多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除優(yōu)化方法

楊清學

（成都職業(yè)技術(shù)學院，成都610041）

多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除優(yōu)化方法

楊清學

（成都職業(yè)技術(shù)學院，成都610041）

在多接口多信道車聯(lián)網(wǎng)多車通信系統(tǒng)中，由于車輛的自組織特性和路網(wǎng)網(wǎng)格的不均衡性，產(chǎn)生同頻電子干擾，對電子干擾的濾波消除能提高多車通信的信道均衡性，降低誤碼率。傳統(tǒng)方法采用自適應(yīng)陷波方法實現(xiàn)同頻電子干擾消除，無法在突變的載波頻率下消除同頻電子干擾，導(dǎo)致性能差的問題。提出一種基于自適應(yīng)線譜增強的多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除優(yōu)化方法。首先構(gòu)建多車通信系統(tǒng)，引入一種信噪干擾比的觀點，對同頻電子干擾進行信號模型構(gòu)建，根據(jù)信號比容易分離的特點，使得模型可分離性變強，結(jié)合變步長自適應(yīng)線譜增強方法，實現(xiàn)信號的分離過濾。仿真實驗結(jié)果表明，進行同頻電子干擾消除抑制處理后的功率譜收斂到信號的真實頻率附近，多車通信信號能從背景色噪聲中有效檢測出來，降低了多車通信系統(tǒng)的誤碼率，展示了較好的信道均衡和改善能力，性能優(yōu)越。

車聯(lián)網(wǎng)，多車通信，同頻電子干擾，濾波

0 引言

隨著智能交通系統(tǒng)的運用和發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)作為車載自組織網(wǎng)絡(luò)的重要通信網(wǎng)絡(luò)受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，研發(fā)的基于IEC61375協(xié)議的車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)能很好地反映地面站、路由系統(tǒng)和中轉(zhuǎn)站之間的信道傳輸和數(shù)據(jù)通信能力，解決車與車（V2V）、車與路（V2R）、車與網(wǎng)（V2I）、車與人（V2H）等的互聯(lián)互通，從而形成了車聯(lián)網(wǎng)多車通信。車聯(lián)網(wǎng)多車通信是采用衛(wèi)星通信和無線短波通信結(jié)合構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，指裝載在車輛上的電子標簽通過無線射頻等識別技術(shù)進行無線電通信和衛(wèi)星通信。尤其是車載自組網(wǎng)作為智能交通系統(tǒng)重要組成部分，集成了車載接口設(shè)計、無線網(wǎng)絡(luò)運行為一體，在無線通信技術(shù)中占據(jù)著重要地位。在多接口多信道車聯(lián)網(wǎng)多車通信系統(tǒng)中，由于車輛的自組織特性和路網(wǎng)網(wǎng)格的不均衡性產(chǎn)生同頻電子干擾，對電子干擾的濾波消除能提高多車通信的信道均衡性，降低誤碼率。因此，研究多車通信的同頻電子干擾抑制算法具有重要意義［1-5］。

本文提出一種基于自適應(yīng)線譜增強的多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除優(yōu)化方法。仿真實驗證明，改進算法在實現(xiàn)多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除時性能優(yōu)越。

1 系統(tǒng)模型和多車通信信道的信號干擾比的選取

1.1 多車通信系統(tǒng)模型及基本定義

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多車通信系統(tǒng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，在QoS（Quality of Service）保證的環(huán)境下，通過多接口多信道VANET協(xié)議實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)之間的信息互通［6-10］。按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標準，在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對所有車輛的屬性信息進行評估，為車輛節(jié)點配備多個射頻接口，采用IEC61375協(xié)議進行多處理器集群處理對同一個通信區(qū)域內(nèi)的不同射頻接口進行調(diào)制。多車通信系統(tǒng)車輛聚簇的示意圖如圖1所示。

