一种基于信道环境判决的导频图案设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于信道环境判决的导频图案设计和信道估计方法。在上述方法中，首先，根据发射机发送的短训练序列估计载波频偏量，并将该载波频偏量与预先设定的门限值进行比较，如果该载波频偏超过预设的门限值，表明收发双方的相对速度较快，信道的时间选择性衰落较为严重，信道变化剧烈，通过ＭＡＣ层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发送的信号导频的结构；如果频偏估计小于预设的门限值，表明收发双方的相对速度较慢，此时，根据长训练序列进行信道估计，当信道估计的结果含有三个以上超过预设门限的回波，或者两个很接近的超过某门限的回波，表明信道的频率选择性衰落较为严重，信道变化剧烈，则通过ＭＡＣ层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发送的信号导频的结构。上述方法既能解决由于快速移动而产生的信道估计误差过大以及解调不准的问题，又能克服存在多径效应时的情况，对于在旷野中高速公路上或者高楼林立的城市中行进的车辆来说特别适用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息的传输领域，特别是因特网、数据通讯、数字电视、数字广播中的信息 传输技术。
技术介绍
车载网络的一个重要任务就是能够提供越来越高的计算复杂度。随着适合车载无线通讯 的服务和应用的不断涌现，对车载设备间无线通信的可靠性、快速响应和安全性提出了要求。 美国无线电管理委员会已经分配了专用的频段以增强交通系统的可靠稳定通讯的需求。从网 络的观点看，需要一个框架去衡量和评估无线传输系统。IEEE工作组已经起草了 802. llp的 草案以补充802. llx系列协议，增加对车载无线存取网络的支持。该标准将定义专门设计的 传输帧，以保证在快速移动的信道环境中可靠、安全传输信息，以及保证传输音视频的QOS.为了确切说明
技术介绍
，现对几个专有名词进行解释DSRC:专用短程通讯协议。DSRC是中短程距离的通讯服务，支持ITS频谱(5. 85-5. 925GHz) 范围内专有或者公共的通信业务。它支持车载设备间以及车载设备和路上基站设备间的通讯， 提供高速数据传输，最小化通讯链接的建立延迟，以及建立基于各个通讯设备和基站间的子 网络。WAVE:车载环境中的无线存取。它是一种在DSRC频段内支持802. 11设备间的操作模式。 它基于IEEE1609标准族，符合其定义的架构，通讯模型，管理结构，安全性以及物理存取特 性以用于车辆间的无线存取。其主要的架构组成部分是路上设备(基站)和车载移动台，以及它们之间的无线存取接口。IEEE 802. 11p/1609:是在车载无线通讯网络中出现和正在完善中的一种标准，其目的在 于为车载无线电通信提供一种解决方案。它修订了 IEEE 802. 11-2007标准，定义了一种基于 车载环境中的无线存取模式；并包含了 IEEE1609标准族。在物理层，802. llp完善了 802. lla 的物理层功能，使用OFDM的调制方式；从其传输帧的结构中能够发现包含有长和短的训练序 列，以及在频域传输数据的子载波固定位置插入导频；这些都是为了能够满足高速移动下的 稳定数据接收。在无线信道中，当收发双方存在相对快速运动时，会存在因多普勒频移引起的时间选择性衰落；当接收机在处高楼林立的环境中时，会存在多径效应并由此产生频率选择性衰落。对于车载无线系统来说，由于车辆经常在市区或者高速公路上运行，这两种情况都是非常常见的。如果系统没有很好地完成多普勒频移的校正，或者没有对多径信道进行精确地信道估计和信道补偿，将会严重影响系统性能。这时时间选择性衰落和频率选择性衰落会导致信道环境剧烈变化，这个时候需要先进的信道估计算法完成补偿以保证稳定接收。802.11p使用OFDM作为其调制方式。由于OFDM中引入了循环保护间隔，可以在接收机中采用简单的频域均衡消除多普勒效应带来的时间选择性衰落以及多径干扰。OFDM的频域均衡必须知道每个子载波上准确的信道频率响应。因此，在OFDM均衡之前，必须先进行信道估计，信道估计的准确度将直接决定接收机的工作性能。目前802.11p物理层同802.11a一样，它采用基于频域离散导频和时序长训练序列的信道估计方法。当前使用的物理层对于车载系统来说存在着如下缺陷首先，在高速公路上行驶并进行通讯的车辆会有很大的相对速度；这样会产生较大的多普勒频移并导致严重的时间选择性衰落。然而对于目前802.11a的物理层来说，在两个时域长训练序列之后，仅存在梳状导频，因此难以应对由于严重的时间选择性衰落导致的信道剧烈变化，将产生严重的误码或者通信失败，必须进行信道跟踪或者采用先进的信道估计方法进行信道补偿；其次，在高楼林立的市区里通信时，会存在多径衰落。虽然梳状导频可以起到一定程度的对抗频率选择性衰落的作用，但是在多径效应特别大，而且同时存在多普勒频移极端恶劣信道的情况下，通信将失败，这时需要由接收机通知发射机这一信道信息以便重新通讯。目前的文献讨论最多的是使用反馈方法进行信道跟踪使用解映射之后的信号再进行映射之后得到的信号反馈回去，或者解映射之后的信号再进行映射、交织、维特比编码之后再判决反馈的方法进行信道跟踪。