CN105591680B - 车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法 - Google Patents

车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法,主要解决现有天线选择方法复杂度高的问题。其技术方案包括：对两个通信车辆导频信号分别进行正交空时分组编码；计算两个通信车辆的导频信号功率；中继车辆根据两个通信车辆的导频信号功率选择最好的天线；估计两个通信车辆分别到中继车辆最好的天线间的信道增益，得到中继车辆的放大增益；中继车辆所选择的天线将两个通信车辆发来的信息通过放大增益放大后进行转发，完成信息交互。本发明具有不需要估计链路的信道状态信息和计算端到端信噪比，其复杂度低的优点，可用于存在反馈时延和信道估计错误的双向中继车载通信***。

Description

车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及了一种中继天线选择方法，可用于双向中继的车载通信***。
背景技术
随着无线通信的发展和人们对高品质生活的不断需求，无线通信已经渗入到人们生活的各个角落。为了提高***容量和无线链路的通信质量，人们引入了多输入多输出MIMO技术。采用合适的编码并结合多天线阵技术形成的空时编码技术STBC可以提高***的性能。在众多编码中，Tarokh等人提出的正交空时分组编码OSTBC具有发送端不需要知道信道状态信息、接收端可以采用低复杂度的线性最大似然译码方案等特点。Sung Sik Nam等人在文献“Outage performance of orthogonal space–time block coded amplify-and-forward two-way relay networks”，in Communications,IET,2015中研究了在点到点AF双向中继通信中，验证了源节点应用正交空时分组编码OSTBC能提高***的性能。
由于射频链的成本高而天线的成本相对较低，在实际场景中，如果对设备进行天线选择，将通信质量好的天线连接到有限的射频链，既能有效的提高***的通信性能又能降低开销成本。天线选择技术使MIMO***硬件结构得以简化，降低了多天线***的复杂度。针对MIMO双向中继网络，G.Amarasuriya等人提出了最大化两源节点最差的端到端信噪比max-min和最大化两源节点的和速率max-sum的天线选择方法，但这两个方法都需要估计各链路的信道状态信息，增加了***的复杂度。Ming Ding等人在2010年提出了一种基于贪婪最小均方误差准则的天线选择方法，该方法的缺点是反馈信息量大，计算复杂度高。M.Eslamifar等人提出了max-max方法，即中继选出两根分别与两源节点间信道增益最好的天线，该方法的缺点是当选出的天线与其中一个源节点间信道增益最好时，不能保证与另一个源节点间信道增益也是最好的，甚至可能是最差的，这样可能会导致***的性能急剧恶化。
如今，随着车内用户的急剧增加，车载无线通信已经受到极大的关注。在车载无线通信中，为了提高通信质量，车辆之间通常需要借助中继进行通信，中继可分为固定中继和移动中继，固定中继通常为路边基站或热点，移动中继通常为周边车辆。Ata,Serdar Ozgur等人在文献“Relay antenna selection for V2V communications using PLNC overcascaded fading channels”，IWCMC，IEEE 2015中研究了单天线的两辆车，在一辆多天线的中继车辆的辅助下完成信息交互，中继车辆根据传统的信噪比max-min准则选出一根最好的天线放大转发信息，由于该方法需要估计***中所有链路的信道状态信息，因此增加了***的复杂度。
