[发明专利]一种基于OFDM雷达通信一体化的车联网感知系统及其构建方法

权利要求书

1.一种基于OFDM雷达通信一体化的车联网感知系统的构建方法，其特征在于：它包括下述步骤：

步骤一：获取本车行驶状态信息并构成行驶数据帧

车辆行驶信息包括瞬时速度、平均速度、GPS位置、制动、瞬时油耗、发动机转速、变速器档位和续航里程；通过GPS位置计算相对距离，通过瞬时速度和制动情况计算相对运动趋势，依靠相对距离和相对运动趋势，辅助驾驶技术则为驾驶者提供障碍预警、车辆避让驾驶提示，在特殊情况下还能够帮助车辆进行紧急制动；此外，系统利用ECU获取己方发动机各部分的工作状态数据，为车辆辅助驾驶提供所必需的形式信息，而OBD是标准的车辆诊断接口，通过该接口连接ECU获取车辆行驶信息；获取本车行驶信息并构成行驶数据帧的方法是：将行驶信息获取单元连接车辆OBD接口，系统启动后，按照标准协议从ECU获取本车行驶信息，进而封装为行驶数据帧；

步骤二：获取多媒体数据并构成多媒体数据帧

车联网的主要功能是车辆与车辆的互联互通；在此基础上，实现车际音/视频通话、多媒体共享、网络通信诸多功能，但这些功能都需要以高速互连的车联网为基础，车载多媒体系统通过标准数据接口，接入车联网控制单元；获取多媒体数据并构成多媒体数据帧的方法是：车联网控制单元通过标准数据接口与车载多媒体系统进行连接，将多媒体数据写入数据缓存，并以固定周期从缓存中读取数据，按照数据协议封装为多媒体数据帧；

步骤三：行驶数据帧和多媒体数据帧按协议构成通信数据帧

行驶数据和多媒体数据是组成车辆互连数据的基本单元，其中，车辆行驶状态由于变化频繁，所以其数据具有数据量小、长度固定、变化频率高的特点；多媒体数据依照多媒体应用的不同，具有数据量大、长度可变特点，因此，车辆互连需要兼顾车辆行驶状态和多媒体应用两类数据特点，进而设计数据封装协议，满足车辆互连需求；行驶数据帧和多媒体数据帧按协议构成通信数据帧的方法：从行驶信息获取单元和多媒体数据接口分别读取行驶数据帧和多媒体数据帧，按照数据封装协议将行驶数据帧和多媒体数据帧封装为通信数据帧；

步骤四：通信数据帧的自适应变化

无线信号回波中包含反射目标的大量信息，通过对其处理提取目标相对距离及相对速度的运动信息，其中，距离测量分辨率为

公式①中，δ_r表示距离分辨率，c表示光速，B表示信号带宽；速度测量分辨率为

公式②中，δ_v表示速度分辨率，c表示光速，f表示无线信号的频率，t_p表示无线信号的持续时间；

由公式①知，为得到较高的距离分辨率，必须有足够大的信号带宽；由公式②知，对于固定工作频段的雷达，为得到较高的速度分辨率，则需要信号具有更长的持续时间；对于OFDM而言，当信号结构即符号长度与子载波数目确定后，其带宽将保持不变，即距离分辨率恒定，但是，信号持续时间则依通信数据量大小而变化，进而影响系统的速度分辨率；由于通过GPS信号得到的距离精度较低，不利于对周围多部车辆的准确分辨，系统将采用雷达主动测距对其进行修正；而在速度测量方面，对于合作目标，从ECU获得的车辆行驶速度精度较高，满足辅助驾驶的需要；对于非合作目标，为利用散射回波对多部车辆进行高精度速度估计，系统将设定发射信号的最小持续时间t_p-min；若有效信息过短，则通过补充多个恒定幅度为“1”的无效数据，以保证发射信号时长满足t_p-min要求，即对目标车辆的速度分辨率达到δ_v-min＝c/(2ft_p-min)；通信数据帧自适应变化方法：判断目标是否为合作目标；若为合作目标，则将通信数据帧直接传输至调制单元，并利用散射回波估计目标距离，进而对GPS结果进行修正；若为非合作目标，则通过补充恒定幅度数据使发射信号时长大于等于系统预设值t_p-min；

步骤五：进行OFDM调制及上变频

为保证无线信号的带宽满足系统通过散射回波获取目标相对距离信息的需要，系统将工作频段划分为多个不重叠的子频段，并按照频率分配协议，将多个间断的子频段分配给一个终端，以保证每个终端信号具有足够的带宽；同时采用OFDM调制方式对数据进行调制，有效降低多径、目标移动不利因素对通信质量的影响，保证较高的通信速率；最后，对OFDM调制后的基带信号进行数字上变频处理，以调制至系统工作频点；OFDM调制及上变频方法：通信数据帧传输至调制单元，根据频率分配协议经离散傅里叶逆变换即IDFT运算实现OFDM调制，进而构成通信基带信号；再经过数字上变频处理，最终产生高频通信信号；

