本发明属于无线通信领域,涉及无线通信中车联网的物理层设计,具体为基于长期演进系统车联网(lte-v2x)系统解调参考信号(dmrs,demodulationreferencesignal)的模式设计。
背景技术:
近年来,4g网络进入大规模商用阶段,为顺应未来爆炸性数据流量增长、海量设备接入和各类新业务与多样应用场景的发展趋势,面向2020年及未来的第五代移动通信系统(5g),又称为imt-2020,成为全球研发的热点。终端直通(d2d,devicetodevice)技术作为5g关键无线技术之一,也成为当前的热门研究方向,车联网(v2x)作为增强的d2d通信,如今也处于快速的发展阶段。现在大量的汽车已经配备了3g/4g调制解调器并可以作为蜂窝网络的终端进行工作,我们预计在5g时代,车辆将被更紧密地集成到网络中并发挥更重要的作用。通过v2x系统,还可以搭建车辆、行人以及路侧基础设施之间的信息交互桥梁,为交通参与者提供全时空的、高可靠的交通信息,实现人—车—路的充分协同,交互位置和速度等关键安全信息,从而有效提升道路通行效率。
lte-d2d中双方通信的设备之间主要是静止或者低速移动,而在车联网应用中车辆移动速度高,同时考虑lte-v2x工作在6ghz频段,为了克服高速移动(最大相对速度能达到500km/h甚至更高)和高载频带来的频率偏移(最大多普勒频移达到了2800hz),提升信道估计性能,进行了dmrs增强:在r12d2d基础上,将dmrs序列加密,将dmrs序列从2列增加为4列,即对应的dmrs模式的帧结构为:时间方向的dmrs间隔为3(即每间隔两个符号位置,布置一个dmrs符号)、频域方向的dmrs间隔为1(即频域方向全部插入dmrs)。虽然现有dmrs模式能够对抗较大的多径时延,但能估计的最大多普勒频移小于2800hz,采用此dmrs模式进行信道估计时会存在较大的误差,且dmrs外sc-fdm(单载波频分多路传输)符号处的信道值,需要进行外插,会进一步降低信道估计精度,导致lte-v2x在高速移动环境中的性能较差。同时,lte-v2x系统现有dmrs模式的dmrs开销很大,达到了28.57%,频谱利用率较低。
技术实现要素:
本发明的发明目的在于:针对lte-v2x系统现有dmrs模式在高速移动环境下性能较差的问题,本发明提出了新的dmrs模式,适用于lte-v2x系统系统的高速移动场景。
本发明设计了三种新的dmrs模式,各帧结构分别如下:
(1)频域方向的dmrs间隔为6,时间方向dmrs间隔为1,即时间方向全部插入dmrs。从而使得lte-v2x系统可以应对的多普勒频移范围显著提升,最大多普勒频移可以达到6000hz以上,而dmrs开销占系统的20%以下。
(2)频域方向的dmrs间隔为6,将时间方向上的sc-fdm符号位置均分为两部分:前部分、后部分,并分别从前部分、后部分的起始位置开始布置dmrs,且各部分的dmrs间隔均为2。通过增大本发明第一种dmrs模式在时间方向上的dmrs间隔,降低了本发明的第一种dmrs模式的冗余(时间方向的冗余),进一步降低了dmrs的开销,且使得dmrs开销仅占系统的10%以下。
(3)频域方向的dmrs间隔为3,将时间方向上的sc-fdm符号位置均分为两部分:前部分、后部分,并分别从前部分、后部分的起始位置开始布置dmrs,且各部分的dmrs间隔均为2。与本发明的第二种dmrs模式相比,进一步提升了dmrs处的信道值估计精度,且保证dmrs开销占系统的20%以下,即在dmrs开销和信道估计精度之间进行了折中处理,以达到较好的性能。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1)能够对抗2800hz以上的多普勒,减小了dmrs在时域方向上的间隔,能够更好地应对快时变信道,提高了v2x系统在高速移动环境下的信道估计精度;
2)降低了频域方向上dmrs的密度,同时满足了频域方向上信道估计的要求,从而使得dmrs开销减小、频谱利用率提高;
3)不需要进行时间方向上的信道外插,进一步提高了v2x系统的信道估计精度。
附图说明
图1为lte-v2x系统的原理框图。