目前，针对车载通信中车辆之间通信的研究，主要集中在对多个潜在的中继车辆，选择其中最好的中继车辆进行通信的传输场景，很少有文献将正交空时编码OSTBC技术和多天线选择技术结合起来进行研究。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法，以避免对信道状态信息CSI的估计，提高双向移动中继车载通信***的性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)对第一通信车辆A和第二通信车辆B的导频信号分别进行正交空时分组编码，得到编码后的导频信号X1和X2；
(2)计算第一通信车辆A和第二通信车辆B的导频信号功率PA,k和PB,k；
(3)中继车辆R根据两个通信车辆的导频信号功率PA,k和PB,k选择天线，即对所有天线上接收的导频信号功率求最小值，得出备选的导频信号功率集合Φ，该集合Φ中导频信号功率最大的天线，即为选择的最好天线k*：
其中k∈[1,L]，L为中继车辆R的天线数，Sant为中继车辆R所有可供选择的天线；
(4)估计第一通信车辆A和第二通信车辆B分别到中继车辆R的第k*根天线之间的信道增益和得到中继车辆R的放大增益G；
(5)中继车辆R通过最好的天线k*将两个通信车辆发来的信息放大G倍后进行转发，完成双向中继传输过程。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明方法与传统的最优天线选择方法相比，中继车辆只需要根据接收的导频信号功率来进行天线选择，而不必对两个通信车辆和中继车辆之间的信道进行估计。由于典型的信道估计算法通常涉及矩阵伪逆、迭代求均方误差等复杂的数学运算，而计算接收功率只涉及模值平方的平均值运算，因此本发明方法显著降低了中继车辆的计算复杂度。
第二，本发明方法与传统的最优天线选择方法相比，中继车辆不需要计算端到端信噪比，而传统的最优天线选择方法需要中继车辆根据获取的信道估计值来计算端到端信噪比，由于在实际通信***中会存在信道估计误差和反馈时延等非理想因素，而计算端到端信噪比时涉及到的乘法和除法运算会放大上述非理想因素的负面影响，导致天线选择错误的机率大大增加，因此本发明方法更适用于实际通信***。
附图说明
图1是本发明使用的车载通信***模型图；
图2是本发明的实现流程图；
图3是使用本发明方法和传统最优方法的***中断概率对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式和效果作进一步描述。
参照图1，本发明采用的双向移动中继车载通信***，其包括一个中继车辆R和两个通信，即第一通信车辆A和第二通信车辆B，该第一通信车辆A和第二通信车辆B配置的天线数分别为M和N，中继车辆R配置的天线数为L，且都在半双工方式下工作。第一通信车辆A和第二通信车辆B利用中继车辆R进行信息交互，其中，中继R采用的协议是放大转发协议，对中继车辆R选择一根最好的天线进行信息传输。
参照图2，本发明根据图1车载通信***进行天线选择的步骤如下：
步骤1，分别对两个通信车辆的导频信号进行编码。
在常见的编码中，空时网格编码必须用Viterbi译码算法进行译码，其译码复杂度高，并且不适用于高速率信息传输***；分层空时编码虽然结构简单，但它不提供发射分集增益并且译码需要知道信道状态信息；由于正交空时分组编码不仅具有发送端不需要知道信道状态信息、在接收端可以采用低复杂度的线性最大似然进行译码的特点，而且可以获得与最大比合并接收相同的分集增益，所以本实例采用正交空时分组编码对导频信号进行编码，其步骤为：
(1a)第一通信车辆A对导频信号x1进行正交空时分组编码，得到编码后的导频信号X1，其中X1∈CM×T，CM×T表示M×T的复矩阵，M为第一通信车辆A的天线数,T为发送的符号周期；
(1b)第二通信车辆B对导频信号x2进行正交空时分组编码，得到编码后的导频信号X2，其中X2∈CN×T，CN×T表示N×T的复矩阵，N为第二通信车辆B的天线数。
步骤2，分别获取两个通信车辆的导频信号功率PA,k和PB,k。
(2a)获取第一通信车辆A的导频信号功率PA,k：
(2a1)第一通信车辆A在T个符号周期内向中继车辆R发送自己编码后的导频信号X1，中继车辆R的第k根天线接收来自第一通信车辆A的导频信号yA,k，其中T≥2；
(2a2)将该导频信号yA,k与其共轭转置相乘，得到T个符号周期内的导频信号功率序列；
