感波束切换策略，其特征在于，在步骤1之前，对波束进行预训练，包括：

等间隔分布波束，每当车辆经过一个波束时，发送导频进而在接收端获得信道矩阵；通过接收端反馈给发送端，发送端也能获得所述信道矩阵；

进行奇异值分解，表示为：H＝USV^H，其中U、V为酉矩阵，H为信道矩阵，S是奇异值降序排列的对角矩阵；

将左奇异矩阵选取前N个列向量进行组合，成为新的预编码矩阵F，N为需要形成的波束数量；

将F乘以发送端所要发送的信号，即进行波束成形。

7.根据权利要求6所述的车联网通信与传感波束切换策略，其特征在于，每条波束随车经过的次数增加被训练的次数，当车经过时信噪比上下浮动小于M dB，则认为这条波束被训练完毕，M根据接收端的不同应用场景人为设置。

8.根据权利要求1所述的车联网通信与传感波束切换策略，其特征在于，通过改变波束的俯仰角，将步骤1-3应用于单双向多车道场景。

9.车联网通信与传感波束切换装置，其特征在于，用于执行权利要求1至9任一所述的车联网通信与传感波束切换策略，包括：

发送模块，用于在车辆经过路侧单元范围时，第一条波束发送感知信号用于感知车辆速度；

切换模块，用于根据第一条波束所测得的速度值，确定车辆到达第二条波束所在位置时的所需时间T；路侧单元判断通信信号能否在T秒内传输完成，若否，则切换到第二条波束继续传输通信信号；在波束切换时，第二条波束会感知车辆是否存在，如果存在，那么继续测量距离和角度，再继续接力通信，如果不存在，则将波束切回至第一条波束的位置；

协调模块，用于复用切换模块到剩余波束，当车辆离开最后一条波束时，会发生跨路侧单元间的波束协调，此时第二个路侧单元会接收到第一个路侧单元未发送的信息继续感知车辆并产生通信信号。