步骤六：通过车体探头发射无线信号

车体探头分别安装于机动车前部和后部，有效范围覆盖车辆前后双向较大区域，通过收发双工单元，实现无线信号的同时收发；发射无线信号方法：待发射的高频通信信号传输至车体探头后，经过数/模转换器即DAC，转换为模拟信号，由车体探头的发射单元分别向车辆前部和后部发出，形成车联网有效作用区域；

步骤七：通过车体探头接收无线信号及散射回波信号

车体探头接收来自其他车辆的发射信号以及己方放射信号经由目标的后向散射回波，再经过模/数转换器即ADC，转换为便于处理的数学信号；接收无线信号方法：无线信号由车体探头的接收单元转换为模拟电信号，再由ADC转换器转换为便于快速处理的数字信号；位于不同位置的探头接收的信号共同组成多路并行信号，以实现对不同方位目标的辨别；

步骤八：判断接收信号类型

接收信号分为：由合作目标车辆发射的无线通信信号，以及由本车发射的无线信号遇其他车辆后的散射回波；因为不同车辆发射的无线信号分布于不同的子频段，所以不同车辆发射的无线信号间不存在同频干扰；按照调制协议对接收无线信号进行分析，在工作频段内的非本车工作子频段存在信号，则判定其来自于车联网合作目标，从而将该信号传输至信号解调单元；否则判定为来自于非合作目标的散射回波，将其传输至回波信号提取单元；接收信号类型判断方法是：对ADC转换后的信号进行数字下变频处理，产生基带信号；分析基带信号的频谱，若在工作频段内的非本车子频段存在信号，则判定为合作目标通信信号，并将其传输至信号解调单元进行处理；若在工作频段内的非本车子频段不存在信号，则判定为非合作目标散射回波，并将该信号传输至回波信号提取单元；

步骤九：解调合作目标通信信号

车联网系统的工作频段被分配给多个终端使用，根据频率分配协议从OFDM解调后的数据帧中将不同终端的通信数据分离；解调合作目标通信信号方法是：基带信号经离散傅里叶变换即DFT运算后得到OFDM解调信号，再按照频率分配协议从解调信号中分离出不同终端的通信数据；

步骤十：提取行驶数据和多媒体数据

通信数据由车辆行驶数据和多媒体数据组成，按照数据封装协议对通信数据进行解封装得到目标车辆的行驶数据以及多媒体数据，以供车载辅助行驶系统和车载多媒体系统使用；提取行驶数据和多媒体数据方法是：按照数据封装协议将通信数据帧拆分为行驶数据帧和多媒体数据帧，再分别解封装得到行驶数据和多媒体数据，其中，多媒体数据通过标准数据接口接入车载多媒体系统；

步骤十一：目标车辆散射回波处理

当接收到目标车辆的后向散射回波信号后，利用脉冲压缩和相干积累得到该信号在距离-速度二维平面的能量分布，进而通过峰值检测提取出目标的相对己方车辆的距离和速度信息；对于合作目标，利用距离信息对GPS数据进行修正，提高系统感知精度；对于非合作目标，该距离和速度估计结果将作为其行驶状态的特征参数，从而构成周边车辆环境感知与辅助驾驶决策的重要输入信息；目标车辆散射回波处理方法是：通过脉冲压缩和相干积累，测量目标回波的延迟时间，计算得到本车与目标的相对距离；提取回波的多普勒频率，计算得到目标的相对速度；

步骤十二：生成多目标相对运动数据模型

多探头接收到的数据经过处理得到的己方车辆周围合作目标的行驶信息，通过与本车行驶信息融合比对，生成车辆周围目标的相对运动数据模型；生成多目标相对运动数据模型的方法是：将不同目标的速度、GPS位置行驶状态与本车行驶状态进行实时比对，从而得到目标与本车的相对速度、距离、位置信息，并经融合处理生成周边车辆的相对运动数据模型；

步骤十三：生成辅助驾驶信息

合作目标相对运动数据模型中的位置信息是车载定位系统通过民用级GPS信号获得的，误差较大，需要通过从目标散射回波中提取其运动状态信息进行修正；非合作目标的运动状态信息无法由通信数据提供，只能利用目标散射回波获得；综合合作目标与非合作目标相对本车的运动状态，最终生成辅助驾驶信息；生成辅助驾驶信息方法是：根据不同位置探头获得目标相对运动状态，对相对运动数据模型中的目标数据进行修正；若目标未在相对运动数据模型中，则将目标信息进行补充；根据相对运动数据模型中周边目标的运动状态，对己方车辆行为做出合理规划，辅助车辆驾驶。