[00332749]基于同时同频全双工的V2X通信关键技术研究

V2X（车联网）技术是实现车辆与周围的车、人、交通设施和网络等全方位连接和通信的新一代信息通信技术,是全球创新热点和产业发展的重要制高点。目前,V2X的发展过程中仍然面临许多挑战,具体体现在：（1） 频谱资源匮乏：车联网会引入数量很大的车辆用户,这势必加重整个蜂窝通信系统频谱资源的匮乏程度,特别是在高峰时间或由于交通事故而导致拥挤的道路上,成千上万的车辆需要进行通信,可能会由于无线频谱的缺乏而导致服务不可用;（2） 时延要求严格：虽然车联网的某些应用可能会承受一定程度的时延,但是对于大部分安全相关的应用特别是面向自动驾驶应用,对紧急和实时协作控制消息具有严格的时延限制。 另一方面,作为5G和6G的潜在关键技术,同时同频全双工在近年来引起了学术界和工业界的研究兴趣。同时同频全双工允许一个设备在同一频段上同时发射和接收信号,与传统的频分双工（FDD）和时分双工（TDD）相比,理想情况下可以使频谱效率提升一倍,同时还可以进一步降低通信的时延,与TDD模式相比,理想情况下可以降低一半的时延。由于同时同频全双工技术可以提升频谱效率、降低时延,将其应用在V2X中,将在一定程度上解决V2X面临的两大挑战。 本项目属于理论应用研究,成果以学术论文和专利为主。围绕项目研究任务和目标,共发表论文23篇,其中SCI检索论文12篇,EI检索论文10篇,会议论文1篇,申请发明专利3项。项目取得的主要成果总结如下： （1）车辆高速移动场景下的全双工自干扰消除算法 车辆高速移动场景下,信道变化很快,而车辆对时延的要求很高,通常情况下,同时同频全双工首先进行射频自干扰消除,然后进行数字自干扰消除,在两个连续的射频自干扰消除之间,可能会进行数十次或数百次的数字自干扰消除。针对这一问题,申请发明专利《一种同时同频全双工自适应数字自干扰消除时隙选择方法》,该发明采用基于数据传输信道状态的非固定的间隔周期进行自干扰消除,优选在数据传输信道处于深衰落的时刻进行数字自干扰消除,该发明在有限的代价下能够提高全双工通信系统的通信吞吐量。 由于自干扰是没有办法完全消除的,残留的自干扰在一定程度上会降低全双工带来的增益,这将导致在某些情况下全双工模式可能更优,但是另外一些情况下半双工模式可能更优。针对这一问题,申请发明专利《一种通信节点在全双工模式与半双工模式间切换的方法》,该发明考虑了接收机的动态范围限制,提出了一种基于通信节点之间的距离的全双工模式与半双工模式切换方法,与传统的只采用全双工模式或半双工模式的方法相比,该发明通过在两种模式间进行切换,能够充分利用每种模式的优势,在有限的代价下能够提高系统的信道容量。 （2）全双工V2X通信的组网技术 引入全双工后,V2X 通信的网络架构将发生根本性的改变,如何基于全双工的模式进行组网是需要解决的一个关键问题。本项目在V2X组网方面进行了如下研究：根据不同的残留自干扰模型,研究了全双工V2X通信组网时的功率控制问题,提出了迭代方法和高信干噪比（SINR）近似两种功率控制方法,并通过仿真证明了所提方法的有效性;针对V2X用户无法直接通信的情况,提出了全双工中继辅助的V2X通信方法,并且研究了其功率控制方法,仿真结果表明当自干扰消除能力较强时全双工中继可以得到比半双工中继更高的传输速率;为了补偿单向半双工中继系统中的频谱效率损失,提出了双向中继辅助的V2V通信方法,以最大化最小SINR和最大化和速率为优化目标分别研究了其功率控制方法,仿真结果表明提出的功率控制方法比等功率的方法有较大的性能提升。 （3）全双工V2X通信的资源分配 采用资源复用模式时,V2X 链路会干扰蜂窝链路,同时也会受到蜂窝链路的干扰,而全双工会使干扰链路数目相对半双工增加一倍。因此,如何进行资源分配对系统的性能有很大程度的影响。本项目在V2X通信的资源分配方面进行了如下研究：分别以频谱效率和能量效率最大化为目标,研究了引入全双工后双向V2X通信模式选择问题,利用最优化理论得到了每一种传输模式下的最优资源分配算法;针对多对全双工V2V链路和蜂窝用户复用资源场景,在满足V2V链路的用户服务质量要求的前提下,将网络中所有V2I链路的遍历容量之和最大化为优化目标,提出了最优的资源分配算法。 （4）初步实验验证全双工V2X通信的性能 利用软件无线电实验平台,初步完成高速移动场景的全双工 V2X 通信的射频域、数字域的自干扰消除算法的验证;利用 MATLAB平台,初步完成全双工 V2X 组网技术的验证。实验结果表明,当自干扰消除能力较强时,全双工V2X性能比半双工模式有显著的提升。 以上研究成果,可以促进全双工技术与V2X通信技术的结合,推动V2X通信的实用化,进一步提高V2X通信的频谱效率和降低端到端时延,对V2X通信产业标准的制定和系统的设计具有现实指导意义。