基于ieee802.16協議的車聯網系統及通信方法
【專利摘要】本發明涉及基于IEEE802.16協議的車聯網系統，所述系統包括車載終端，信道模塊，所述車載終端包括車載發射終端、車載接收終端以及車載中繼終端，所述車載發射終端具有不同的幀結構的多個OFDM傳輸子系統，所述信道模塊具有AWGN信道或者頻率選擇性衰落信道，所述車載接收終端對應于車載發射終端的OFDM接收子系統，所述車載中繼終端為車載發射終端與車載接收終端的中間處理過程子系統。該系統能進一步驗證算法在網絡下的通信性能，完善車聯網系統聯網情況下物理層技術，進一步提高了網絡性能的可靠性。
【專利說明】基于IEEE802.16協議的車聯網系統及通信方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線通信系統領域，特別是基于IEEE802.16協議的車聯網系統及通/[目方法。
【背景技術】
[0002]在WiMAX(WorldwideInteroperability for Microwave Access微波存取全球互通)網絡中有一種無中心節點的網絡，稱為Mesh網絡，即WMN (Wireless Mesh Network無線網格網)。Mesh網絡正是因為其無中心、自組織等特點日漸興盛起來，逐漸應用于樓宇辦公、臨時會議、應急通信、車聯網等情況。其物理層技術采用信道編碼、可選數據調制方案、以及正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 0FDM)技術
[0003]移動自組織網絡以及無線傳感器網絡方面的研究已有很多，對于智能交通系統的研究始于上個世紀末，并已取得了很多實際的應用性成果，但對于車載網絡的研究還處在起步階段。車聯網以移動中的車輛及交通設施為節點，利用無線通訊技術，來形成行動網絡。加入這個網絡的車輛，會成為一個無線節點，或是無線路由。在一定范圍內的汽車，彼此連結，形成一個大范圍的網絡。車輛可以加入或離開，建立起新的移動互聯網。
[0004]IEEE802.16協議的物理層既可以支持單載波又可以支持多載波，支持多載波即支持OFDM技術。基于單載波的物理層規范又分為WirelessMAN-SC和WirelessMAN-SCa兩種。WirelessMAN-SC的操作頻段為10?66GHz，且為視距(LOS)操作；而WirelessMAN-SCa的操作頻段低于11GHz，為非視距(NLOS)操作。基于多載波的物理層規范則分為WirelessMAN-OFDM和WirelessMAN-OFDMA，兩種規范均基于OFDM多載波技術，操作頻段均低于I IGHz。
[0005]隨著寬帶無線通信技術的不斷發展和廣泛應用，寬帶無線自組網絡對于車聯網的通信具有重要意義。寬帶無線自組網構成的車聯網，主要是指裝載在車輛上的無線設備，實現寬帶自組織網絡的構建，具有可擴展規模、高容錯性、自組織、易架設、突發情況下能夠快速組網等諸多優勢，必將給車聯網無線通信帶來重大變革。

【發明內容】

[0006]本發明搭建基于IEEE802.16協議，在TDD模式下車聯網系統的Mesh網絡拓撲物理層系統構架，針對實時性的視音頻業務以及非實時的數據業務，多個節點實現通信，節點間通信可以通過單跳的方式，也可以通過多跳的方式。另外，設計適應于寬帶自組織車聯網通信系統的幀格式。不同的業務需求及不同的協議傳輸有不同的幀格式，協議里并沒有進行完整的定制，這也是本發明所完成的重要內容之一。
[0007]本發明的目的通過以下技術方案來實現:
[0008]基于IEEE802.16協議的車聯網系統包括車載終端，信道模塊，所述車載終端包括車載發射終端、車載接收終端以及車載中繼終端，所述車載發射終端具有不同的幀結構的多個OFDM傳輸子系統，所述信道模塊具有AWGN信道或者頻率選擇性衰落信道，所述車載接收終端對應于車載發射終端的OFDM接收子系統，所述車載中繼終端為車載發射終端與車載接收終端的中間處理過程子系統；
[0009]所述車載發射終端與車載接收終端通過直接通信方式，或車載中繼終端通信，車載中繼終端僅為轉發節點方式，或車載中繼終端通信同時車載中繼終端發送自己信息方式向車載接收終端發送數據；
[0010]車載接收終端接收數據后，判斷接收的數據，如果是采用終端間直接通信，車載接收終端直接進行OFDM解調、均衡、QPSK解調、信道解碼；
[0011]如果是通過車載中繼終端通信車載中繼終端僅為轉發節點，若有中繼分集，則對接收數據進行等增益合并處理然后進行OFDM解調、均衡、QPSK解調、信道解碼；若無分集，則直接進行OFDM解調、均衡、QPSK解調、信道解碼；
