车载通信系统物理层及MAC层协议的研究与改进

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近年来,随着社会生产发展水平的提高及汽车行业的快速发展,汽车的拥有量激增。汽车在带给人们出行便利的同时,也带来了道路拥堵、交通事故、环境污染等许多问题。因此,人们对于智能交通的关注和需求越来越多,结合了无线通信技术、传感器网络、计算机原理等的车载通信系统正成为各国的研究热点。车载通信是基于各类不同的通信协议组成,目前各国尚无统一的标准,主流的有以美国为代表的专用短程通信DSRC标准和以中国为代表的基于蜂窝通信技术的LTE-V2X标准。本文重点研究的是基于DSRC标准的车载通信系统。在DSRC协议体系下,IEEE802.11p标准作为物理层和MAC层的协议,同时IEEE 1609.4标准用于支持多信道操作,为增强MAC协议。物理层为用户之间的数据通信提供发送和接收,决定了通信的质量;MAC层协调网络中的节点访问信道资源,决定网络能否高效运行。物理层和MAC层紧密联系,互相合作,共同构成车载通信系统的技术基础。本文围绕车载通信技术问题,对物理层关键技术和MAC层通信协议进行了深入的研究,主要工作内容及创新成果如下:(1)研究更加合理的信道估计与信道均衡算法。在车载OFDM通信系统中,由于同步估计与信道估计存在着紧密的联系,改进的信道估计算法便是考虑在接收端对两者进行联合估计,从而尽可能消除由于载波频偏所引起的载波间干扰。同时基于判决反馈的原理采用了自适应梯度变化的信道估计算法,循环迭代地进行均衡。相比于传统算法,改进的算法其信道估计更精确,系统增益更大,尤其是在多普勒频移较高的情况下。(2)将LDPC码应用于车载通信系统,并提出改进的译码算法。LDPC码的一项关键技术是采用置信传播的方式来进行迭代译码,因此在性能和安全性等诸多方面相比于Turbo码均有优势。基于随机计算原理的LDPC译码算法能将许多计算过程都通过逻辑运算的形式呈现。改进的跟踪预测存储译码算法及其衍生算法则能够实现节点信息的准确传递,同时避免锁存现象的发生,从而在不损失太多性能的前提下有效地降低系统软硬件复杂度。(3)将TDMA机制与协作通信的思想相结合,提出了改进的MAC层协议方案。考虑到车载通信过程中对于安全信息和非安全信息的传输要求,改进协议基于分簇结构为网络中每一个节点都分配两个子时隙来有效降低时延、提高信道利用率,同时多信道协作重传机制则能够更为有效地利用中继节点来提高消息接收成功的概率。各种参数的仿真结果证明了改进的MAC层协议能够充分利用信道和时隙资源,为车载通信系统提供更好的QoS保证。全文从车载通信系统协议架构的最低层物理层出发,上至MAC层,再到MAC层的多信道操作,同时结合安全和非安全应用对于车载通信过程中信息传输需求的不同,通过对这些底层关键技术及协议的研究,系统而全面地对车载通信未来的发展提出了改进意见。
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