楊清學(xué)

（成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都610041）

多車(chē)通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除優(yōu)化方法

楊清學(xué)

（成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都610041）

在多接口多信道車(chē)聯(lián)網(wǎng)多車(chē)通信系統(tǒng)中，由于車(chē)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(duì)電子干擾的濾波消除能提高多車(chē)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(shí)現(xiàn)同頻電子干擾消除，無(wú)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(wèn)題。提出一種基于自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)的多車(chē)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(chē)通信系統(tǒng)，引入一種信噪干擾比的觀點(diǎn)，對(duì)同頻電子干擾進(jìn)行信號(hào)模型構(gòu)建，根據(jù)信號(hào)比容易分離的特點(diǎn)，使得模型可分離性變強(qiáng)，結(jié)合變步長(zhǎng)自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)方法，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離過(guò)濾。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行同頻電子干擾消除抑制處理后的功率譜收斂到信號(hào)的真實(shí)頻率附近，多車(chē)通信信號(hào)能從背景色噪聲中有效檢測(cè)出來(lái)，降低了多車(chē)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(chē)聯(lián)網(wǎng)，多車(chē)通信，同頻電子干擾，濾波

0 引言

隨著智能交通系統(tǒng)的運(yùn)用和發(fā)展，車(chē)聯(lián)網(wǎng)作為車(chē)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(chē)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(chē)與車(chē)（V2V）、車(chē)與路（V2R）、車(chē)與網(wǎng)（V2I）、車(chē)與人（V2H）等的互聯(lián)互通，從而形成了車(chē)聯(lián)網(wǎng)多車(chē)通信。車(chē)聯(lián)網(wǎng)多車(chē)通信是采用衛(wèi)星通信和無(wú)線(xiàn)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(chē)輛上的電子標(biāo)簽通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻等識(shí)別技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電通信和衛(wèi)星通信。尤其是車(chē)載自組網(wǎng)作為智能交通系統(tǒng)重要組成部分，集成了車(chē)載接口設(shè)計(jì)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行為一體，在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中占據(jù)著重要地位。在多接口多信道車(chē)聯(lián)網(wǎng)多車(chē)通信系統(tǒng)中，由于車(chē)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(duì)電子干擾的濾波消除能提高多車(chē)通信的信道均衡性，降低誤碼率。因此，研究多車(chē)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(xiàn)譜增強(qiáng)的多車(chē)通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除優(yōu)化方法。仿真實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)算法在實(shí)現(xiàn)多車(chē)通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除時(shí)性能優(yōu)越。

1 系統(tǒng)模型和多車(chē)通信信道的信號(hào)干擾比的選取

1.1 多車(chē)通信系統(tǒng)模型及基本定義

隨著車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多車(chē)通信系統(tǒng)是以車(chē)內(nèi)網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)和車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，在QoS（Quality of Service）保證的環(huán)境下，通過(guò)多接口多信道VANET協(xié)議實(shí)現(xiàn)車(chē)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(biāo)準(zhǔn)，在信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上對(duì)所有車(chē)輛的屬性信息進(jìn)行評(píng)估，為車(chē)輛節(jié)點(diǎn)配備多個(gè)射頻接口，采用IEC61375協(xié)議進(jìn)行多處理器集群處理對(duì)同一個(gè)通信區(qū)域內(nèi)的不同射頻接口進(jìn)行調(diào)制。多車(chē)通信系統(tǒng)車(chē)輛聚簇的示意圖如圖1所示。

圖1 多車(chē)通信系統(tǒng)車(chē)輛聚簇的示意圖

在圖1中，在TraSD-VANET的路面上，根據(jù)車(chē)輛密度和路面速度對(duì)通信系統(tǒng)不同的射頻接口和不同信道進(jìn)行多源節(jié)點(diǎn)調(diào)制，根據(jù)不同的功能需求對(duì)所有車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。利用?chē)輛節(jié)點(diǎn)間的交互信息，通過(guò)基于IEC61375協(xié)議構(gòu)建車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的MVB總線(xiàn)控制器，把車(chē)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(jìn)行多車(chē)通信系統(tǒng)的PC/104接口模塊數(shù)據(jù)處理，在車(chē)-X（X：車(chē)、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等）之間，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊和數(shù)據(jù)交換。根據(jù)上述分析，得到多車(chē)通信系統(tǒng)的信息收發(fā)流程如圖2所示。

