一种基于毫米波的车联网V2X通信链路的建立方法技术

本发明专利技术公开了一种基于毫米波的车联网V2X通信链路的建立方法，属于车辆网中车联网通信领域，具体为：首先，目标车辆在sub‑6G频段广播发送车辆信息，发射车辆接收并保存；当两车进行通信交互时，中央处理器利用深度学习算法识别出目标车辆；同时，判断两车天线之间是否有遮挡；当没有遮挡时，根据两车天线的相对角度，发射车辆从所有方向的波束中选出最佳通信波束；当有遮挡时，发射车辆通过识别周围环境中的所有凸状反射面，并对每个反射面选出一个最佳波束，构成候选波束集；然后使用候选波束集中的波束进行扫描，从中选出最佳通信波束；最后，发射车辆使用最佳通信波束向目标车辆传输数据；本发明专利技术实现了基于毫米波频段的V2X通信中波束的高精度对准。

【技术实现步骤摘要】
一种基于毫米波的车联网V2X通信链路的建立方法
本专利技术涉及车辆网中车联网(V2X,VehicletoEverything)通信领域，具体来说是一种基于毫米波的车联网V2X通信链路的建立方法。
技术介绍
目前车联网行业相关研究仍处于试验阶段，可以应用的现有的无线接入技术主要是IEEE802.11p和3GPPC-V2X两种[1]，均部署在sub-6G频段。然而，以上两种技术无法满足未来车联网对于超大吞吐量、超低时延和超高可靠性的严格要求。为了满足车联网的通信需求，IEEE和3GPP分别提出了802.11bd和NRV2X标准，二者不仅可以使用sub-6G频段，还可以部署在毫米波频段。由于sub-6G频段大多已分配好用途，而在毫米波频段仍有大量未分配带宽，因此基于毫米波的车联网V2X通信技术有极大的研究价值和应用前景。但是，相对于常规通信而言，毫米波V2X通信有其特殊要求。由于工作频率非常高，毫米波通信具有高传播损耗和视距通信的特点，需要采用大规模MIMO和波束赋形技术补偿传播损耗[2]。波束赋形技术具有方向性传输(DirectiveCommunication)的特点，能够将信号集中在一个或几个方向传播，因而接收机处能获得更高的信噪比。现有的相关技术在基于毫米波的车联网V2X通信中存在的不足之处在于：在毫米波V2X通信的自适应波束宽度控制中，存在以下问题：(1)无法应用于车辆进行毫米波通信时有其它物体遮挡的场景。一旦有遮挡，绝大部分信号都会损失掉，无法建立起可用的通信链路。(2)基于传统GPS方式进行车辆定位，采用基于位置的波束对准方法[3]。在高速运动的车辆环境中，网络时延以及GPS定位精度会导致系统对车辆的空间位置定位有误差，只能进行粗精度的波束对准，而位置信息的实时传递和共享本身就需要车辆之间有直接或间接的通信渠道，因此难以在没有建立连接的车辆间实现。在用于基于毫米波的V2X通信系统的连接设立的技术中，存在以下问题：采用传统的波束扫描方式发现车辆并进行定向通信，系统资源开销大，不适用于高速移动的车辆环境。在用于毫米波V2X通信系统中定向发现的技术中，存在以下问题：(1)采用传统的波束扫描方式发现车辆，系统资源开销大。(2)现有技术不适用于高速移动的车辆环境。当车辆的相对位置不断变化时，无法使用该技术快速建立毫米波通信链路。若要实现使用波束赋形技术的V2X毫米波通信，要求车辆在通信前必须先进行对准波束，然后再建立通信链路。如何快速精准的进行波束对准是毫米波应用到车联网V2X通信的一大难题。参考文献：[1]TommasoZugno,MatteoDrago,MarcoGiordani,etc.TowardStandardizationofMillimeter-WaveVehicle-to-VehicleNetworks:OpenChallengesandPerformanceEvaluation.IEEECommunicationsMagazine.2020,58(9):79-85,DOI:10.1109/MCOM.001.2000041.[2]LiLianming,WangDongming,NiuXiaokang,etc.mmWavecommunicationsfor5G:implementationchallengesandadvances.SCIENCECHINA-INFORMATIONSCIENCES,2018,61(2),DOI:10.1007/s11432-017-9262-8.[3]RoyMaiberger,DoronEzri,MichaelErlihson.LocationBasedBeamforming.2010IEEE26-thConventionofElectricalandElectronicsEngineersinIsrael,2010.
技术实现思路