[0012]如果是通過車載中繼終端通信同時車載中繼終端發送自己信息，接收端則通過控制信息提取信息，然后分別進行后續處理。
[0013]所述系統車載發射終端由信源輸出數據，輸出數據經過信道編碼、QPSK調制、OFDM調制形成待發射的突發信號。
[0014]本發明的優點在于:
[0015]本發明能實現了自組織網絡中基于物理層技術對上層網絡架構的技術支持，針對不同的業務量及通信場景(用戶到用戶直接通信或用戶通過多跳方式)，進行組網通信。本發明系統能進一步驗證算法在網絡下的通信性能，完善車聯網系統聯網情況下物理層技術，進一步提高了網絡性能的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發明系統整體結構圖；
[0017]圖2-4是本發明框架的Mesh三種幀結構圖；
[0018]圖5是本發明不同業務量下的仿真模型；
[0019]圖6是本發明車載發射終端與車載接收終端直接通信物理層仿真模型；
[0020]圖7是車載發射終端通過中繼終端與車載接收終端無分集通信物理層仿真模型，車載中繼終端僅有中繼轉發功能；
[0021]圖8是車載發射終端通過中繼終端與車載接收終端有分集通信物理層仿真模型，車載中繼終端僅有中繼轉發功能；
[0022]圖9是車載發射終端通過中繼終端與車載接收終端通信物理層仿真模型，車載中繼終端同時發送自己信息。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。圖1是本發明系統整體結構圖。該系統包括如下幾部分。
[0024].車載發射終端:具有不同的巾貞結構的多個OFDM傳輸子系統；
[0025].信道模塊:AWGN信道或者頻率選擇性衰落信道；
[0026].車載接收終端:對應于發射端的OFDM接收子系統；
[0027].車載中繼終端:發射端與接收端的中間處理過程子系統。[0028]上述各個模塊以“車載發射終端一〉信道一〉車載接收終端”，或“車載發射終端一>信道一〉車載中繼終端一〉車載接收終端”的方式實現通信，數據流向具體介紹如下。
[0029]車載發射終端由信源輸出數據(數據格式為每幀384bit、768bit、1920bit)，輸出數據經過信道編碼、QPSK調制、OFDM調制形成待發射的突發信號。信源產生的不同數據量對應不同的業務量及巾貞結構。
[0030]車載發射終端的數據到達接收端的方式即組網方式主要有三種:車載發射終端-車載接收終端之間直接通信，車載發射終端-車載接收終端通過車載中繼終端通信車載中繼終端僅為轉發節點，車載發射終端-車載接收終端通過車載中繼終端通信同時車載中繼終端發送自己信息。第三種方式中的數據合并方式為時分多址。
[0031]車載接收終端接收數據后，首先判斷接收的數據是采用何種方式通信(主要是由控制信息來指示)，確定通信方式之后將數據進行后續處理。
[0032]如果是終端之間直接通信，車載接收終端進行OFDM解調、均衡、QPSK解調、信道解碼。
[0033]如果是源-目的節點之間通過中繼節點通信中繼節點僅為轉發節點，若有中繼分集，則對接收數據進行等增益合并處理然后進行OFDM解調、均衡、QPSK解調、信道解碼；若無分集，則直接進行OFDM解調、均衡、QPSK解調、信道解碼。
[0034]如果是車載發射終端-車載接收終端通過中繼節點通信同時中繼節點發送自己信息，接收端通過控制信息提取信息，然后分別進行后續處理。
[0035]本發明提出的基于IEEE802.16協議在Mesh模式下物聯網系統的網絡結構對應于不同業務量下的幀結構設計。
[0036]根據協議提出的對于數據突發與控制突發的幀結構，結合實際通信現對不同業務量下的幀結構進行設計。對于實時性傳輸的音頻、視頻業務，一般傳輸的數據量較小，但要求較高的實時性即較小的時延，同時要求較低的誤碼，這對于幀結構的設計一般設計為較短的突發，即每一時隙傳輸數據量較小，需要增加多余的開銷冗余保護。對于非實時性傳輸的數據業務，其對實時性要求較小，但一般具有較大的數據量，需要較高的傳輸效率，這對于幀結構的設計一般設計為較長的突發，提高傳輸速率以及傳輸效率。
[0037]對于數據突發，IEEE802.16協議中每一個物理時隙規定為7個OFDM符號，在TDD模式下，每一個物理時隙需要有1-2個前導符號，以及保護符號。針對不同的控制信息，對應的控制突發可傳輸最大數據量不超過960bit，為保證系統質量，設計2個前導符號和至少一個保護符號，這樣最大數據傳輸量不超過768bit。設計三種結構:①數據量為192bit整數倍，含有I個保護符號；②數據量為任意小于768bit數據，含有I個保護符號；③數據信息為192bit整數倍，含有2-3個保護符號。
