面向车辆信道的增强和优化OFDM系统研究

摘要

在过去的十年中，IEEE802.11p和IEEE1609标准的出现改变了包含在一些智能交通系统(ITS)应用中的传输系统中的通信结构。这种改变导致产生出一种新型的网络，称为车载自组织网络(VANET)。该网络已经发展成为移动自组织网络((MANET)的一个重要的特例。VANET的出现和重要性已经吸引了一些汽车制造商、学术研究人员和各国政府的关注。这种网络类型由于其体系结构、特性、应用和挑战不同而有别于MANET。
　　本文的第一个贡献是调查车载网络领域关于车载节点之间的信息传输方面的先进研究。已经解释过VANET演化历史，网络组件体系结构和通信技术。车载网络的概念是利用最新信息，以提高网络性能和适用性。因此，车辆节点之间的信息传播对实现安全运输是至关重要的。由于特别需要通过车载网络广播安全消息，因此以主要的问题为目标，介绍了几种协议，问题包括广播风暴，隐藏节点、信道通信稳定性，车辆节点之间稀疏的连通性。提及工作的集体观点是关于消息传递、挑战和未来趋势。还讨论了信息传递的方法和所需的信息类型。
　　在设计消息传递协议时应该考虑几个因素，包括移动性，中断和延迟。信息传播协议分为三种方法，即车辆辅助的数据交付(VADD)，机会主义的数据交付和合作的数据交付。VADD旨在以最低的数据传输延迟将消息转发到临近的目的地。主要的思想是在可预测移动性和预定义的交通模式的基础上基于携带-转发的概念。当目标车辆进入它们的传输范围时，机会主义的方法从路边单元或者道路上的车辆获取信息。在路边单元覆盖非常有限的情况下，它被认为是最好的解决方案，但目标信息需要传播到几英里。不幸的是，这种方法的性能在车辆密度高的地方会遭受介质访问控制(MAC)层碰撞。最后方法有助于车辆下载一些内容文件的部分信息单元，稍后共享这些信息单元以获得完整的内容文件。这种方法适用于内容传输，其中，信息的数量在文件大小方面是至关重要的。
　　巨额的VANET安装费和测试环境场景组件的动态性影响网络性能的实际测试。因此，车载仿真工具是获得一个现实的车载网络氛围的最好方法。这些工具在初始化实际场景中扮演着至关重要的角色。通过这个调查，我们解释了车辆仿真工具的主要分类，分别是移动生成器，网络模拟器和VANET模拟器。
　　移动生成器用于增加实际的车载移动轨迹，如道路模型和车辆场景参数。移动发电机的输出详细说明了在整个仿真期间，每辆车的位置和移动配置文件。然后，网络模拟器使用生成的移动数据来定义数据包级别的模拟、目的地和数据传输机制。车载仿真工具试图提供交通流模拟器和网络模拟器。不幸的是，车载仿真工具仍缺乏交通生成器和网络模拟器之间的相互作用以及贫乏的文档。这种网络模拟气和移动生成器抑制试图解决VANET的问题，但是每一个解决方案都有它自己的缺点。因此，正确选择合适的仿真工具对于VANET研究者是一个基本的问题。为此，对主流的仿真软件的优点和分类进行了比较。
　　OFDM支持的正交性可以避免载波间的干扰和码间干扰。这可以通过在每个数据帧的起始插入循环前缀符号来完成。此外，OFDM使用保护带来定义在频域中的相邻信道避免干扰。OFDM对多路信道是健壮的，它可以应用一些转换技术，如快速傅里叶变换(FFT)。
　　IEEE802.11p是一个批准修改IEEE802.11标准的车载环境无线接入(WAVE)。这个标准把信道带宽降低到10 MHz，促进了车辆组件之间的直接通信。车载信道中的OFDM系统使用52个数据副载波，编码速率为1/2，2/3或3/4。进一步，可以使用几种调制机制，如二进制/正交相移键控(BPSK、QPSK)，16，、64，或256正交调幅(16-QAM、64-QAM或256-QAM)。
　　现在已经提出了几个车载网络相关的研究，但大多数关注路由、安全、或应用程序相关的方面。然而，IEEE802.11p PHY并未被彻底研究，仅在vehicle-to-vehicle通信环境。为了克服靠近路边单元时的高车载移动性，需要更多的研究和学习vehicle-to-roadside环境中的信道访问。
　　在此贡献中，本文提出一种新颖的混合模型，该模型是基于Zadoff-Chu序列和剪裁预编码。该模型利用离散余弦变换(DCT)减少OFDM单入单出(SISO)上行车载信道中的PAPR。提出的模型称为Zadoff-Chu序列剪裁离散余弦变换(ZCS-C-DCT)，它考虑从车辆到路边480米距离内的传输行为。选择Zadoff-Chu变换(ZCT)作为最具吸引力的预编码技术之一。由于它有一个小的时变，它应用于无线电信号以降低无线电功率放大器的成本和复杂度。此外，ZCS变换可以实现零自相关属性，确保传输符号序列之间的正交性。它也有一个小的变化频率，因此在接收机的信道估计会简单。
