实现车辆的距离和速度估计是车载通信与网络领域的重要方向,针对导频信号具有功率大、良好的无源探测性能等优点,本文在OFDM信号的基础上,提出了一种利用OFDM导频信号进行测距测速的方法。首先推导得到了OFDM导频信号接收信号频域矩阵,对其行、列向量频谱进行搜索,经过处理得到目标的距离和速度,然后通过仿真实验及性能分析,验证了OFDM导频信号能够满足车载通信网络中车辆测距测速要求。 The estimation of range and velocity is an important direction of the vehicular communications and networking field. In view of the pilot signal with large power, and the advantages of good passive detection performance, this paper proposes a new velocity and range measuring method using OFDM pilot signal based on the OFDM signal. The OFDM pilot signals frequency domain matrix was derived firstly, the range and velocity of the target can be obtained through searching the frequency of the columns and row vector frequency of the matrix. And then through the simulation experiment and performance analysis we prove that this method can meet the requirements of range and velocity measurement in vehicular communication networking.
叶恒,余小游*,慈能达,孙鹏帅,马和风,林培英,陈星
湖南大学,信息科学与工程学院,湖南 长沙
收稿日期:2017年5月29日;录用日期:2017年6月9日;发布日期:2017年6月19日
实现车辆的距离和速度估计是车载通信与网络领域的重要方向,针对导频信号具有功率大、良好的无源探测性能等优点,本文在OFDM信号的基础上,提出了一种利用OFDM导频信号进行测距测速的方法。首先推导得到了OFDM导频信号接收信号频域矩阵,对其行、列向量频谱进行搜索,经过处理得到目标的距离和速度,然后通过仿真实验及性能分析,验证了OFDM导频信号能够满足车载通信网络中车辆测距测速要求。
关键词 :车载通信网络,OFDM,导频信号,测距测速
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车载通信网络是一种利用无线通信技术、定位技术及传感技术相互配合实现车辆与公众网络通信的动态移动通信系统,距离-速度估计是车载通信网络应用中的重要方向。学者对各种类型的OFDM定位探测信号进行了深入研究 [
本文提出了一种利用OFDM导频信号对目标距离和速度进行估计的方法。具体来说:首先在OFDM系统模型基础上,推导得出导频信号频域矩阵与目标的距离、速度的关系,得出导频信号测距测速方法,再对提出的OFDM导频信号测距测速方法进行论证分析和仿真实验。
导频就是常说的参考信号,该信号对于接收端来说是已知信号,是发射端提供给接收端的用于估计发送信号或估计信道特性的信号。对于导频信号,不同系统有不同的选择。IEEE802.11a里规定,4个导频对应到−21,−7,7和21这4个子载波上。当规定序列为1时,对应导频是{1,1,1,−1};当规定序列为−1时,对应导频是{−1,−1,−1,1}。
在一帧OFDM信号中,在特定的位置插入一些子载波充当导频,用来进行系统同步和信道估计,有助于正确的恢复星座幅度和相位,其余位置子载波用来传递数据。而导频信号的大功率特性及良好的无源探测性能能否用来测距测速是我们研究的兴趣点。
用导频信号测距测速,必然要考虑到不同的导频结构带来的影响,故下面详细介绍常见的导频结构。由于OFDM的时域频域二维特性,常见的导频分布结构有三种:块状导频分布结构、梳状导频分布结构、离散导频分布结构。
对于插入导频的OFDM符号,一个OFDM符号表达式可以表示为:
块状导频如图1(a)所示,在某些OFDM符号上全部插入导频信号,所有的载波都含导频信号,即每隔一段时间周期性的发送导频信号。经过IFFT、D/A转换、上变频可得发射端块状导频信号表达式为:
其中
梳状导频如图1(b)所示,导频在每个OFDM符号里均匀分布,在部分载波上含有导频信号,所以在时间方向有很强的抗快衰落能力。经过IFFT、D/A、上变频得发射端梳状导频信号表达式为:
其中
