交通专用短程通信系统的关键技术及VLSI设计方法的研究

Intelligent Transport System is the application of the internet of things in the field of transportation.The project aims at solving the challenging problems in high mobility environment, fast time-varying channel modeling, core algorithms of OFDM receiver, optimized VLSI design and so on.The project proposes that using Markov process to describe the unstationary of mobile channel,carrying out field trials to measure the mobile channel based on all kinds of scenarios, extracting root mean square(RMS) delay spread and RMS doppler spread and so on to establish channel model. The project makes use of the proporties of short and long preambles in IEEE 802.11p, combined with adaptive adjustment of the sliding window position, to realize the accurate time synchronizaiton.The project focuses on iterative channel estimation and ICI reduction algorithms based on decision feedback and basis expansion model and studies the problems such that the iterative numbers、soft or hard decision feedback and which of basis expansion models could contribute to the optimal receiver.The project also studies the optimal design of VLSI implementation of the core algorithms in orthogonal frequency division multiplex(OFDM) system.

智能交通系统是物联网在交通领域的应用，本课题针对基于IEEE 802.11p的交通专用短程通信系统在高速移动中难以解决的高速时变信道建模、OFDM接收机核心算法及VLSI设计等问题进行研究。在信道建模方面，拟采用马尔科夫过程描述信道的非静止特性，通过实际的路测完成高速移动中车车通信的信道数据采集，提取并研究均方根时延扩展、均方根多普勒频移扩展等参数对于准确的高速信道建模的作用；在OFDM接收机核心算法方面，针对多普勒频移和快速时间选择性衰落的影响，拟利用IEEE 802.11p的长、短前导码的性质，结合自适应调整滑动窗口位置的方法，进行时间同步算法的研究；拟采用基于判决反馈和基扩展模型的迭代式信道估计和ICI消除算法，并对迭代的次数、软判决或硬判决、基于哪种基扩展可以取得最佳的接收机性能进行研究；在VLSI设计方面，拟研究OFDM接收机核心算法的软硬件划分和其硬件的VLSI优化设计方法。

智能交通系统的核心技术之一就是适用于交通领域的短程通信系统，而IEEE 802.11p标准是被欧洲、美国和日本所支持的车间短程通信实施标准，因此本项目针对基于IEEE 802.11p的OFDM系统在高速移动中的难点问题进行了研究，取得如下成果。1、通过对IEEE 802.11p协议规定的帧结构进行功能的重新划分，同时引入新的导频结构，提出了针对高速移动环境下的基于迭代BEM联合ICI消除的接收机结构，并进行了全面仿真。结果表明与传统的基于LMMSE准则的接收机结构相比，所提出的接收机结构可在多普勒频移为10KHz时，系统误比特率达到8.75e-4，同比降低53.1dB；在多普勒频移为2KHz时，系统误比特率达到4.5e-4，同比降低59.8dB，从而提高了基于IEEE 802.11p的梳状导频OFDM系统在高速移动环境下通信的可靠性；2、提出了充分利用长短前导码实现高速移动环境下准确同步的算法，采用协议帧中前10个相同的短前导码确定粗同步位置，再利用2个相同的长前导码配合预设的滑动窗口，精确获取接收信号的同步位置，所提出的方案在车辆速度为126.3km/h~200.1km/h时，同步位置的均方差比其他三种同步方案减少了20.1%；3、基于GIOT提出的六种时间频率选择性信道模型，利用SMITH成形滤波器法及抽头延迟线模型完成三种车车(VTV)信道建模，实验结果表明理论二阶特性和仿真结果非常接近。对窄带随机信道建模理论进行了研究，仿真结果表明影响到达角平均方向和范围的θ_p和 κ，以及相对运动速度因子α，对信道的二阶特性改变有重要的影响；4、开发了一种从MATLAB算法到FPGA设计的自动化流程，可以实现浮点数到定点数测试的自动化，缩短从算法到硬件实现的开发周期，为IP优化设计奠定基础；5、针对IEEE 802.11p协议对发射机的邻道干扰的更严格规定，进行了高线性的射频功率放大器芯片设计技术研究，设计一种用于IEEE 802.11b/g/n的射频PA并进行了流片。实测结果表明在单音频激励下，最大可以输出29.3dBm 1dB 压缩功率，功率附加效率为40.4%。在无线局域网64QAM/OFDM调制信号激励下，误差向量幅度小于3%时，最大可以输出26.5dBm功率，性能优于国内同类产品。其中的线性化技术可以直接用于IEEE 802.11p通信系统的射频功率放大器设计。