本专利技术为了解决毫米波应用到车联网V2X通信中的波束对准问题，同时实现车联网中相对位置的精确定位，提出了一种基于毫米波的车联网V2X通信链路的建立方法。所述的车联网V2X通信链路的建立方法，包括以下步骤：步骤一、目标车辆在sub-6G频段以广播方式发送车辆信息，发射车辆在sub-6G频段接收目标车辆的车辆信息，并保存在存储器中。车辆信息包括车辆标识符和天线位置，天线位置位于车头、车中部和车尾三处；发射车辆自带中央处理器和毫米波通信模块；步骤二、发射车辆判断是否需要与目标车辆进行通信交互，如果是，从存储器中取出目标车辆的车辆信息，传输给中央处理器，进入步骤三；否则，继续实时监听广播信息。步骤三、中央处理器利用深度学习算法，根据目标车辆的车辆标识符识别出目标车辆，以及车辆的车头和车尾；同时，根据天线位置，判断两车天线之间是否有其它物体遮挡；如果是，进入步骤五；否则，进入步骤四；步骤四、发射车辆从所有方向的波束中选出最佳通信波束，采用直视距对准方式将最佳通信波束对准目标车辆的天线；进入步骤七。具体过程为：首先、根据天线位置，确定目标车辆的天线在物理图像坐标系中的位置P：(1)如果天线位于车头，则P为车头检测框中心点。(2)如果天线位于车中部，则P为车辆检测框中心点。(3)如果天线位于车尾，则P为车尾检测框中心点。然后、根据目标车辆的天线位置P，计算目标车辆的天线相对于发射车辆天线在水平面上的相对角度θ；计算公式为:θ＝arctan(f/x)；(x,y)表示位置P的坐标，f为摄像机的焦距；最后、中央处理器将相对角度θ传输给毫米波通信模块，毫米波通信模块从所有方向的波束中选出一个角度与θ最接近的波束，作为最佳通信波束；选择波束的公式为：maxθi{cos(θ-θi)}θi为第i个波束的方向角度。步骤五、发射车辆识别周围环境中的所有凸状反射面，并针对每一个反射面选出一个最佳波束，构成候选波束集。具体过程如下：首先，中央处理器采用深度学习算法识别出周围环境中的所有凸状反射面，并检测出每个凸状反射面在物理图像坐标系中的位置，组成位置集合{P1,P2,...,Pn}；其中，凸状反射面包括路边拐角处凸面镜、车辆轮廓和其它凸状金属表面。然后，计算各凸状反射面相对于发射车辆天线的相对角度，组成角度集合{α1,α2,...,αn}；中央处理器将相对角度集合传输给毫米波通信模块；最后，针对每个相对角度αi，毫米波通信模块从所有方向的波束中选出一个角度与当前αi最接近的波束，作为最佳波束，并将最佳波束的ID保存在存储器中；所有相对角度的最佳波束构成一个候选波束集{ID1,ID2,...,IDn}。步骤六、发射车辆使用候选波束集中的波束进行波束扫描，从中选出最佳通信波束并对准目标车辆的天线；具体为：首先，毫米波通信模块依次使用候选波束集中的波束发送探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于毫米波的车联网V2X通信链路的建立方法，其特征在于，具体步骤如下：首先，目标车辆在sub-6G频段以广播方式发送车辆信息，发射车辆在同频段接收并保存；当发射车辆需要与目标车辆进行通信交互时，取出目标车辆的车辆信息传输给中央处理器，中央处理器利用深度学习算法，根据车辆信息中的标识符识别出目标车辆；同时，根据车辆信息中的天线位置，判断两车天线之间是否有其它物体遮挡；当没有遮挡物时，根据两车天线的相对角度，发射车辆从所有方向的波束中选出最佳通信波束；当有遮挡物时，发射车辆识别周围环境中的所有凸状反射面，并针对每一个反射面选出一个最佳波束，构成候选波束集；接着，发射车辆使用候选波束集中的波束进行扫描，根据目标车辆反馈的信噪比，选出最佳通信波束；最后，发射车辆使用最佳通信波束，在毫米波频段实现与目标车辆的数据传输。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波的车联网V2X通信链路的建立方法，其特征在于，具体步骤如下：首先，目标车辆在sub-6G频段以广播方式发送车辆信息，发射车辆在同频段接收并保存；当发射车辆需要与目标车辆进行通信交互时，取出目标车辆的车辆信息传输给中央处理器，中央处理器利用深度学习算法，根据车辆信息中的标识符识别出目标车辆；同时，根据车辆信息中的天线位置，判断两车天线之间是否有其它物体遮挡；当没有遮挡物时，根据两车天线的相对角度，发射车辆从所有方向的波束中选出最佳通信波束；当有遮挡物时，发射车辆识别周围环境中的所有凸状反射面，并针对每一个反射面选出一个最佳波束，构成候选波束集；接着，发射车辆使用候选波束集中的波束进行扫描，根据目标车辆反馈的信噪比，选出最佳通信波束；最后，发射车辆使用最佳通信波束，在毫米波频段实现与目标车辆的数据传输。


2.如权利要求1所述的一种基于毫米波的车联网V2X通信链路的建立方法，其特征在于，所述的车辆信息包括车辆标识符和天线位置，天线位置位于车头、车中部和车尾三处；且发射车辆自带中央处理器和毫米波通信模块。


3.如权利要求1所述的一种基于毫米波的车联网V2X通信链路的建立方法，其特征在于，所述的没有遮挡物时，计算最佳通信波束的过程为：
首先、根据天线位置确定目标车辆的天线在物理图像坐标系中的位置P：
(1)如果天线位于车头，则P为车头检测框中心点；
(2)如果天线位于车中部，则P为车辆检测框中心点；
(3)如果天线位于车尾，则P为车尾检测框中心点；
然后、...

【专利技术属性】
技术研发人员：余帅，相天麒，辜寂，王一鑫，阮慧源，于渤洋，敖敏，张欣，高月红，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11