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DSRC 接收机方案的改进设计
严昊，张欣**
作者简介：严昊（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：无线通信理论与技术
通信联系人：张欣（1976-），男，副教授，主要研究方向：无线通信理论与技术
（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）
5 摘要：本文主要研究了 DSRC（Dedicated Short Range Communications）即专用短距通信的
接收机设计方案。DSRC是一种高效的无线通信技术，主要用于 V2V（车辆到车辆），V2I(车
辆到设施)通信。随着道路交通安全问题的日益严重以及人们对车际通信相关服务的巨大需
求，DSRC 系统的研究越来越受到学界与业界的重视。DSRC 的物理层继承了广泛应用的
WLAN 系统的 协议，但是其接收端的信道估计算法仅适用于室内低速环境。在高10
移动性，时变的车辆环境下，传统 DSRC 接收机的性能仍有很大的提升空间。基于此，本
文提出了一种新型的 DSRC 接收机方案，在频域上联合采用判决反馈均衡与等增益合并两
种技术，改进了 DSRC 接收机的性能，使系统能够在不改变发送端协议的前提下，大幅的
提升 DSRC物理层性能，由此便于 DSRC在实际中的推广。
关键词：通信系统；专用短距通信；接收机设计；判决反馈均衡；等增益合并 15
中图分类号：
An improved design of DSRC receiver
YAN Hao, ZHANG Xin
(School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and 20
Telecommunications, Beijing 100876)
Abstract: In this paper ,we studied the DSRC (Dedicated Short Range Communications) receiver
design. DSRC is a highly efficient wireless communication technology, mainly for V2V (vehicle
to vehicle) and V2I (vehicle to infrastructure) communications. With road traffic safety issues
growing as well as the huge demand for inter-vehicle communications-related services, the 25
research of DSRC is being paid more and more attention by academia and industry. DSRC
physical layer is inherited from the now widely applied WLAN system protocol whose
channel estimation algorithm is only suitable for indoor low-speed environment. When working in
the environmental with time-varying channel and high mobility , performance of traditional DSRC
receiver still needs much on this,we propose a new DSRC receiver scheme 30
which combines two techniques: decision feedback equalization(DFE) and equal gain
combining(EGC) in frequency domain. Simulation results show that our receiver scheme can
significantly improve DSRC physical layer performance without the modification of transmit
protocol ,so it can accelerate the promotion of DSRC in practice.
Key words: communication systems; DSRC; receiver design; decision feedback equalization; 35
equal gain combine
0 引言
近些年以来，越来越多的交通问题出现在了世界各地。交通拥堵，交通事故，交通污染
等问题给社会经济造成了巨大的损失。在这样的背景下，智能交通系统（ITS）已被广泛的40
研究与实施，整个智能交通系统的基础是 DSRC通信协议。DSRC是一种高效的无线通信技
术，能在相对较短的距离内（几十米到一千米）有效地支持车对车（V2V）车对路边基础设
施（V2I），甚至车对人（V2P）的通信。DSRC 能够通过实时传输车辆的安全和交通服务
信息，将车与车，车与道路，车与行人系统的联系在一起，极大的提高了车辆与行人的安全
性，同时也满足了人们对交通信息服务的需求。为了加速 DSRC的推广，DSRC的物理层协45
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议继承了WLAN系统物理层的 协议，这样便可利用现已广泛商用的WLAN芯片组，
进而降低成本。然而，众所周知WLAN 协议是针对室内低速环境设计的，在高移动
性，时变的车辆环境下，继承自 WLAN 协议的 DSRC 物理层的性能仍有待提高。本文以
DSRC物理层性能提升为目的，先分析了造成 DSRC系统物理层性能不佳的主要原因，即继
承自 的信道估计方案不适用于时变的车辆环境；然后介绍了两种可行的 DSRC接收50
机方案：基于判决反馈的 DSRC 接收机方案与基于分集合并的 DSRC 接收机方案；最后本
文提出了一种新型的 DSRC 接收机方案，运用判决反馈均衡技术更新等增益合并中各支路
的信道估计响应和相位补偿，将前述两种方案有效的结合起来。仿真结果表明，本文提出的