这些方法的性能随着使用硬件设备量的增加而提升；然而在设计实际的系统时，必须在考虑性能的同时，对实现的复杂度进行折中。另外，拥有复杂反馈部件的系统将会存在延迟的问题，这样会导致信道估计的结果不精确，进而影响性能。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种根据对信道的多普勒频移的计算，以及对多径信道的估计来设计自适应的导频图案的方法，该方法包括以下步骤首先，接收机基于发射机发射的短训练序列初步估计载波频偏量并进行同步；基于发射机发射的已知的长训练序列精确估计载波频偏量；其次，接收机将估计所得到的载波频偏量与预设的门限值进行比较，当频偏量大于该门限值时，或者接收机当信道估计的结果含有三个以上超过预设门限的回波，或者两个很接近的超过某门限的回波时，通过MAC层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发射信号导频的结构，将子载波导频图案变为网状结构，而且根据计算得到的多普勒频移大小，自适应地调节网状结构的导频中不含导频的符号的个数，从而可以达到传送效率的最优化；最后，发射机根据从MAC层应答帧控制域相应比特接收到的指示(通过在802.11p的MAC层应答帧的帧头部分的控制域的00类型，OllO子类型的相应预留的比特处置1)改变发射信号导频的结构。这里仅仅使用了 MAC层应答帧的帧头预留部分l个比特，即使信道存在严重的衰落，这l个比特失败解码的概率仍然很小，这样就你保证了系统的稳定性。附图说明图1为802.11p物理层同步头说明。图2为802.llp中MAC层的帧格式说明。图3为802.lip MAC层帧的控制域说明。图4正EE802.11数据帧的PPDU格式图5为原始与改进后的导频图案。图5(a)为原始802.11导频图，图5(b)为改进后的导频图。可以看到5(b)中离散导频间隔一个符号，且导频位置有规律变化。图6为帧控制域中有效的类型和子类型，用来设置接收端信道信息以便通知发射机作相应导频变化或重传的切换。图7为典型的导频图案，包括7(a)块状导频，7(b)梳状导频，7(c)离散导频。图8为导频插值和信道估计过程。图9为本专利技术中根据信道环境进行导频图案切换和处理的流程。具体实施例方式对于802.11p物理层，如图1所示，发射机会首先发射已知的短的训练序列tl到t10，用来进行信号检测，自动增益控制，粗频偏估计和采样时钟同步。而后，经过循环前缀GI2之后，发射机会发射已知的长的训练序列以便于接收机进行信道估计和载波频偏精估计。由于当发射机和接收机相对速度很快时，接收机会因多普勒效应而存在较大的载波频偏，这个载波频偏力会对接收性能产生严重的影响。该载波频偏/d与接收机和发射机之间的相对速度v成正比，于是我们可以根据在接收机接收已知序列t8-U0时进行賴频偏估计，得到频偏粗估计值人—^,对应于一定的相对速度设定一个频偏的门限^^^一力，若《一^^超过这个^e^^—力，则认为相对速度很快，多普勒效应会导致信道变化剧烈，这时需要改变发射的导频图案以便于稳定可靠接收。若力-CoaMe没超过这个仏s^似—力，则认为相对速度不快，不会存在因多普勒效应而产生信道的时间选择性衰落。经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于信道环境判决的导频图案设计方法，应用于车载通信系统，该方法包括以下步骤：１）基于发射机发射的短训练序列初步估计载波频偏量并进行同步；２）基于发射机发射的已知的长训练序列精确估计载波频偏量；３）将估计所得到的载波频偏量与预设的门限值进行比较；４）当频偏量大于该门限值时，通过ＭＡＣ层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发射信号导频的结构；５）发射机根据接收到的ＭＡＣ层应答帧控制域相应比特指示改变发射信号导频的结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于信道环境判决的导频图案设计方法，应用于车载通信系统，该方法包括以下步骤1)基于发射机发射的短训练序列初步估计载波频偏量并进行同步；2)基于发射机发射的已知的长训练序列精确估计载波频偏量；3)将估计所得到的载波频偏量与预设的门限值进行比较；4)当频偏量大于该门限值时，通过MAC层应答帧控制域相应比特指示发射机改变发射信号导频的结构；5)发射机根据接收到的MAC层应答帧控制域相应比特指示改变发射信号导频的结构。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于当步骤3)中比较的结果为估计的频偏量小于门限值时，则执行以下步骤a. 接收机会根据已知的长的训练序列以进行信道估计b. 当信道估计的结果含有三个以上超过预设门限的回波，或者两个很接近的超...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋昆仑，景为平，孙士民，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]