图1(c)~图1(d)所示为离散分布的形式,它们同时在时间和频率两个方向插入导频信号。在实际的系统中,会将连续的和离散的导频插入方式联合使用,以获得更好的性能。接下来详细介绍OFDM导频信号的测距测速方法。
车载通信网络中OFDM系统模型如图2所示,通过对二进制数据进行数字映射,串并转换,插入导频,然后进行IFFT调制后加入循环前缀就可以获得一个完整的OFDM符号。
由于导频信号有不同的结构,以下以梳状导频结构为例进行推导,梳状导频在频域插入导频信号
其中
经推导可得经过传播后到达接收端的导频信号表达式为:
其中
由接收端可得导频信号表达式为:
其中
图1. OFDM系统中常见的导频结构
图2. 车载通信网络中OFDM系统原理图
定义
导频矩阵
由于:
其中
与矩阵
同理可得到块状导频矩阵
对于块状导频所在任一OFDM符号位置
由梳状导频矩阵
由公式(14) (15)和导频矩阵知:距离
式(16)取得最大值时有:
此时得到目标索引:
可以得到目标距离为:
同理可得
其中
由于导频信号有不同的插入方式,这直接影响到测距测速的准确性,故下面对不同导频结构测距测速进行简单的分析:
a) “块状导频”。块状导频信号是在某些OFDM符号所有子载波上插入导频信号,由于频域的连续性,故可对目标的距离进行估计。然而块状导频时域的不连续性导致其速度估计性能很差。
b) “梳状导频”。梳状导频信号是在每个OFDM符号某些子载波上插入导频信号,由于时域的连续性,故可对目标进行速度估计。然而梳状导频频域的不连续性导致其距离估计性能很差。
c)“离散导频”。由于导频信号的个数有限以及时域和频域的离散性特点,故离散导频信号结构测距测速性能都很差。
下面给出OFDM导频信号测距测速原理简图如图3所示。
仿真采用5.9G OFDM信号参数,具体参数见表1所示。
由于利用导频信号进行距离-速度的估计与导频信号结构密切相关,故下面对不同导频结构测距测速性能进行仿真与分析。
仿真中距离和相对速度分别取(50 m, 30 m/s) (200 m, 100 m/s)不同的值。得到各种导频结构距离速度估计值如表2所示。
对目标(200 m, 100 m/s)三种导频结构距离速度进行估计,其距离速度剖面图如图4所示。
通过表2和图4,可以得出:块状导频只能进行距离的估计,速度估计偏差太大;梳状导频只能进行速度的估计,距离估计偏差太大;离散导频不能对目标进行距离速度估计。
测量精度描述了对目标参数的测量准确度。这里用均方误差来表示精度,且用块状导频信号进行测
图3. 导频信号测距测速原理简图
参数 | 值 |
---|---|
子载波频率间隔△f | 0.15625MHZ |
循环前缀TG | 1.6μs |
原始OFDM符号时间T | 6.4μs |
OFDM符号时Ts | 8μs |
帧长M | 64 |
载波频率 | 5.9GHZ |
子载波数N | 64 |
训练序列长度 | 32μs |
带宽B | 10MHZ |
数据调制 | QPSK |
增益Gp | 36.1236 dB |
表1. OFDM系统参数
距用梳状导频信号进行测速,画出精度与信噪比之间的关系图,如图5所示。
当信噪比大于10 dB时,测距测速精度随着信噪比的增大而保持不变,完整一帧数据和导频信号测
目标1 | 块状导频 | 梳状导频 | 离散导频 |
---|---|---|---|
距离估计值(m) | 49.6875 | 499.6875 | 152.8125 |
速度估计值(m/s) | 301.0378 | 31.0348 | 90.0010 |
目标2 | 块状导频 | 梳状导频 | 离散导频 |
距离估计值(m) | 199.6875 | 79.6875 | 607.5000 |
速度估计值(m/s) | 999.3214 | 99.3114 | 304.1413 |
表2. 导频结构与距离速度估计值
图4. 不同导频结构距离-速度剖面图
图5. 精度与信噪比关系图
距测速时距离精度分别为0.39 m,0.36 m,速度精度分别为1.05 m/s,0.95 m/s,随着噪声的增大,精度变差,当信噪比为0 dB时,完整一帧数据和导频信号距离速度估计精度分别为8 m,7.5 m和23 m/s,19.5 m/s,由距离速度估计精度知采用合适结构的OFDM导频进行测距测速的抗噪声性能较好,测量的准确度较高。
本文通过推导得出目标距离和速度存在于接收信号OFDM导频频域矩阵的列向量频率和行向量频率中,通过导频矩阵与距离速度的关系,提出了一种利用OFDM导频信号进行车载通信网络中的测距测速方法。仿真结果表明,利用OFDM导频信号能够有效的实现测距测速功能,且抗噪声性能较强,能够满足车载通信网络中车辆测距测速要求。
国家自然科学基金项目:61371115。
叶 恒,余小游,慈能达,孙鹏帅,马和风,林培英,陈 星. 基于OFDM导频信号的测距测速方法Novel Method of Range and Velocity Measurement Based on OFDM Pilot Signal[J]. 无线通信, 2017, 07(03): 103-110. http://dx.doi.org/10.12677/HJWC.2017.73013