MIMO OFDM技术在DSRC协议中的应用
赵丽坤周凤宇
周正
（北京邮电大学 无线网络实验室 北京 100876）
亮晶晶眼贴
摘 要：DSRC是ITS系统中路侧单元与车辆，以及车辆之间的通信协议。本文在现有的北美5.9GHz DSRC标准的基础上进行改进，结合MIMO技术，并设计了一个采用MIMO OFDM技术的DSRC系统硬件实现方案。关键词：ITS、DSRC、MIMO、OFDM
1 ITS与DSRC
ITS（Intelligent Transportation System），智能交通系统，是指综合信息技术、电子通信技术、自动控制技术、计算机技术及网络技术的交通运输管理和控制系统。ITS系统包括交通监视指挥系统、交通疏导控制系统、交通信息服务系统、交通安全报警系统、交通事故勘查系统、交通电子收费系统。
ITS的实现离不开车辆与车辆之间以及车辆与路侧单元之间的通信。DSRC（Dedicated Short Range Communication），专用短距离通信协议，是在ITS系统中路侧单元与车辆以及车辆之间的通信协议。
ITS系统中各通信单元之间需要传递的信息有道路拥堵信息、收费信息、路况信息等，在车辆自动导航系统中还有地图更新信息等，未来的ITS系统还要实现Internet接入、流媒体传输、图像传输。可见，ITS系统中要通信的信息各种各样，而各种信息对通信系统的数据传输速率要求也不同。此外，不同的ITS业务对通信系统的反应时间、通信距离的要求也有差异，这就要求ITS中的DSRC设备能够满足各种ITS业务的需求。 对ITS中的DSRC标准的指定，各国都有自己不同的标准。其中北美提出的应用于5.9GHz短距离和中等距离的DSRC标准，其数据传输速率能达到27Mbps，通信距离能达到1000米，是现有的DSRC标准中数据传输速率最快的，也最符合未来ITS系统的发展。下面，对北美的5.9GHz DSRC标准作以简要介绍。
本课题受到北京市自然科学基金项目资助，编号4052021
2 北美5.9GHz DSRC标准
2．1定义
5.9GHz DSRC是路侧与车辆以及车辆与车辆之间的短距离到长距离的通信业务。它用于公共安全和个人应用。DSRC作为蜂窝通信的补充能够提供很高的数据传输速率，并使通信延迟尽可能小，而且能隔离出相对较小的通信区域。改锥头
单相轴流风机2．2主要技术指标
通信方式：主动式
带宽：75MHz
调制方式：QPSK OFDM（16QAM和64QAM可选）（BPSK做前导）
信道：7-10MHz信道（10和20MHz信道组合可选） 数据速率：10MHz信道的数据速率为6、9、18、24、27Mbps（3Mbps做前导）或20MHz 信道的数据速率为6、9、18、24、27、36、48、54Mbps（6Mbps做前导）
3 MIMO OFDM在DSRC中的应用
3.1 ITS系统中的通信环境以及对系统带宽的要求
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ITS系统中，车辆是在高速移动的情况下与路侧单元以及其它车辆进行通信的。车道和周围的车辆、物体会对路侧单元或车载单元发射的电磁波产生反射，致使从发射天线到接收天线存在多条路径，产生多径效应。多径效应能造成严重的频率选择性衰落，恶化信道特性，造成高误码率。
此外，如前所述，ITS系统中的业务种类繁多，需要通信的各种信息对数据传输速率的要求也不同；并且，如果要实现地图更新、上网、多媒体传输，则要求系统能尽可能提供足够大的数据传输速率。
现有的DSRC标准中，欧洲和日本的标准以及北美900M的标准能够提供的数据传输速率比较低，低传输速率只能用于简单的交通信息、收费信息的传输，并不能满足未来车内多媒体、上网等业务的要求。北美5.9G标准提供的数据传输速率比较高，但如果考虑未来的
业务扩展和车载多媒体通信的要求，则希望在车辆密集的道路上，能同时提供的信道数量有限。
综上，如何在ITS 系统中的恶劣通信环境下提供更高的数据传输速率，是当前DSRC 需要解决的问题。
北美5.9GHz DSRC 标准由于其物理层使用802.11a 协议标准，采用OFDM 调制方式，提供的数据传输速率比较高，并且能够有效抵抗车辆高速移动环境下的多径干扰。但802.11a 提供的数据速率有限，在车辆密集的道路上，能同时提供的信道数量也受限。
在现有的北美5.9G 系统中结合MIMO 技术，在不增加系统带宽的前提下，有效增大系统容量，提高数据传输速率是实现DSRC 通信的有效方案。下面，分别介绍一下OFDM 技术和MIMO 技术。
3.2 OFDM 原理
OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing ），正交频分复用，其基本原理是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI ）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，有效地抵抗了多径效应带来的频率选择性深衰落，消除了符号间干扰。
