面向車輛信道的增強(qiáng)和優(yōu)化OFDM系統(tǒng)研究.pdf

1、在過去的十年中，IEEE802.11p和IEEE1609標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)改變了包含在一些智能交通系統(tǒng)(ITS)應(yīng)用中的傳輸系統(tǒng)中的通信結(jié)構(gòu)。這種改變導(dǎo)致產(chǎn)生出一種新型的網(wǎng)絡(luò)，稱為車載自組織網(wǎng)絡(luò)(VANET)。該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)展成為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)((MANET)的一個(gè)重要的特例。VANET的出現(xiàn)和重要性已經(jīng)吸引了一些汽車制造商、學(xué)術(shù)研究人員和各國(guó)政府的關(guān)注。這種網(wǎng)絡(luò)類型由于其體系結(jié)構(gòu)、特性、應(yīng)用和挑戰(zhàn)不同而有別于MANET。
　　本文的第一個(gè)

2、貢獻(xiàn)是調(diào)查車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域關(guān)于車載節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸方面的先進(jìn)研究。已經(jīng)解釋過VANET演化歷史，網(wǎng)絡(luò)組件體系結(jié)構(gòu)和通信技術(shù)。車載網(wǎng)絡(luò)的概念是利用最新信息，以提高網(wǎng)絡(luò)性能和適用性。因此，車輛節(jié)點(diǎn)之間的信息傳播對(duì)實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)輸是至關(guān)重要的。由于特別需要通過車載網(wǎng)絡(luò)廣播安全消息，因此以主要的問題為目標(biāo)，介紹了幾種協(xié)議，問題包括廣播風(fēng)暴，隱藏節(jié)點(diǎn)、信道通信穩(wěn)定性，車輛節(jié)點(diǎn)之間稀疏的連通性。提及工作的集體觀點(diǎn)是關(guān)于消息傳遞、挑戰(zhàn)和未來(lái)趨勢(shì)。還討論了信

3、息傳遞的方法和所需的信息類型。
　　在設(shè)計(jì)消息傳遞協(xié)議時(shí)應(yīng)該考慮幾個(gè)因素，包括移動(dòng)性，中斷和延遲。信息傳播協(xié)議分為三種方法，即車輛輔助的數(shù)據(jù)交付(VADD)，機(jī)會(huì)主義的數(shù)據(jù)交付和合作的數(shù)據(jù)交付。VADD旨在以最低的數(shù)據(jù)傳輸延遲將消息轉(zhuǎn)發(fā)到臨近的目的地。主要的思想是在可預(yù)測(cè)移動(dòng)性和預(yù)定義的交通模式的基礎(chǔ)上基于攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的概念。當(dāng)目標(biāo)車輛進(jìn)入它們的傳輸范圍時(shí)，機(jī)會(huì)主義的方法從路邊單元或者道路上的車輛獲取信息。在路邊單元覆蓋非常有限的情

4、況下，它被認(rèn)為是最好的解決方案，但目標(biāo)信息需要傳播到幾英里。不幸的是，這種方法的性能在車輛密度高的地方會(huì)遭受介質(zhì)訪問控制(MAC)層碰撞。最后方法有助于車輛下載一些內(nèi)容文件的部分信息單元，稍后共享這些信息單元以獲得完整的內(nèi)容文件。這種方法適用于內(nèi)容傳輸，其中，信息的數(shù)量在文件大小方面是至關(guān)重要的。
　　巨額的VANET安裝費(fèi)和測(cè)試環(huán)境場(chǎng)景組件的動(dòng)態(tài)性影響網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)際測(cè)試。因此，車載仿真工具是獲得一個(gè)現(xiàn)實(shí)的車載網(wǎng)絡(luò)氛圍的最好方法。

5、這些工具在初始化實(shí)際場(chǎng)景中扮演著至關(guān)重要的角色。通過這個(gè)調(diào)查，我們解釋了車輛仿真工具的主要分類，分別是移動(dòng)生成器，網(wǎng)絡(luò)模擬器和VANET模擬器。
　　移動(dòng)生成器用于增加實(shí)際的車載移動(dòng)軌跡，如道路模型和車輛場(chǎng)景參數(shù)。移動(dòng)發(fā)電機(jī)的輸出詳細(xì)說(shuō)明了在整個(gè)仿真期間，每輛車的位置和移動(dòng)配置文件。然后，網(wǎng)絡(luò)模擬器使用生成的移動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)定義數(shù)據(jù)包級(jí)別的模擬、目的地和數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。車載仿真工具試圖提供交通流模擬器和網(wǎng)絡(luò)模擬器。不幸的是，車載仿真工具仍