圖1 多車通信系統(tǒng)車輛聚簇的示意圖

在圖1中，在TraSD-VANET的路面上，根據(jù)車輛密度和路面速度對通信系統(tǒng)不同的射頻接口和不同信道進行多源節(jié)點調(diào)制，根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運行狀態(tài)進行自組織網(wǎng)絡(luò)拓撲。利用車輛節(jié)點間的交互信息，通過基于IEC61375協(xié)議構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)通信的MVB總線控制器，把車聯(lián)網(wǎng)TCN網(wǎng)絡(luò)功能劃分為7層，并使用FPGA和ARM處理器進行多車通信系統(tǒng)的PC/104接口模塊數(shù)據(jù)處理，在車-X（X：車、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等）之間，進行無線通訊和數(shù)據(jù)交換。根據(jù)上述分析，得到多車通信系統(tǒng)的信息收發(fā)流程如圖2所示。

圖2 多車通信系統(tǒng)的信息收發(fā)流程

根據(jù)上述多車通信系統(tǒng)設(shè)計，假設(shè)L為交通信息采集的有限域，Θ={w1，w2，…，wn}為多源交通信息的世界集，其中wi={i=1，2，…，n}為L的一個信念函數(shù)。一個多車通信的簇頭A'可以表達為Θ的一個子集A，根據(jù)以上參數(shù)可以進行通信模型的設(shè)計如下所示：

其中，invnorm（）為歸一化的逆向操作，xpi為第i個模型的輸入向量，y?為多車通信系統(tǒng)模型的最終預(yù)測值。

1.2 多車通信的信道的信號干擾比的選取

在上述構(gòu)建的多車通信系統(tǒng)車輛聚簇模型和車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)對多車通信的同頻干擾抑制，引入了一種信噪干擾比的觀點，為構(gòu)建同頻電子干擾信號模型提供了更好的前提條件。而信噪干擾比的選取，直接影響最終干擾消除的效果。分布效果示意圖如下頁圖3所示。

假設(shè)在多車通信運行過程中，每個節(jié)點都會選擇一個整數(shù)C作為喚醒周期（以下簡稱為周期），即節(jié)點當前時隙序號WY能夠被該整數(shù)C整除時，多車通信的傳感設(shè)備被喚醒，其余時刻傳感設(shè)備都處于睡眠狀態(tài)。當兩個節(jié)點相遇，節(jié)點B采用周期C，為節(jié)點J當前時隙號，節(jié)點S采用周期c1，tm1為節(jié)點B的當前時隙號。為了更清晰地描述互質(zhì)周期能夠有效實現(xiàn)喚醒，EAPSD機制在單個時隙下通信的信道模型描述為：

圖3 多車通信的信道分布效果示意圖

其中，i表示多車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)心中的第i條車道，Ni為第i條車道內(nèi)的簇成員數(shù)目，AT=（aij）m×n為消息源節(jié)點所在的速度指標值矩陣。在同一條道路上，簇內(nèi)的車輛密度：

根據(jù)式（3）可知，如果c1，c2互質(zhì)，那么在c1×c2個時隙內(nèi)，方程組有解，并且在參考時隙為X時，節(jié)點B、C能夠被同時喚醒，實現(xiàn)在多車通信系統(tǒng)的信道分配，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)暮哪埽哪芙档吐蕿椋?/p>

其中，β通信信道模型的帶寬，zk為單個方向上的車道數(shù)目，L（y，yk）為簇內(nèi)路面上的空時加權(quán)。

假設(shè)所有的車輛節(jié)點都具有鄰居節(jié)點，在射頻接口狀態(tài)與信道切換隊列中，用基于NAV的虛擬介質(zhì)監(jiān)聽技術(shù)，計算每個信道的信號干擾比SIRi：

其中，Pt是接收節(jié)點信道k上的發(fā)射功率，Prij是在k節(jié)點在多車通信信道i上控制發(fā)送節(jié)點j的接收功率。由此實現(xiàn)多車通信的信道分配，為進行同頻電子干擾消除提供信道基礎(chǔ)。

2 同頻電子干擾信號模型及干擾消除算法改進實現(xiàn)