　　车联网中的无线信道因为使用OFDM方案而受到频率选择性衰落、散射和更高的PAPR率。因此，有几种解决方案需要降低车辆节点的复杂度，同时需要接收机能够支持简化均衡的OFDM系统。然而，总所周知，OFDM受到高PAPR的影响，因此必需要使用线性功率放大器来避免带外辐射和信号失真。在多用户OFDM MIMO中降低高PAPR能够降低实现路边基础设施所需的成本和功率。
　　现在，已经有几个研究所在研究车联网和MIMO系统。集成这些技术会有很多好处，包括明显提高车间通信的范围和可靠性。此外，这也能提高车联网的吞吐量，可以通过使用多重发射端来管理多用户干扰来实现。与此同时，研究者更应该注意在车辆环境下使用多重天线处理时空和空频的有利之处。另外，车联网具有很广阔的研究应用范围，从安全到娱乐应用。这些应用要求对媒体访问控制、网络和物理层的联合优化。
　　本文贡献是提出了一种新降低和优化模型，用于控制车辆信道下行链路中的PAPR。提出的模型运用了基于DCT-ZCS变换的多用户OFDM-MIMO方案。各种可用的由路边单元和大量存在的车辆支持的ITS应用需要使用高效的技术，例如MIMO。提出的模型旨在加强Vehicle-to-roadside通信环境下的车辆频谱。低复杂度、低成本和低功率无线电频率是本文模型要达到的主要目标，通过结合DCT变换和ZCS预编码来实现。另外，该模型还结合了凸优化来降低高PAPR。主要目标是缩短MIMO和车联网之间的差距，通过有效的信道建模和评估，和对高动态的车间拓扑的及时的信号处理。因此，车联网的整体性能将会得到很大的提升，包括减轻多用户干扰和提高链接容量。
　　该模型考虑多用户OFDM-MIMO下行的场景。在这种情况下，路边单元试图传递信号给多个车载节点。例如，广播安全消息、交通状况、甚至是一个广告。在发射端应用ZCS预编码和凸优化。从而减少了系统的复杂性，因为在接收机端不需要更多的操作。在模拟设置阶段，假设发射端路边单元安装了100根天线，接收车辆周围的从10到30。考虑在一个频率选择信道上的传输过程，4间隔，1/2编码速率和16-QAM星座。仿真结果表明，与最小二乘和传统OFDM模型相比，该模型有最好的平均符号错误率(SER)。此外，接收车载独立天线分别为10、20和30时，该模型的PAPR减少到6.22 dB、6.69 dB、和6.79 dB。
　　OFDM系统依赖多载波传输的概念在多个通信标准中已成为最好的物理层的选择。然而，由于存在的一些缺点OFDM系统不完美，包括高PAPR,不可忍受的放大器非线性，以及至关重要的灵敏度高载波频率偏移量。因此，保持正交性在副载波传输为了避免ISI和高PAPR。由于这些原因，单载波调制结合频域均衡作为对OFDM的替代。这种组合可以防止OFDM的主要缺点。与OFDM相比，单载波频分的复杂性和性能均衡系统几乎相似。然而，他们可以避免与基于传输相关的OFDM系统的缺点。类似于OFDM、单载波机制可以保持之间的正交性传播符号。
　　在这个贡献点，使用单载波频域均衡减轻了ISI和PAPR。主要目标是避开了OFDM的主要短缺，尤其是在上行信道。因此，单载波部署到车辆的信道，而不是传统的OFDM。最小均方误差(MMSE)和Zero-Forcing(ZF)过滤器用于单输入单输出(SISO)均衡器。此外，利用循环前缀的单载波传输作为OFDM多载波传播。循环前缀利用频域均衡器确保循环卷积信道。这意味着信道失真可以确定在时域而不是频域。
　　模拟在vehicle-to-roadside环境中提供使用2和6信道delay-taps的上行多路径车辆信道。使用BPSK，QPSK，16-QAM和64-QAM多状态调节，传输数据分为100个数据帧。三个不同的最大的多普勒频移值设置为1，40，200，第一个表示模拟静态运动和其他两个值代表动态运动。进一步，路径增益和路径延迟向量定义基于户外规则。
　　仿真结果给出了BER与SNR比较的曲线。这些曲线显示了经历不同的条件下的错误比特的概率，包括调制、最大的多普勒频移和信道的数量。根据仿真结果，相比使用BPSK，QPSK，16-QAM，64-QAM调制的ZF均衡器，MMSE均衡器实现了更好的BER。
　　简而言之，其他车辆的遮蔽，高多普勒频移和固有的非平稳性是车辆信道的关键特征，这些是影响数据包传输可靠性和延迟的主要因素。不过，本文概述了现有vehicle-to-roadside环境中的车辆信道测量方法。它旨在防止OFDM系统的主要缺点，以提高传输质量。