圖2 多車(chē)通信系統(tǒng)的信息收發(fā)流程

根據(jù)上述多車(chē)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(zhǎng)的一個(gè)信念函數(shù)。一個(gè)多車(chē)通信的簇頭A'可以表達(dá)為Θ的一個(gè)子集A，根據(jù)以上參數(shù)可以進(jìn)行通信模型的設(shè)計(jì)如下所示：

其中，invnorm（）為歸一化的逆向操作，xpi為第i個(gè)模型的輸入向量，y?為多車(chē)通信系統(tǒng)模型的最終預(yù)測(cè)值。

1.2 多車(chē)通信的信道的信號(hào)干擾比的選取

在上述構(gòu)建的多車(chē)通信系統(tǒng)車(chē)輛聚簇模型和車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多車(chē)通信的同頻干擾抑制，引入了一種信噪干擾比的觀點(diǎn)，為構(gòu)建同頻電子干擾信號(hào)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(yè)圖3所示。

假設(shè)在多車(chē)通信運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)選擇一個(gè)整數(shù)C作為喚醒周期（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為周期），即節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)隙序號(hào)WY能夠被該整數(shù)C整除時(shí)，多車(chē)通信的傳感設(shè)備被喚醒，其余時(shí)刻傳感設(shè)備都處于睡眠狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相遇，節(jié)點(diǎn)B采用周期C，為節(jié)點(diǎn)J當(dāng)前時(shí)隙號(hào)，節(jié)點(diǎn)S采用周期c1，tm1為節(jié)點(diǎn)B的當(dāng)前時(shí)隙號(hào)。為了更清晰地描述互質(zhì)周期能夠有效實(shí)現(xiàn)喚醒，EAPSD機(jī)制在單個(gè)時(shí)隙下通信的信道模型描述為：

圖3 多車(chē)通信的信道分布效果示意圖

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

根據(jù)式（3）可知，如果c1，c2互質(zhì)，那么在c1×c2個(gè)時(shí)隙內(nèi)，方程組有解，并且在參考時(shí)隙為X時(shí)，節(jié)點(diǎn)B、C能夠被同時(shí)喚醒，實(shí)現(xiàn)在多車(chē)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(gè)方向上的車(chē)道數(shù)目，L（y，yk）為簇內(nèi)路面上的空時(shí)加權(quán)。

假設(shè)所有的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)都具有鄰居節(jié)點(diǎn)，在射頻接口狀態(tài)與信道切換隊(duì)列中，用基于NAV的虛擬介質(zhì)監(jiān)聽(tīng)技術(shù)，計(jì)算每個(gè)信道的信號(hào)干擾比SIRi：

其中，Pt是接收節(jié)點(diǎn)信道k上的發(fā)射功率，Prij是在k節(jié)點(diǎn)在多車(chē)通信信道i上控制發(fā)送節(jié)點(diǎn)j的接收功率。由此實(shí)現(xiàn)多車(chē)通信的信道分配，為進(jìn)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(hào)模型及干擾消除算法改進(jìn)實(shí)現(xiàn)

2.1 同頻電子干擾信號(hào)模型

在多接口多信道車(chē)聯(lián)網(wǎng)多車(chē)通信系統(tǒng)中，由于車(chē)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(duì)電子干擾的濾波消除能提高多車(chē)通信的信道均衡性，降低誤碼率。通過(guò)對(duì)多車(chē)通信的信道分配，完成對(duì)同頻電子干擾信號(hào)模型的構(gòu)建。當(dāng)采用自適應(yīng)陷波方法實(shí)現(xiàn)同頻電子干擾消除，無(wú)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(xiàn)譜增強(qiáng)的多車(chē)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(chē)輛傳輸信號(hào)IMF分量為ci（t），采用可變步長(zhǎng)濾波分解得到多車(chē)通信的輸出信號(hào)為：

其中，采樣時(shí)間t，通信信道的瞬時(shí)頻率ω，上式反映了多車(chē)通信的GPS定位和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道幅值、時(shí)間和頻率之間關(guān)系，由于車(chē)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(chē)載定位系統(tǒng)的同頻干擾函數(shù)的譜特征為H（ω，t）：

進(jìn)而得到WSSUS信道的自相關(guān)函數(shù)可表示為：

車(chē)聯(lián)網(wǎng)總線(xiàn)通信控制系統(tǒng)中，確定節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)通信信道的幅值，車(chē)控中心接收到的時(shí)延估計(jì)值為：

2.2 自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)同頻電子干擾消除算法實(shí)現(xiàn)