2.1 同頻電子干擾信號模型

在多接口多信道車聯(lián)網(wǎng)多車通信系統(tǒng)中，由于車輛的自組織特性和路網(wǎng)網(wǎng)格的不均衡性產(chǎn)生同頻電子干擾，對電子干擾的濾波消除能提高多車通信的信道均衡性，降低誤碼率。通過對多車通信的信道分配，完成對同頻電子干擾信號模型的構(gòu)建。當采用自適應(yīng)陷波方法實現(xiàn)同頻電子干擾消除，無法在突變的載波頻率下消除同頻電子干擾。為此，本文提出一種基于自適應(yīng)線譜增強的多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除優(yōu)化方法。

假設(shè)裝有RFID閱讀器的車輛傳輸信號IMF分量為ci（t），采用可變步長濾波分解得到多車通信的輸出信號為：

其中，采樣時間t，通信信道的瞬時頻率ω，上式反映了多車通信的GPS定位和無線網(wǎng)絡(luò)信道幅值、時間和頻率之間關(guān)系，由于車輛的自組織特性和路網(wǎng)網(wǎng)格的不均衡性產(chǎn)生同頻電子干擾，車載定位系統(tǒng)的同頻干擾函數(shù)的譜特征為H（ω，t）：

進而得到WSSUS信道的自相關(guān)函數(shù)可表示為：

車聯(lián)網(wǎng)總線通信控制系統(tǒng)中，確定節(jié)點一跳范圍內(nèi)通信信道的幅值，車控中心接收到的時延估計值為：

2.2 自適應(yīng)線譜增強同頻電子干擾消除算法實現(xiàn)

通過得到的同頻電子干擾信號模型，設(shè)計自適應(yīng)線譜增強器可以抑制多車通信系統(tǒng)中的同頻干擾中的線譜成份，對于多個已知干擾線譜中的信號檢測，可以用多個自適應(yīng)線譜增強器級聯(lián)抑制干擾成份，然后檢測信號。

去除信噪比選取自適應(yīng)線譜增強迭代步長。輸入多車通信系統(tǒng)中的同頻干擾信號n（k）的實部nr（k）和虛部ni（k）分別為獨立的白噪聲，且均值均為零，方差為σn2，自適應(yīng)線譜增強迭代步長應(yīng)選?。?/p>

式中：

因此，通過表7至表9的穩(wěn)健性檢驗后，作者認為研究結(jié)果較為科學可靠，與目前學術(shù)界對于發(fā)展中國家城市空間結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟效率的關(guān)系以及東盟各國城市化進程這兩部分文獻的研究結(jié)論一致。

求取同頻電子干擾消除后的信道輸出，上述選取的去除信噪比自適應(yīng)線譜增強迭代步長可更好的實現(xiàn)信號的分離過濾，為信道的輸出提供根本依據(jù)。通過在z平面的單位圓上的復(fù)積分得到自適應(yīng)線譜增強同頻電子干擾消除后的信道輸出為：

由上可見，以θ1（k）為自變量的自適應(yīng)線譜增強算法通過高階譜包絡(luò)調(diào)制，引入一種信噪干擾比的觀點，構(gòu)建的信號模型，可得到更準確的自適應(yīng)線譜增強迭代步長，有效抑制了多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾，在突變的載波頻率下也能消除同頻電子干擾，提高了通信信道均衡能力。

3 仿真實驗與性能測試

為了測試本文算法在實現(xiàn)多測通信系統(tǒng)同頻干擾中的性能，進行仿真實驗。用Netlogo建立仿真場景，實驗中，將多車通信信道分為7個子信道，將5.850 GHz～5.925 GHz之間75 MHz的頻段用于車載通信，配備多個射頻接口，采用車載自組織網(wǎng)進行信道切換以及該接口切換，MAC層的協(xié)議采用IEEE 802.11，模擬場景是在1 000 m*1 000 m的矩形區(qū)域進行車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)和多車通信場景仿真，車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)的通信半徑r是270 m，同頻電子干擾假設(shè)為一組線性調(diào)頻信號干擾，信噪比為-13 dB～0 dB，同頻電子干擾半徑是550m，交通數(shù)據(jù)流采用Random wave point模型，道性能閾值為0 m/sec～50 m/sec，多車通信過程中數(shù)據(jù)包發(fā)送速率分為5、10、15、20、 25、30、40、50、60隨機生成若干個業(yè)務(wù)類型為UDP的CBR流，請求帶寬是50 K，基于上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進行多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除仿真，首先得到同頻電子干擾消除前的通信信號及功率譜如圖4所示。