目录

声明

DEDICATION

摘要

ABSTRACT

TABLE OF CONTENTS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

CHAPTER 1：INTRODUCTION

1．1 Background

1．2 Motivation

1．3 Contribution of the Thesis

1．4 Organization of the Thesis

CHAPTER 2：A REVIEW OF DATA DISSEMINATION AND SIMULATION TOOLS IN VANETS

2．1 Introduction

2．2 VANETs Architecture

2．2．1 History of VANETs

2．2．2 VANETs Infrastrueture

2．2．3 VANETs Communication Technology

2．3 Data Dissemination

2．3．1 Information to Disseminate

2．3．2 Approaches of Information Delivery

2．3．3 Categorization of Dissemination Protocols

2．4 VANETs Simulation Tools

2．4．1 Mobility Generators

2．4．2 Network Simulators

2．4．3 VANETs Simulators

2．5 Summary

CHAPTER 3：OFDM AND VEHICULAR COMMUNICATIONS

3．1 Introduction

3．2 Radio Channel Propagation Features

3．3 Guidelines for OFDM Systems

3．3．1 Introduction to OFDM

3．3．2 Historical Perspective of OFDM

3．3．3 OFDM System Generation

3．3．4 Cyclic Prefix

3．3．5 Limitation of the Conventional OFDM

3．3．6 Popular OFDM Applications

3．4 OFDM in Vehicular Communications

3．4．1 Vehicular Propagation Channel and Scenarios

3．4．2 IEEE 802．11p OFDM Description

3．5 Current Challenges of Vehicular OFDM

3．6 OFDM-PAPR reduction techniques

3．7 Summary

CHAPTER 4：A NOVEL ZCS-CLIPPING PRECODING TECHNIQUE FOR PAPR REDUCTION USING DCT-OFDM IN VEHICULAR CHANNELS

4．1 Introduction

4．2 Literature Review

4．3 OFDM PAPR Properties

4．4 Preliminaries for the Proposed Model

4．4．1 Conventional ZCS Technique

4．4．2 Clipped-DCT Technique

4．5 Hybrid ZCS Transform Based on Clipping-DCT

4．6 Experimental Results and Discussion

4．7 Summary

CHAPTER 5：CONTROLLING AND OPTIMIZING PAPR IN A DOWNLINK VEHICULAR OFDM-MIMO BASED ON ZCS TRANSFORM

5．1 Introduction

5．2 Background

5．3 MIMO Vehicular Networks

5．4 Proposed Model

5．4．1 Basic Idea

5．4．2 OFDM-MIMO Channel Modeling

5．4．3 Vehicular Downlink Optimization

5．5 Simulation Results and Analysis

5．5．1 Simulation Setup

5．5．2 Performance Metrics

5．5．3 Experimental Results

5．6 Summary

CHAPTER 6：ISI AND PAPR MITIGATION USING SINGLE CARRIER FREQUENCY DOMAIN EQUALIZER OVER VEHICULAR CHANNEL

6．1 Introduction

6．2 FDE Background

6．3 Preliminaries

6．3．1 Introduction to SC-FDE

6．3．2 Basics of MMSE and ZF

6．4 The proposed Model

6．4．1 Model Description

6．4．2 Channel Modeling

6．4．3 IEEE 802．11p Channel Capacity

6．4．4 SC-FDE Feedback Decision

6．5 Simulation Results and Analysis

6．6 Summary

CONCLUSION

FUTURE WORKS

ACKNOWLEDGEMENTS

REFERENCES

PUBLICATIONS

SCIENTIFIC RESEARCH PROJECT DURING DOCTORAL STUDY