一种车辆紧急安全信息的低时延高可靠传输方法

摘要

本发明涉及一种车辆紧急安全信息的低时延高可靠传输方法，包括：车辆选取紧急安全信息发送所使用的扩频码和导频，并进行周期性更新；车辆利用扩频码对生成的紧急安全信息进行扩频，将扩频码片映射到车辆通信频段的所有子载波上，并与调度在子载波上的非紧急信息非正交叠加；邻居车辆对紧急安全信息的发送车辆进行盲识别，获得紧急安全信息的发送车辆的扩频码；邻居车辆接收经信道衰减之后的子载波上传递的信号，利用迭代干扰消除算法对接收信号进行处理，并利用紧急安全信息的发送车辆的扩频码得到紧急安全信息。与现有技术相比，本发明具有传输时延低、紧急安全信息的可靠性高以及不影响非紧急安全信息的正常传递等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及车联网中的车辆间通信技术，尤其是涉及一种车辆紧急安全信息的低时延高可靠传输方法。

背景技术

车辆主动安全是车联网的关键应用领域之一，具有极高的实际价值，受到很多通信设备厂商和汽车厂商的关注。欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)在标准技术文档TS102638(Basic set of application definitions)中对各种车联网主动安全应用场景作出定义，在标准技术文档TS302665(Communication Architecture)中标准化两种类型的安全信息，分别是周期性传输的协作感知信息(Cooperative awareness message,CAMs)和事件触发的分散环境通知信息(Decentralized Environmental Notification Messages,DENMs)。

在这两类安全信息中，大部分的信息对时延要求不是非常苛刻，例如，交通效率信息以及娱乐信息等，其数据量较大，但是时延要求低。如果基于蜂窝网络架构进行通信，有此类数据传输需求的车辆可以按照正常的通信流程，向网络申请无线信道，等待被按照权重进行调度。

另一方面，在车辆通信中，有一些信息对延时和可靠性的要求非常苛刻，例如，车辆碰撞、爆胎、紧急刹车等信息，需要在极短的时间内以极高的可靠性通知周围其他车辆，以便其他车辆采取相应避险措施。然而，在基于802.11p协议的自组织方式中，车辆竞争接入信道，在较多车辆有数据传输需求的时候，很难满足紧急安全信息对时延的要求。而对基于蜂窝网络的终端直接通信(D2D)方式，虽然当前3gpp标准23.703定义了适用于车辆直接通信的D2D架构，但是对于终端间直接通信中最核心的无线资源分配方式，最新的3gpp物理层标准仍然要求有数据传输需求的车辆先向网络申请无线信道，获得无线资源之后再发送信息(即，数据在车辆间直接传输，控制信息仍然经过蜂窝网络)，此过程会产生一定的延时，也不能满足紧急安全信息的时延要求；另外，如果车辆处于非连接态，转换到连接态的时间可能超过100ms，这大大增加紧急安全信息的传输时延。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种车辆紧急安全信息的低时延高可靠传输方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车辆紧急安全信息的低时延高可靠传输方法，所述方法包括：