6、缺乏交通生成器和網(wǎng)絡(luò)模擬器之間的相互作用以及貧乏的文檔。這種網(wǎng)絡(luò)模擬氣和移動(dòng)生成器抑制試圖解決VANET的問題，但是每一個(gè)解決方案都有它自己的缺點(diǎn)。因此，正確選擇合適的仿真工具對(duì)于VANET研究者是一個(gè)基本的問題。為此，對(duì)主流的仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)和分類進(jìn)行了比較。
　　OFDM支持的正交性可以避免載波間的干擾和碼間干擾。這可以通過在每個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始插入循環(huán)前綴符號(hào)來(lái)完成。此外，OFDM使用保護(hù)帶來(lái)定義在頻域中的相鄰信道避免干擾。OFD

7、M對(duì)多路信道是健壯的，它可以應(yīng)用一些轉(zhuǎn)換技術(shù)，如快速傅里葉變換(FFT)。
　　IEEE802.11p是一個(gè)批準(zhǔn)修改IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的車載環(huán)境無(wú)線接入(WAVE)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)把信道帶寬降低到10 MHz，促進(jìn)了車輛組件之間的直接通信。車載信道中的OFDM系統(tǒng)使用52個(gè)數(shù)據(jù)副載波，編碼速率為1/2，2/3或3/4。進(jìn)一步，可以使用幾種調(diào)制機(jī)制，如二進(jìn)制/正交相移鍵控(BPSK、QPSK)，16，、64，或256正交調(diào)幅(16-

8、QAM、64-QAM或256-QAM)。
　　現(xiàn)在已經(jīng)提出了幾個(gè)車載網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究，但大多數(shù)關(guān)注路由、安全、或應(yīng)用程序相關(guān)的方面。然而，IEEE802.11p PHY并未被徹底研究，僅在vehicle-to-vehicle通信環(huán)境。為了克服靠近路邊單元時(shí)的高車載移動(dòng)性，需要更多的研究和學(xué)習(xí)vehicle-to-roadside環(huán)境中的信道訪問。
　　在此貢獻(xiàn)中，本文提出一種新穎的混合模型，該模型是基于Zadoff-Chu序列

9、和剪裁預(yù)編碼。該模型利用離散余弦變換(DCT)減少OFDM單入單出(SISO)上行車載信道中的PAPR。提出的模型稱為Zadoff-Chu序列剪裁離散余弦變換(ZCS-C-DCT)，它考慮從車輛到路邊480米距離內(nèi)的傳輸行為。選擇Zadoff-Chu變換(ZCT)作為最具吸引力的預(yù)編碼技術(shù)之一。由于它有一個(gè)小的時(shí)變，它應(yīng)用于無(wú)線電信號(hào)以降低無(wú)線電功率放大器的成本和復(fù)雜度。此外，ZCS變換可以實(shí)現(xiàn)零自相關(guān)屬性，確保傳輸符號(hào)序列之間的正交性

10、。它也有一個(gè)小的變化頻率，因此在接收機(jī)的信道估計(jì)會(huì)簡(jiǎn)單。
　　車聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線信道因?yàn)槭褂肙FDM方案而受到頻率選擇性衰落、散射和更高的PAPR率。因此，有幾種解決方案需要降低車輛節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度，同時(shí)需要接收機(jī)能夠支持簡(jiǎn)化均衡的OFDM系統(tǒng)。然而，總所周知，OFDM受到高PAPR的影響，因此必需要使用線性功率放大器來(lái)避免帶外輻射和信號(hào)失真。在多用戶OFDM MIMO中降低高PAPR能夠降低實(shí)現(xiàn)路邊基礎(chǔ)設(shè)施所需的成本和功率。
　　

11、現(xiàn)在，已經(jīng)有幾個(gè)研究所在研究車聯(lián)網(wǎng)和MIMO系統(tǒng)。集成這些技術(shù)會(huì)有很多好處，包括明顯提高車間通信的范圍和可靠性。此外，這也能提高車聯(lián)網(wǎng)的吞吐量，可以通過使用多重發(fā)射端來(lái)管理多用戶干擾來(lái)實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，研究者更應(yīng)該注意在車輛環(huán)境下使用多重天線處理時(shí)空和空頻的有利之處。另外，車聯(lián)網(wǎng)具有很廣闊的研究應(yīng)用范圍，從安全到娛樂應(yīng)用。這些應(yīng)用要求對(duì)媒體訪問控制、網(wǎng)絡(luò)和物理層的聯(lián)合優(yōu)化。
　　本文貢獻(xiàn)是提出了一種新降低和優(yōu)化模型，用于控制車輛信道