(2a3)对(2a2)得到的这些序列取平均值，得到第一通信车辆A的导频信号功率PA,k，并将该结果保存，其中k∈[1,L]，L为中继车辆R的天线数。
(2b)获取第二通信车辆B的导频信号功率PB,k：
(2b1)第二通信车辆B在T个符号周期内向中继车辆R发送自己编码后的导频信号X2，中继车辆R的第k根天线接收来自第二通信车辆B的导频信号为yB,k；
(2b2)将该导频信号yB,k与其共轭转置相乘，得到T个符号周期内的导频信号功率序列；
(2b3)对(2b2)得到的这些序列取平均值，得到第二通信车辆B的导频信号功率PB,k，并将该结果保存。
步骤3，中继车辆R根据两个通信车辆的导频信号功率PA,k和PB,k选择最好的天线k*。
(4a)中继车辆R对所有天线上接收的导频信号功率求最小值，选出备选的导频信号功率集合Φ；
(4b)从备选的集合Φ中选出导频信息功率最大的天线，即为最好的天线k*：
其中Sant为中继车辆R所有可供选择的天线。
步骤4，估计两个通信车辆到中继车辆R第k*根天线之间的信道增益。
本步骤的可通过现有的多种方法实现，例如基于参考信号的估计方法，盲估计方法和半盲估计方法等，本实例的中继车辆R采用基于参考信号的估计方法分别估计第一通信车辆A和第二通信车辆B到中继车辆R第k*根天线之间的信道增益和其步骤如下：
(4a)在第一通信车辆A发送的有用数据中***已知的导频符号，得到该导频位置处的信道估计结果；
(4b)利用导频位置处的信道估计结果，通过内插法得到第一通信车辆A到中继车辆R第k*根天线之间的信道增益
(4c)在第二通信车辆B发送的有用数据中***已知的导频符号，得到该导频位置处的信道估计结果；
(4d)利用导频位置处的信道估计结果，通过内插法得到第二通信车辆B到中继车辆R第k*根天线之间的信道增益完成信道估计。
步骤5，中继车辆R通过最好的天线k*协助完成双向中继传输过程。
中继车辆R的第k*根天线将两个通信车辆发来的信息放大G倍后转发，完成双向中继传输，放大增益G采用固定增益Ga或可变增益Gf，分别表示为：
其中和分别为第一通信车辆A、第二通信车辆B和中继车辆R的发送功率，N0为复高斯白噪声的方差，||·||2为矩阵的二范数平方，E{·}表示求均值。
在车载通信***中，由于车辆速度过快，各链路间的信道会产生实时变化，不宜采用固定增益，所以本实例采用的是可变增益。
本发明的效果可通过以下仿真做进一步的说明：
1)仿真条件：
将两个通信车辆A、B间的距离归一化为1，假设第一通信车辆A与中继车辆R间的距离dA＝0.6，则第二通信车辆B与中继车辆R间的距离dB＝1-dA＝0.4。假设两个通信车辆A、B与中继辆R间的信道增益均服从瑞利分布，路径损耗指数α＝3，***中的高斯白噪声功率N0＝1，目标传输速率阈值Rth＝1bit/s/Hz，***的信噪比为SNR，***的总功率γ＝SNR*N0，定义两个通信车辆A、B与中继车辆R的发送功率分别为Pt A＝4γ/8、Pt B＝2γ/8和Pt R＝2γ/8，两个通信车辆A、B与中继车辆R的天线数分别为M＝2、N＝2和L＝3，信道估计错误因子为ρe，ρe＝1表示不存在信道估计错误，天线选择时刻与数据传输时刻信道的相关系数为ρd，ρd＝1表示不存在反馈时延，分别对{ρe,ρd}取{1,1}、{0.99,1}和{0.99,0.95}做了仿真；
2)仿真内容与结果：
在上述仿真条件下，使用本发明方法和传统最优方法，分别对双向中继车载通信***的中断概率进行仿真比较，结果如图3所示。图3中横坐标为***的信噪比SNR，单位为dB，纵坐标为***的中断概率。
由图3可以看出，当不存在反馈时延和信道估计错误时，本发明方法的***中断概率性能逼近传统最优方法的***中断概率；当反馈时延和信道估计错误存在时，本发明方法的***中断概率性能优于传统最优方法的***中断概率；由图3还可以看出，随着反馈时延和信道估计错误的增加，传统最优方法的***中断概率和本发明方法的***中断概率性能的差距也越来越大。

Claims (6)

1.车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法，包括：