1)车辆选取紧急安全信息发送所使用的扩频码和导频，并进行周期性更新；

2)车辆利用步骤1)选取的扩频码对生成的紧急安全信息进行扩频，将扩频码片映射到车辆通信频段的子载波上，并与调度在子载波上的非紧急信息非正交叠加；

3)邻居车辆对紧急安全信息的发送车辆进行盲识别，获得紧急安全信息的发送车辆的扩频码；

4)邻居车辆接收经信道衰减之后的步骤2)中子载波上传递的信号，利用迭代干扰消除算法对接收信号进行处理，并利用步骤3)得到的扩频码得到紧急安全信息。

所述步骤1)具体为：

11)车辆接入车辆网络，在一个信标发送周期内接收一跳邻居车辆的信标；

12)车辆根据步骤11)接收到的一跳邻居车辆的信标，得到一跳邻居车辆的扩频码；

13)车辆从系统扩频码本中选取一个未被一跳邻居车辆使用的码字，作为扩频码发送，并得到该扩频码对应的导频；

14)车辆接入车辆网络，在运行过程中接收下一个信标发送周期内的一跳邻居车辆信标，判断是否有与自身扩频码相同的车辆，若是则进入步骤15)，若否则返回步骤14)；

15)车辆从系统扩频码本中选取一个与一跳邻居车辆均不相同的码字，作为新的扩频码发送，并得到该扩频码对应的导频后返回步骤14)。

所述系统扩频码本的构建过程具体为：

111)将车辆通信频段的信道子载波数量作为扩频码码字的长度N；

112)将车辆一跳邻居数量的最大值作为扩频码本中扩频码的数量M；

113)确保M个扩频码两两正交，得到系统扩频码本。

所述步骤2)具体为：

21)车辆在需要发送紧急安全信息时，利用步骤1)选取的扩频码对生成的紧急安全信息进行直接序列扩频，得到对应的扩频码片；

22)根据步骤1)选取的导频的图案，确定导频子载波并搭载导频；

23)车辆将扩频码片映射到车辆通信频段的所有非导频子载波上。

所述步骤3)具体为：

31)邻居车辆对一跳范围内的车辆进行信道估计，得到每个信道的功率；

32)邻居车辆将每个信道的功率与预设门限进行比较，信道的功率大于预设门限的车辆即为紧急安全信息的发送车辆；

33)邻居车辆从紧急安全信息的发送车辆的信标中获得对应的扩频码。

所述步骤4)具体为：

41)邻居车辆接收经信道衰减之后的步骤2)中子载波上传递的信号，在没有调度非紧急信息的子载波上直接获取与相应子载波对应的紧急安全信息；

42)邻居车辆在调度了非紧急信息的子载波上，将紧急安全信息视为噪声，获取初始的非紧急信息，并开始进入循环，记录初始循环次数为0；

43)邻居车辆在步骤41)的接收信号中减去非紧急信息后，利用步骤3)得到的紧急安全信息的发送车辆的扩频码解扩，得到与相应子载波对应的紧急安全信息；

44)邻居车辆在步骤41)的接收信号中减去步骤43)得到的与相应子载波对应的紧急安全信息后，解调得到非紧急信息；

45)邻居车辆将循环次数加1，判断循环次数是否达到设定值，若是则结束步骤4)，若否则返回步骤43)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)车辆产生紧急安全信息之后，将紧急安全信息用扩频码进行直接序列扩频，扩展到车辆通信频段的所有子载波上，与现有技术相比，无需花费时间获取无线资源，大大减小了紧急安全信息发送的时延。

(2)紧急安全信息经直接序列扩频后映射到子载波上，接收车辆将收到紧急安全信息与非紧急信息的非正交叠加信号，由于经直接序列扩频后，每个码片的功率非常低，结合迭代干扰消除算法，非紧急信息的传输可靠性受到的影响很小。

(3)直接序列扩频为紧急安全信息带来了扩频增益，同时利用迭代干扰消除算法，可以消除子载波上的干扰，因此保证了紧急安全信息的可靠性。

(4)系统扩频码本中的任意两个扩频码均正交，保证了每个车辆的扩频码均不同，即可以对不同车辆发送的紧急安全信息进行区分。

(5)扩频码可以采用Walsh序列、M序列和Golden序列等序列，可以根据实际情况进行选择，实用性能强。

附图说明

图1为适用车辆紧急安全信息的低时延高可靠传输方法的车辆内部架构图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为实施例中车辆的位置示意图；

图4为有无紧急安全信息非正交发送情况下，非紧急安全信息的传输误码率对比图；

图5为正交信道传输紧急安全信息与本发明中非正交传输的误码率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

车辆配置蜂窝网络接口，可以作为移动终端发射和接收数据，如图1所示。系统分配某段频带作为车辆通信的专用频带(例如在2.6G的频段上分配5MHz)。车辆在该专用频带上直接向邻居车辆广播信息，邻居车辆只要接收信噪比超过一定的门限值，都可以成功接收数据。车辆产生的数据按照特定的标准(该标准可以根据实际场景设置)划分为紧急安全信息和非紧急信息。车辆周期性的发送信标信息，以便邻近车辆识别，信标的发送周期为100ms～1s。