通過(guò)得到的同頻電子干擾信號(hào)模型，設(shè)計(jì)自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)器可以抑制多車(chē)通信系統(tǒng)中的同頻干擾中的線(xiàn)譜成份，對(duì)于多個(gè)已知干擾線(xiàn)譜中的信號(hào)檢測(cè)，可以用多個(gè)自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)器級(jí)聯(lián)抑制干擾成份，然后檢測(cè)信號(hào)。

去除信噪比選取自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)迭代步長(zhǎng)。輸入多車(chē)通信系統(tǒng)中的同頻干擾信號(hào)n（k）的實(shí)部nr（k）和虛部ni（k）分別為獨(dú)立的白噪聲，且均值均為零，方差為σn2，自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)迭代步長(zhǎng)應(yīng)選?。?/p>

式中：

因此，通過(guò)表7至表9的穩(wěn)健性檢驗(yàn)后，作者認(rèn)為研究結(jié)果較為科學(xué)可靠，與目前學(xué)術(shù)界對(duì)于發(fā)展中國(guó)家城市空間結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)效率的關(guān)系以及東盟各國(guó)城市化進(jìn)程這兩部分文獻(xiàn)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(xiàn)譜增強(qiáng)迭代步長(zhǎng)可更好的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離過(guò)濾，為信道的輸出提供根本依據(jù)。通過(guò)在z平面的單位圓上的復(fù)積分得到自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)同頻電子干擾消除后的信道輸出為：

由上可見(jiàn)，以θ1（k）為自變量的自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)算法通過(guò)高階譜包絡(luò)調(diào)制，引入一種信噪干擾比的觀點(diǎn)，構(gòu)建的信號(hào)模型，可得到更準(zhǔn)確的自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)迭代步長(zhǎng)，有效抑制了多車(chē)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(shí)驗(yàn)與性能測(cè)試

為了測(cè)試本文算法在實(shí)現(xiàn)多測(cè)通信系統(tǒng)同頻干擾中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。用Netlogo建立仿真場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)中，將多車(chē)通信信道分為7個(gè)子信道，將5.850 GHz～5.925 GHz之間75 MHz的頻段用于車(chē)載通信，配備多個(gè)射頻接口，采用車(chē)載自組織網(wǎng)進(jìn)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(chǎng)景是在1 000 m*1 000 m的矩形區(qū)域進(jìn)行車(chē)聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)和多車(chē)通信場(chǎng)景仿真，車(chē)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(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)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(chē)通信過(guò)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(jī)生成若干個(gè)業(yè)務(wù)類(lèi)型為UDP的CBR流，請(qǐng)求帶寬是50 K，基于上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行多車(chē)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(hào)及功率譜如圖4所示。

圖4 同頻電子干擾下的多車(chē)通信信號(hào)及功率譜

從圖4可見(jiàn)，在同頻電子干擾下，多車(chē)通信信號(hào)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(jì)自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)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(hào)功率譜對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖5 本文方法進(jìn)行同頻電子干擾消除后的輸出信號(hào)功率譜

圖6 傳統(tǒng)方法進(jìn)行同頻電子干擾消除后的輸出信號(hào)功率譜

對(duì)比上述結(jié)果可見(jiàn)，在信噪比等于-10 dB下，采用本文算法進(jìn)行同頻電子干擾消除抑制處理后的功率譜收斂到信號(hào)的真實(shí)頻率附近，多車(chē)通信信號(hào)能從背景色噪聲中有效檢測(cè)出來(lái)，而傳統(tǒng)方法對(duì)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(duì)比本文算法進(jìn)行同頻電子干擾消除后對(duì)多車(chē)通信的通信質(zhì)量改善性能，采用不同算法，以誤碼率為測(cè)試指標(biāo)，得到仿真對(duì)比結(jié)果如圖7所示，從圖可見(jiàn)，采用本文算法，降低了多車(chē)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(chē)通信性能對(duì)比

4 結(jié)論

在多接口多信道車(chē)聯(lián)網(wǎng)多車(chē)通信系統(tǒng)中，由于車(chē)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(duì)電子干擾濾波的消除能提高多車(chē)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(xiàn)譜增強(qiáng)的多車(chē)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(chē)通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)多車(chē)通信的信道分配算法，對(duì)同頻電子干擾進(jìn)行信號(hào)模型構(gòu)建，設(shè)計(jì)自適應(yīng)線(xiàn)譜增強(qiáng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)同頻電子干擾抑制，仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，展示了本文算法在實(shí)現(xiàn)多車(chē)通信系統(tǒng)中的同頻電子干擾消除的優(yōu)越性能，實(shí)驗(yàn)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(xué)（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。