(1)对第一通信车辆A和第二通信车辆B的导频信号分别进行正交空时分组编码，得到编码后的导频信号X1和X2；
(2)计算第一通信车辆A和第二通信车辆B的导频信号功率PA,k和PB,k；
(3)中继车辆R根据两个通信车辆的导频信号功率PA,k和PB,k选择天线，即对所有天线上接收的导频信号功率求最小值，得出备选的导频信号功率集合Φ，该集合Φ中最大导频信号功率对应的天线，即为选择的最好天线k*：
其中k∈[1,L]，L为中继车辆R的天线数，Sant为中继车辆R所有可供选择的天线；
(4)估计第一通信车辆A和第二通信车辆B分别到中继车辆R的第k*根天线之间的信道增益和得到中继车辆R的放大增益G；
(5)中继车辆R通过最好的天线k*将两个通信车辆发来的信息放大G倍后进行转发，完成双向中继传输过程。
2.根据权利要求1所述的车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法，其中步骤(1)中对第一通信车辆A和第二通信车辆B的导频信号分别进行正交空时分组编码，步骤如下：
(1a)第一通信车辆A将导频信号x1进行正交空时分组编码，得到编码后的导频信号X1，其中X1∈CM×T，CM×T表示M×T的复矩阵，M为第一通信车辆A的天线数,T为发送的符号周期；
(1b)第二通信车辆B将导频信号x2进行正交空时分组编码，得到编码后的导频信号X2，其中X2∈CN×T，CN×T表示N×T的复矩阵，N为第二通信车辆B的天线数。
3.根据权利要求1所述的车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法，其中步骤(2)中计算第一通信车辆A导频信号功率PA,k，步骤如下：
(2a)第一通信车辆A在T个符号周期内向中继车辆R发送自己编码后的导频信号X1，中继车辆R的第k根天线接收来自第一通信车辆A的导频信号为yA,k；将该导频信号yA,k与其共轭转置相乘，得到T个符号周期内的导频信号功率序列；
(2b)对(2a)得到的这些序列取平均值得到第一通信车辆A的导频信号功率PA,k，并保存，其中k∈[1,L]，L为中继车辆R的天线数。
4.根据权利要求1所述的车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法，其中步骤(2)中计算第二通信车辆B导频信号功率PB,k，步骤如下：
(2c)第二通信车辆B在T个符号周期内向中继车辆R发送自己编码后的导频信号X2，中继车辆R的第k根天线接收来自第二通信车辆B的导频信号为yB,k；将该导频信号yB,k与其共轭转置相乘，得到T个符号周期内的导频信号功率序列，
(2d)对(2c)得到的这些序列取平均值得到第二通信车辆B的导频信号功率PB,k，并保存，其中k∈[1,L]，L为中继车辆R的天线数。
5.根据权利要求1所述的车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法，其中步骤(4)中估计第一通信车辆A和第二通信车辆B到中继车辆R第k*根天线之间的信道增益和其步骤如下：
(4a)在第一通信车辆A发送的有用数据中***已知的导频符号，得到该导频符号位置处的信道估计结果；
(4b)利用导频位置处的信道估计结果，通过内插法得到第一通信车辆A到中继车辆R第k*根天线之间的信道增益
(4c)在第二通信车辆B发送的有用数据中***已知的导频符号，得到该导频符号位置处的信道估计结果；
(4d)利用导频位置处的信道估计结果，通过内插法得到第二通信车辆B到中继车辆R第k*根天线之间的信道增益完成信道估计。
6.根据权利要求1所述的车载通信中基于正交空时分组编码的天线选择方法，其中步骤(4)中继车辆R的放大增益G，采用固定增益Ga或可变增益Gf，分别表示为：
其中Pt A、Pt B和Pt R分别为第一通信车辆A、第二通信车辆B和中继车辆R的发送功率，N0为复高斯白噪声的方差，||·||2为矩阵的二范数平方，E{·}表示求均值。
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