[0038]對于控制突發，IEEE802.16協議中沒有做具體規定，但考慮每一時隙傳輸較多數據符號時，由于信道時變特性會影響系統性能，并且數據時隙的分配影響系統的傳輸速率，因此數據突發每一時隙傳輸有效數據量不能太大，也不能太小，可根據具體場景對業務量的需求設定其對應數據突發結構，本發明中主要考慮768bit及1920bit兩種數據業務量，幀結構中均含有2個前導符號及I個保護符號。具體幀結構如說明圖2-4所示。
[0039]另外，業務對于實時性的要求也對網絡模型提出要求。實時性較高的業務需要較小的時延，根據傳輸距離，盡可能實現點對點通信，當傳輸距離較遠時，多跳傳輸的跳數也是考慮因素。對于非實時性業務，需要較高的傳輸效率，那么具有分集增益的協作中繼系統具有較高的傳輸效率。其中涉及的MAC層調度算法非本專利發明所涉及內容，因此不考慮調度算法，所傳輸的業務量任務是MAC經過調度后的數據，本發明只涉及傳輸的組網。
[0040]不同的業務量模型如圖5-6所示。業務量的不同主要體現在數據源發送的數據比特不同以及接收端對可變幀結構的解析靈活多變，這主要由上層控制消息內容決定，通過上層控制信息控制物理層機制，從理論研究的角度其實就是選擇結構。搭建系統中通過嵌入功能模塊，實現選擇控制。
[0041]搭建系統中涉及的通信場景主要有三種:終端間直接進行點對點通信；車載發射終端與車載接收終端間通過車載中繼終端通信，車載中繼終端僅起到轉發的作用；終端通過車載中繼終端通信，車載中繼終端既可以當作轉發中繼節點，也可以當作車載發射終端-車載接收終端，當發送本終端信息同時轉發其他信息時，數據的合并采用時分多址的方式。
[0042]終端間直接通信時，比較簡單，不涉及上層路由及碰撞問題，發射端通過無線信道到達接收端進行處理。當終端通過車載中繼終端轉發且車載中繼終端僅起轉發作用時，為簡化研究，轉發策略采用簡單的放大轉發，車載接收終端可能同時收到車載中繼終端和車載發射終端發送的消息，也可能只收到車載中繼終端轉發的信息，同時收到兩個消息時對消息進行等比合并處理，對應通信場景為提高系統容量的中繼轉發系統，僅收到車載中繼終端消息時無需進行額外處理，對應通信場景為擴大通信范圍的中繼轉發系統。終端通過車載中繼終端通信，車載中繼終端既可以當作轉發中繼節點，也可以當作源目的節點時，主要針對其同時傳輸本節點信息及其他節點信息時，數據信息的時分多址處理以及接收端對數據分解處理。具體實現如圖7-9所示。圖7是車載發射終端通過中繼終端與車載接收終端無分集通信物理層仿真模型，車載中繼終端僅有中繼轉發功能；圖8是車載發射終端通過中繼終端與車載接收終端有分集通信物理層仿真模型，車載中繼終端僅有中繼轉發功能；圖9是車載發射終端通過中繼終端與車載接收終端通信物理層仿真模型，車載中繼終端同時發送自己信息。
[0043]應當理解，以上借助優選實施例對本發明的技術方案進行的詳細說明是示意性的而非限制性的。本領域的普通技術人員在閱讀本發明說明書的基礎上可以對各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.基于IEEE802.16協議的車聯網系統，其特征在于，所述系統包括車載終端，信道模塊，所述車載終端包括車載發射終端、車載接收終端以及車載中繼終端，所述車載發射終端具有不同的幀結構的多個OFDM傳輸子系統，所述信道模塊具有AWGN信道或者頻率選擇性衰落信道，所述車載接收終端對應于車載發射終端的OFDM接收子系統，所述車載中繼終端為車載發射終端與車載接收終端的中間處理過程子系統； 所述車載發射終端與車載接收終端通過直接通信方式，或車載中繼終端通信，車載中繼終端僅為轉發節點方式，或車載中繼終端通信同時車載中繼終端發送自己信息方式向車載接收終端發送數據； 車載接收終端接收數據后，判斷接收的數據，如果是采用終端間直接通信，車載接收終端直接進行OFDM解調、均衡、QPSK解調、信道解碼； 如果是通過車載中繼終端通信車載中繼終端僅為轉發節點，若有中繼分集，則對接收數據進行等增益合并處理然后進行OFDM解調、均衡、QPSK解調、信道解碼；若無分集，則直接進行OFDM解調、均衡、QPSK解調、信道解碼； 如果是通過車載中繼終端通信同時車載中繼終端發送自己信息，接收端則通過控制信息提取信息，然后分別進行后續處理。
2.根據權利要求1所述的基于IEEE802.16協議的車聯網系統，其特征在于，所述系統車載發射終端由信源輸出數據，輸出數據經過信道編碼、QPSK調制、OFDM調制形成待發射的突發信號。
【文檔編號】H04L29/08GK103763345SQ201310751774
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】李旭, 王博婷, 劉天驕, 張強 申請人:北京交通大學