图2为lte-v2xdmrs模式,包括现有的dmrs模式(简称模式1,对应图2-1)和本发明提出的三种dmrs模式(分别简称模式2、模式3和模式4,对应图2-2、2-3、2-4)。
图3为多普勒频移为300hz时,时间方向线性内插,不同dmrs模式下的ber性能曲线。
图4为多普勒频移为300hz时,时间方向线性内插,不同dmrs模式下的mse曲线。
图5为多普勒频移为1000hz时,时间方向线性内插,不同dmrs模式下的ber性能曲线。
图6为多普勒频移为1000hz时,时间方向线性内插,不同dmrs模式下的mse曲线。
图7为多普勒频移为2000hz时,时间方向样条内插,不同dmrs模式下的ber性能曲线。
图8为多普勒频移为2000hz时,时间方向样条内插,不同dmrs模式下的mse曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合实施方式和附图,对本发明作进一步地详细描述。
参加图1,现有的lte-v2x系统主要包括比特流生成模块、信号发射/信号接收模块、dft/idft模块、dmrs生成模块、映射/解映射模块(由选择的dmrs模式决定)、加cp/去cp模块以及利用drms的信道估计模块,其详细过程为:在发射端,比特流生成单元生成系统所需的二进制比特流数据b,经过信号调制,如qpsk,得到复数信号d,通过m点dft(离散傅里叶变换)扩展得到s,然后通过子载波映射将s和生成的解调参考信号r映射(映射方式与采用的dmrs模式有关)到资源网格g中,之后将输入ifft(快速傅里叶逆变换)单元得到x,再添加cp(循环前缀)得到sc-fdm符号,最后经过并串转换得到信号
由以上过程可以看出,lte-v2x系统的dmrs模式决定着系统在频域资源网格的映射和解映射,更为重要的是,dmrs模式会直接影响着信道的估计精度,从而影响着系统的解调性能。lte-v2x系统现有的dmrs模式(模式1),如图2中(1)所示,dmrs的位置为sc-fdm符号#2、#5、#8和#11(sc-fdm符号以#0开始),横轴表示时间方向,纵轴表示频域方向,设频域方向的drms间隔为df,则信道能对抗的最大时延为:
当载波频率为fc=6ghz,最大的相对速度为v=500km/h时,信道的最大多普勒频移为:fd=fcv/c,其中c为光速,通过计算可以得到fd=2777.78hz,其信道的相干时间为0.15ms。而v2x系统现有的dmrs模式(模式1)如图2-1所示,dmrs的位置为sc-fdm符号#2、#5、#8和#11(sc-fdm符号以#0开始),横轴表示时间方向,纵轴表示频域方向。通过图2-1可知,时间方向的drms间隔为dt=3,则此种dmrs模式能对抗的最大多普勒为:
对于lte-v2x系统10mhz带宽下,t=66.67us,tcp=5.2us,ts=t+tcp,图2-1中dmrs模式1能估计的最大多普勒频移为2319hz。dmrs模式1在一个资源块的dmrs开销为:
由于频域方向全部插入drms,则dmrs模式1可以对抗较大的多径时延,由τmax≤1/(2df·δf)(其中df=1)得到模式1可以对抗的多径时延为33.34us。
在对上述dmrs模式(模式1)进行信道估计时,只需对时间方向信道估计即可。但是当相对速度为500km/h时,信道的最大多普勒为2777hz,则利用上述dmrs模式进行信道估计会存在一定的误差,且drms外sc-fdm符号处的信道值,需要进行外插,会进一步降低信道估计精度。
因此,本发明提出了三种lte-v2x系统中新的dmrs模式,如图2-2、2-3、2-4所示,分别表示dmrs模式2、模式3和模式4,下面对本发明提出的dmrs模式对抗的最大时延、最大多普勒以及dmrs开销的分析如下:
图2-2表示lte-v2x系统dmrs模式2的帧结构,即频域方向drms间隔为6,时间方向全部插入drms(即时间方向的drms间隔dt=1),对于lte-v2x10mhz系统,t=66.67us,tcp=5.2us,dt=1,则能估计的最大多普勒频移为:
当时间方向全部插入drms时,信道能对抗的最大多普勒为6957hz,而lte-v2x最大多普勒为2778hz,所以时间方向全部插入dmrs有一定的冗余,为了进一步降低dmrs的开销,本发明提出dmrs模式3。图2-3表示该dmrs模式3的帧结构,即频域方向drms间隔为6,时间方向drms间隔为2,则能估计的最大多普勒频移为3478hz,lte-v2x系统的最大多普勒为2777.78hz,则上述drms设计可以很好的满足时间方向信道估计的要求。频域方向drms间隔为df=6,则信道能对抗的最大时延为5.5us。
通过分析时频方向能对抗的最大多普勒和最大时延可知,模式3的drms设计可以满足lte-v2x信道估计的要求,且drms开销低于模式2的drms开销。模式3的drms开销为:
为了进一步提升drms处的信道值估计精度,本发明提出了dmrs模式4,该drms模式在drms开销和信道估计精度之间折中,可达到较好的性能。通过增加频域方向的drms间隔,可以更好的提高drms处的信道值精度。图2-4表示lte-v2x系统dmrs模式4的帧结构:即频域方向drms间隔为3,时间方向drms间隔为2,则信道对抗的最大多普勒频移为3478hz。lte-v2x系统的最大多普勒为2777.78hz,则上述导频设计可以很好的满足时间方向信道估计的要求,频域方向的drms间隔为df=3,则信道能对抗的最大时延为11.11us。
通过分析时频方向能对抗的最大多普勒和最大时延可知,模式4的dmrs设计可以满足lte-v2x信道估计的要求,dmrs开销为:
这里基于信道估计的角度分析了4种lte-v2x的dmrs模式,模式1是v2x系统中现有的dmrs模式,后3种是根据信道的性质提出的dmrs模式,总结如表1所示,分析了4种dmrs模式能对抗的最大时延和最大多普勒,以及dmrs开销。
表1
由此可以看出,与dmrs模式1相比,本发明提出的dmrs模式2、模式3和模式4不仅都能满足v2x时间方向信道估计的要求,而且dmrs的开销也大大降低,频谱利用率有所提高。
实施例
在仿真时,信号为v2x标准10mhz带宽下的传输模式,其中信道带宽为b=10mhz,子载波间隔为δf=15khz,在1/3turbo码率条件下,采用dmrs模式1、模式2、模式3和模式4,仿真调制方式为16qam下系统的ber(误码率)曲线和mse(均方误差)曲线,移动信道参数如表2所示。时间方向上采用的信道内插算法为线性内插或样条内插,采用的信道外插算法为二次指数平滑算法;频域方向上采用的信道估计方法mmse(最小均方误差)内插或kaiser内插。
表2
图3和图4分别表示时间方向上线性内插、多普勒频移为300hz时不同dmrs模式下的ber曲线和mse曲线,通过图3和图4可以看出,低速条件下,dmrs模式4的性能最好,dmrs模式2和模式3次之,比dmrs模式2差约1db,dmrs模式1的性能最差,这是由于dmrs模式1需要外插4个ofdm符号使得信道估计精度比较差导致的,而相比模式2和模式3,模式4在对抗多径时延的效果更好。
图5和图6分别表示时间方向上线性内插、多普勒频移为1000hz时不同dmrs模式下的ber曲线和mse曲线,通过图5和图6可以看出,多普勒频移为1000hz时,dmrs模式2和4的性能最好,dmrs模式3的性能次之,dmrs模式1的性能较差且比多普勒频移为300hz时的性能差很多,这主要是因为dmrs模式1的dmrs结构在时域方向上密度较小,在快时变信道下的线性内插误差较大,导致信道估计精度比较差,随着多普勒频移的增大,性能急剧下降。
图7和图8分别表示时间方向上线性内插、多普勒频移为2000hz时不同dmrs模式下的ber曲线和mse曲线,通过图7和图8可以看出,多普勒频移为2000hz时即高速移动环境下,dmrs模式2和4的性能最好,drms模式3的性能次之,dmrs模式1此时的ber性能极差。由图7可以看出,频域方向的信道估计方法采用mmse时,模式2的性能比模式4的性能好1db;频域方向的信道估计方法采用kaiser方法时,模式2的性能却要比模式4的性能差2db左右。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。