如图2所示，本实施例的目的是提供一种车辆紧急安全信息的低时延高可靠传输方法，包括以下步骤：

1)车辆选取与更新紧急安全信息发送所使用的扩频码和导频：

车辆如果发送紧急安全信息，则使用特定的扩频码和导频。使用扩频码的目的之一是区分不同车辆发送的紧急安全信息，所以一跳范围内的车辆必须使用相互正交的扩频码，并且每一车辆都知道一跳范围内的其他车辆使用哪个扩频码和导频。

假设车辆通信频段的广播数据传输信道包括N个非导频的子载波，并且车辆一跳邻居数量最大为M(M必须小于等于N)，那么扩频码码字的长度为N，系统可用的码本定义为M个相互正交的码字，这M个正交码字可以采用Walsh学列、M序列、Golden序列等等。由于导频序列不需要正交，所以在本专利中，按照3gpp标准生成M个导频信号，并且每个导频固定对应一个扩频码。在下述车辆盲识别中，只要接收车辆获得发送车辆的导频，则自然获得其扩频码。

车辆在周期性发送的信标中使用若干比特位发送导频序号。在接收信标之后，车辆可以获知所有一跳邻居车辆发送紧急安全信息时所用的导频和扩频码。

11)扩频码和导频的选取过程如下：

假设系统的当前状态是，所有一跳范围内的车辆配置相互正交的扩频码字。如果有一车辆刚刚启动，并且接入车辆网络，那么其在一个信标发送周期内(例如，100ms内)首先接收一跳邻居车辆的信标，获取一跳邻居车辆的扩频码码字，然后从系统扩频码本中选取一个未被一跳邻居车辆使用的码字，作为其扩频码字。

12)扩频码和导频的更新过程如下。

随着车辆的运行，车辆的一跳邻居车辆改变，导致一跳范围内车辆的扩频码可能不再相互正交。由于车辆在每个信标发送周期，都接收一跳邻居车辆的信标，只要监听到有其他车辆使用与自身相同的扩频码，则改变自己的扩频码，从码本中选择一个与一跳邻居车辆都不相同的码字，并在信标中发送。这样，在最多两个信标周期之后，一跳邻居车辆的扩频码将全部变为相互正交。

2)车辆发送紧急安全信息：

非紧急信息按照3gpp的D2D标准传输，数据直接在车辆间广播，蜂窝基站通过信令控制链路的建立和无线资源分配。车辆产生非紧急信息之后，向蜂窝网络申请无线资源，并在调度到的无线信道上向周围车辆广播。

车辆生成紧急安全信息之后，使用扩频码对此信息进行直接序列扩频，并将扩频之后生成的N个码片的信息在N个子载波上发射出去。这样，假设车辆m的扩频码是C_m＝(C_m1,C_m2,…,C_mN)，发射信号为x_m，则车辆m在第n个子载波上的发送信号将是x_mC_mn。紧急安全信号经过扩频之后，信号能量被分散到N个子载波上，每个子载波上的信号能量变为原来的1/N。扩频后的紧急安全信息在调度到各个子载波上的时候，由于部分子载波可能已被调度了非紧急信息，因此此时该部分子载波上发送的是紧急安全信息和非紧急信息非正交叠加后的信息。

3)邻居车辆对紧急安全信息发送车辆进行盲识别：

在车辆通信频段的导频子载波上，邻居车辆收到的信号是发送紧急安全信息车辆的导频与被调度在此资源块上的车辆导频的叠加。

邻居车辆采用基于导频的方法对紧急安全信息的发送车辆进行盲识别，具体方法如下：

令C₁表示导频子载波上所有一跳邻居车辆的集合，接收车辆收到的导频信号可以表示为：

其中A_k表示第k个用户的导频序列，h_k表示第k个用户的信道，n表示噪声，I_k是一个指示变量，I_k＝1表示第k个用户在发送信息，I_k＝0表示第k个用户没有发送信息。