12、下行鏈路中的PAPR。提出的模型運(yùn)用了基于DCT-ZCS變換的多用戶OFDM-MIMO方案。各種可用的由路邊單元和大量存在的車輛支持的ITS應(yīng)用需要使用高效的技術(shù)，例如MIMO。提出的模型旨在加強(qiáng)Vehicle-to-roadside通信環(huán)境下的車輛頻譜。低復(fù)雜度、低成本和低功率無(wú)線電頻率是本文模型要達(dá)到的主要目標(biāo)，通過結(jié)合DCT變換和ZCS預(yù)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，該模型還結(jié)合了凸優(yōu)化來(lái)降低高PAPR。主要目標(biāo)是縮短MIMO和車聯(lián)網(wǎng)之間的差

13、距，通過有效的信道建模和評(píng)估，和對(duì)高動(dòng)態(tài)的車間拓?fù)涞募皶r(shí)的信號(hào)處理。因此，車聯(lián)網(wǎng)的整體性能將會(huì)得到很大的提升，包括減輕多用戶干擾和提高鏈接容量。
　　該模型考慮多用戶OFDM-MIMO下行的場(chǎng)景。在這種情況下，路邊單元試圖傳遞信號(hào)給多個(gè)車載節(jié)點(diǎn)。例如，廣播安全消息、交通狀況、甚至是一個(gè)廣告。在發(fā)射端應(yīng)用ZCS預(yù)編碼和凸優(yōu)化。從而減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，因?yàn)樵诮邮諜C(jī)端不需要更多的操作。在模擬設(shè)置階段，假設(shè)發(fā)射端路邊單元安裝了100根天線

14、，接收車輛周圍的從10到30。考慮在一個(gè)頻率選擇信道上的傳輸過程，4間隔，1/2編碼速率和16-QAM星座。仿真結(jié)果表明，與最小二乘和傳統(tǒng)OFDM模型相比，該模型有最好的平均符號(hào)錯(cuò)誤率(SER)。此外，接收車載獨(dú)立天線分別為10、20和30時(shí)，該模型的PAPR減少到6.22 dB、6.69 dB、和6.79 dB。
　　OFDM系統(tǒng)依賴多載波傳輸?shù)母拍钤诙鄠€(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)中已成為最好的物理層的選擇。然而，由于存在的一些缺點(diǎn)OFDM系統(tǒng)不

15、完美，包括高PAPR,不可忍受的放大器非線性，以及至關(guān)重要的靈敏度高載波頻率偏移量。因此，保持正交性在副載波傳輸為了避免ISI和高PAPR。由于這些原因，單載波調(diào)制結(jié)合頻域均衡作為對(duì)OFDM的替代。這種組合可以防止OFDM的主要缺點(diǎn)。與OFDM相比，單載波頻分的復(fù)雜性和性能均衡系統(tǒng)幾乎相似。然而，他們可以避免與基于傳輸相關(guān)的OFDM系統(tǒng)的缺點(diǎn)。類似于OFDM、單載波機(jī)制可以保持之間的正交性傳播符號(hào)。
　　在這個(gè)貢獻(xiàn)點(diǎn)，使用單載波頻

16、域均衡減輕了ISI和PAPR。主要目標(biāo)是避開了OFDM的主要短缺，尤其是在上行信道。因此，單載波部署到車輛的信道，而不是傳統(tǒng)的OFDM。最小均方誤差(MMSE)和Zero-Forcing(ZF)過濾器用于單輸入單輸出(SISO)均衡器。此外，利用循環(huán)前綴的單載波傳輸作為OFDM多載波傳播。循環(huán)前綴利用頻域均衡器確保循環(huán)卷積信道。這意味著信道失真可以確定在時(shí)域而不是頻域。
　　模擬在vehicle-to-roadside環(huán)境中提供使

17、用2和6信道delay-taps的上行多路徑車輛信道。使用BPSK，QPSK，16-QAM和64-QAM多狀態(tài)調(diào)節(jié)，傳輸數(shù)據(jù)分為100個(gè)數(shù)據(jù)幀。三個(gè)不同的最大的多普勒頻移值設(shè)置為1，40，200，第一個(gè)表示模擬靜態(tài)運(yùn)動(dòng)和其他兩個(gè)值代表動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步，路徑增益和路徑延遲向量定義基于戶外規(guī)則。
　　仿真結(jié)果給出了BER與SNR比較的曲線。這些曲線顯示了經(jīng)歷不同的條件下的錯(cuò)誤比特的概率，包括調(diào)制、最大的多普勒頻移和信道的數(shù)量。根據(jù)仿真