圖4 同頻電子干擾下的多車通信信號及功率譜

從圖4可見，在同頻電子干擾下，多車通信信號及功率譜受到了噪聲污染，信道均衡性能不好，采用本文算法設(shè)計自適應(yīng)線譜增強器實現(xiàn)對同頻電子干擾的消除和抑制，得到同頻電子干擾消除后的輸出信號功率譜如圖5所示，采用傳統(tǒng)方法得到同頻電子干擾消除后的輸出信號功率譜對比結(jié)果如圖6所示。

圖5 本文方法進行同頻電子干擾消除后的輸出信號功率譜

圖6 傳統(tǒng)方法進行同頻電子干擾消除后的輸出信號功率譜

對比上述結(jié)果可見，在信噪比等于-10 dB下，采用本文算法進行同頻電子干擾消除抑制處理后的功率譜收斂到信號的真實頻率附近，多車通信信號能從背景色噪聲中有效檢測出來，而傳統(tǒng)方法對同頻電子干擾的消除能力有效，仍然有較大的毛刺和偽峰的存在。為對比本文算法進行同頻電子干擾消除后對多車通信的通信質(zhì)量改善性能，采用不同算法，以誤碼率為測試指標，得到仿真對比結(jié)果如圖7所示，從圖可見，采用本文算法，降低了多車通信系統(tǒng)的誤碼率，展示了較好的信道均衡和改善能力，性能優(yōu)越。

圖7 多車通信性能對比

4 結(jié)論

在多接口多信道車聯(lián)網(wǎng)多車通信系統(tǒng)中，由于車輛的自組織特性和路網(wǎng)網(wǎng)格的不均衡性產(chǎn)生同頻電子干擾，對電子干擾濾波的消除能提高多車通信信道的均衡性，降低誤碼率。本文提出一種基于自適應(yīng)線譜增強的多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除優(yōu)化方法。首先構(gòu)建多車通信系統(tǒng)，設(shè)計多車通信的信道分配算法，對同頻電子干擾進行信號模型構(gòu)建，設(shè)計自適應(yīng)線譜增強器實現(xiàn)對同頻電子干擾抑制，仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文算法在實現(xiàn)多車通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除的優(yōu)越性能，實驗結(jié)果表明，采用本文算法具有較好的干擾抑制性能，提高了通信質(zhì)量。

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Study on Optimization Method of Same Frequency Electronic Interference Cancellation in Multi Vehicle Communication System

YANG Qing-xue
（Chengdu Polytechnic，Chengdu 610041，China）

Car in interface multichannel car networking communication system，because of the selforganizing characteristics of vehicles and the imbalance of the road network grid，the frequency electronic jamming is produced，electronic interference filter can improve more car communication channel balance，reduce the bit error rate.Traditional methods using adaptive notch method with frequency electrical interference cancellation，cannot under the carrier frequency of the mutation to eliminate the frequency electronic interference，lead to poor performance.In this paper，a multiple vehicle communication system based on adaptive line enhances the same frequency electronic interference elimination method.First multiple vehicle communication system is built，the design is more communication channel allocation algorithm and carried out on the same frequency jamming signal modeling，the adaptive line enhancement，the implementation of same frequency electronic interference suppression，multiple vehicle communication system for the same frequency electronic interference elimination of optimization.Simulation experimental results show that the frequency electronic interference elimination suppression processing after the power spectrum of convergence to near the true frequency of signal，multiple vehicle communication signals can be effectively detected from the background noise，reduces the error rate of multiple vehicle communication system，shows the good channel equalization and improve ability，superior performance.

car networking，multi vehicle communication，CO frequency electronic jamming，filtering

TN911

A

1002-0640（2016）12-0121-04

2015-10-18

2015-12-30

楊清學（1965-），男，四川青川人，副教授。研究方向：電子通信、光伏發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用。