盲识别中基于信道估计方法的原理如下：接收机对每个用户都进行信道估计，计算估计出来的每个信道的功率，给出一个门限，信道功率大于该门限的，认为当前用户是处于激活状态，正在发送信息。识别出发送车辆之后，即可从其信标中获得其扩频码，使用相应的扩频码接收其发送的紧急安全信息。

4)邻居车辆接收紧急安全信息：

在第n个子载波上，邻居车辆接收到的信息为被调度的车辆发射的信号与扩频之后的紧急安全信息的叠加，表示为下式：

其中，h₀和x₀分别表示被调度在该子载波上的车辆到接收车辆的信道和该车辆发送的信息，h_m,n表示第m个发送紧急安全信息的车辆到接收车辆的信道，N₀为加性高斯白噪声。

在检测到紧急安全信息发送车辆之后，接收车辆采用迭代干扰消除算法，首先把紧急安全信号视作噪声，正常接收被调度车辆的信号。然后，在对应的子载波上减去被调度车辆的信号，再使用该紧急安全信息发送车辆的扩频码对所有子载波上的信号进行解扩，并解调得到紧急安全信息，之后利用解调得到的紧急安全信息从叠加信号中重新解调非紧急信息，为了得到更准确的信号接收，上述过程将迭代进行若干次，在仿真中，迭代最多4次之后，误码率将收敛到稳定值。

依据上述方法，以一个基于LTE-A系统D2D的车辆通信网络为例，来说明紧急安全信息如何发送，并且如何被一跳邻居车辆接收的方法。本实施例中系统在2.6G频段上分配2MHz带宽专门用于车辆之间的广播通信，所有车辆都配置一个天线。

如图3所示场景，在车辆的运行中，车辆1、2、3、4处在彼此的一跳范围之内，并且使用不同的扩频码和导频序列，信标发送周期为100ms。扩频码码字长度N＝128，码本由M＝20个相互正交的Walsh序列构成。随着车辆的运行，车辆5进入到车辆3和4的一跳通信范围，并且车辆5与车辆3使用相同的扩频码和导频序列。假设车辆3先收听到车辆5发送的信标，获知其扩频码和导频序列，那么车辆3将立即在扩频码码本中搜索一个新的扩频码，该扩频码与车辆1、2、4、5的扩频码都不相同，并且在信标中广播自身的扩频码和导频序列。通过上述更新过程，可以保证一跳邻居车辆使用相互正交的扩频码。

在某时刻，车辆1突然爆胎，需要紧急通知一跳邻居车辆。假设当前车辆5正在广播非紧急信息，占用车辆通信频带的第1到10个RB，导频发送采用36.211中规定的单天线下行参考信号映射图案。车辆1产生爆胎信息之后，使用其扩频码将信号扩频，并直接映射到2M带宽的所有子载波上发射，其导频在每个RB上也使用36.211规定的单天线下行参考信号映射图案。这样，车辆1的紧急安全信息将在第1到10个RB上与车辆5的非紧急信息非正交叠加，受到车辆5非紧急信息的强干扰，而在其他的RB上不受干扰。

车辆2、3和4，在没有信息发送的时候，一直监听车辆通信频段，接收车辆通信频段上的广播信息。在每个时隙，车辆2、3和4按照盲识别算法判断是否有车辆在发送信息。由于盲识别限制于一跳范围内的车辆，所以盲识别的运算量并不大。车辆2、3和4通过盲识别算法，识别出有车辆在发送紧急安全信息，则使用迭代干扰消除算法，解调得到车辆1发送的爆胎信息。

图4仿真分析车辆1紧急安全信息传输对车辆5非紧急信息传输的影响。从仿真结果可以看出，紧急安全信息是否发送，车辆5非紧急信息的传输误码率变化不大，表明其可靠传输受到的影响很小。

图5仿真分析车辆1正常获取正交信道并发送紧急安全信息与采用本发明中方法所得到的接收误码率对比。从仿真结果可以看出，其传输误码率相差很小，这表明紧急安全信息可以较低的时延实现可靠传输。