一个OFDM 符号由一组承载了PSK 或QAM 调制信号的子载波叠加而成，其通带信号可以表示为：
],0[,5.02exp Re )(1222T t t T i j t s N
N i c N i f d ∈⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜
⎝⎛+−=∑−−=+π （1） 公式（1）中表示第i 路的基带复数据信号，N 是子载波数目，T 表示符号周期，是载波中心频率。
镀铬工艺d i f c OFDM 中，各子载波相互正交，因此，可以用离散傅立叶变换（DFT ）表示信号，实际中，用IFFT/FFT 来实现，减少了计算量，降低了系统的实现难度。
OFDM 收发信机的结构如图1所示。
图1 OFDM收发信机结构图
OFDM技术的优点：
1) 频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环
境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以
接近Nyquist极限。
2) 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。由于OFDM系统把数据分散到许多个子载
波上，大大降低了各子载波的符号速率，从而减弱多径效应的影响，再通过加循环
前缀作为保护间隔的方法，甚至可以完全消除符号间干扰。
3) 采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。通过选取各子信道，每个符号
的比特数以及分配给各子信道的功率，使总比特率最大。即要求各子信道信息分配
应遵循信息论中的“注水定理”，亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道
不传送的原则。
4) 基于离散傅立叶变换（DFT）的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT来
实现调制和解调，易用DSP实现。
3.3 MIMO原理
MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)，多入多出技术。在MIMO系统中，有多个天线发送，多个天线接收，信道容量随着天线数量的增大而线性增大，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高，同时，利用MIMO技术也可以提高信道可靠
性。前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益。
MIMO系统原理如下：
图2 MIMO系统原理图
传输信息流S(k)经过空时编码形成n个信息子流Ci(k)，i=1，……，n。这n个子流由n个天线发射出去，经空间信道后由m个接收天线接收。多天线接收端利用先进的空时编码系统处理、分开并解码这些数据子流，从而达到最佳的效果。
特别地，这n个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据速率得到提高。
3.4 MIMO OFDM
MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统却无能为力。而OFDM可以有效地对抗频率选择性深衰落，但其提高频谱利用率的作用有限。在OFDM的基础上合理开发空间资源，即采用MIMO OFDM，可以提供更高的数据传输速率，而ODFM由于码率低且加入了时间保护间隔，所以具有极强的抗多径干扰能力。MIMO OFDM结合使用，既能够有效抵抗无线移动环境中多径效应带来频率选择性衰落，又能在不增加无线信道带宽的前提下提供高数据传输速率。
4.应用MIMO OFDM技术的DSRC设备的实现
MAX2828是MAXIM公司专门为OFDM 802.11a应用设计的射频收发器芯片，频率范围为4.9GHz到5.875GHz。可实现802.11a规范中定义的各种数据速率。MAX2828支持MIMO 应用。
MAX2828芯片管脚及典型操作电路如图3所示
图3 MAX2828芯片管脚及典型操作电路
其中，管脚6为射频输入端，管脚8、9为射频输出端；管脚16-19一起构成基带输入端，管脚43-46一起构成基带输出端；管脚48-56为基带控制输入端；管脚30为外接晶振输入端。
当MAX2828在MIMO模式下工作时，多个收发信机并行工作，所有的收发信机都采用同一个外部参考频率源，这样一来就使得所有的接收机和发射机都保持不变的相对本地晶振相位，并且在接收、发送模式转换时，这种相位关系也保持不变。这也就是MAX2828能风速辅助