接收机设计方案，相较于传统的 DSRC接收机方案和上述两种基于单一技术的接收机方案，
系统性能均有大幅提升。 55
1 DSRC物理层简介
DSRC发送端时频结构
同 一样，DSRC物理层采用了正交频分复用（OFDM）技术，将无线信道分成
若干个正交子信道，把串行的高速数据流转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上
进行传输。二者的区别仅仅在于，DSRC协议中符号时间与保护间隔相比于 拓展了60
一倍。协议设计者考虑到车辆所处的多径散射环境相较于室内环境拥有更大的时延拓展，增
大符号时间能有效对抗多径时延[1]。
DSRC 系统工作在 频段，系统带宽为 10MHz，在频域拥有 64个子载波，其中
只有 52个子载波用于实际信号传输，而在 52个子载波中，有 4个子载波作为导频用于相位
追踪，其余 48个子载波用作数据传输。在时域，DSRC 物理层发送端数据包结构如图 1所65
示。
图 1 DSRC发送端数据包结构
DSRC transmit packet structure
70
数据包头部由两个前导组成，第一个为短前导，它包含 10个短的训练序列用来进行包
检测，频偏估计与符号同步。第二个为长前导，它由两个相同的用作信道估计的训练序列
trainX 组成， EG 和G分别为长保护间隔与普通保护间隔，在DSRC标准中分别与，
Signal信号用来传递发送模式与数据包长度。 X 为 OFDM数据符号，持续 。
DSRC发送机结构 75
DSRC系统发送端框图如图 2所示，在 DSRC系统的发送端，二进制比特流依次经过前
向纠错编码（卷积码），比特交织，数字调制（QPSK,16QAM,64QAM），串并转换等模块
之后，48个子载波和 4个导频可以表示为 ,n kX ,其中 n为时域符号编号，k为频域载波编号。
随后对并行的数据进行 IFFT（逆傅里叶变换）处理，发送端输出的数据表示为 ,n kx ,最后插
入保护间隔后信号被发送至无线信道。 80
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图 2 DSRC发送机结构
DSRC transmitter structure
传统 DSRC接收机结构及其缺陷
传统 DSRC接收机方案如图 3所示 85
图 3 传统 DSRC接收机方案
Traditional DSRC receiver scheme
信号到达接收端后通过移除保护间隔消除部分 ISI（符号间干扰）的影响，进行串并转90
换后接收信号表示为 ,n ky ，随后对 ,n ky 做傅利叶变换（FFT），信号由时域变换到频域。接
收机频域输出信号如下：
, , , , , ( 1)n k n k n k n k n kY FFT y H X N 式
其中 ,n kH 为信道的频率响应， ,n kN 为加性高斯白噪声（AWGN）， ,n kX 为发送端信号。
,n kY 再进行信道补偿，导频移除，并串转换之后进入传统的解调译码流程最终得到二进制输95
出。
在 协议中，物理层数据包中的长前导被用做信道估计。在接收端，前导中训练
序列 trainX 的值已由协议给出，通过将接收到的训练序列与其协议值按 LS（最小二乘法）法
则做简单处理，便可估计出在长前导持续时间内无线信道的频域响应。 将此信道估
计的结果在整个数据包持续的时间内对所有数据符号进行信道补偿。DSRC接收机继承了这100
一信道估计方案。
在式 1中假设 ,n kX 已知，则可以推出：
, , , ,
, , ,
, , ,
ˆ ( 2)
n k n k n k n k
n k n k n k
n k n k n k
Y N Y N
H H
X X X
式
其中 ,
ˆ
n kH 是基于 LS 法则估计出的信道响应，在 OFDM 系统中可以简单地处理为：频
域接收信号除以其发送端对应的真实值，它与实际信道响应之间相差着由高斯白噪声产生的105
错误分量 ,n k 。传统 DSRC接收机方案中信道估计可以由到达接收端的两个 trainX 对应的接
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收符号 1,kY 和 2,kY ，通过
2, 1,
0,
ˆ
2
k k
k
train
Y Y
H
X
计算得到。
协议假定无线信道在一个数据包的时间没有发生显著地变化，于是在整个数据
包的时间内信道响应都被估计为
, 0,
ˆ ˆ
n k kH H ，从而在信道补偿模块中，包中所有接收的数
据符号都由它来进行信道补偿。信道补偿器类似于一个均衡器，每个子载波有一个抽头。在110
这种传统模式下，抽头权重是固定的。系数向量是信道估计响应的倒数 ,
0,
1
ˆn k
kH
，接收
数据得到如下补偿
, , ,
ˆ
n k n k n kY Y 。
从以上的推导可以看出，传统 DSRC由于继承了应用在室内静态环境下的 协议
的信道估计算法，使得其在一个数据包的时间内，每个数据符号均使用由包头前导估计出的
信道响应来做信道均衡。然而在高移动性、时变的车辆环境下，一个数据包的时间内信道响115
应不再保持相对恒定，从而依靠前导估计出的信道响应不再准确。相关文献表明随着车速的
增加这将导致 DSRC物理层性能的逐渐恶化[2]。在本文的仿真结果中也能看到这一点。
2 基于判决反馈的 DSRC接收机方案
DSRC的快速推广需要利用现已广泛应用的WLAN芯片组，这就说明在发送端，DSRC
的数据包与子载波结构已相对固定，不能通过更改发送端的数据包结构与导频样式来提升系120
统性能。前文分析了，DSRC物理层仅以前导估计整个数据包时间的信道响应造成了系统性
能的不足，因此在数据包结构中寻找其他资源进行信道估计就变得至关重要。利用数据符号
进行信道估计便是一个很好地选择，然而接收端并不知道数据符号的真实值，于是本文引入
了判决反馈技术，利用维特比译码后的输出在收端重构出发端信号，这样，每个数据符号均
能同前导一样进行信道估计和信道补偿，可以良好的对抗车辆环境下信道的时变特性[3]。基125
于判决反馈接收机方案如图 4所示：
图 4 基于判决反馈的 DSRC接收机方案
Decision Feedback DSRC receiver scheme
130
与传统 DSRC 接收机方案不同，在维特比译码之后，译码出来的二进制数据流进入了
一个反馈环路，再一次经历了发送端流程即：编码，交织，调制，串并转换，最终得到判决
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反馈重构的发端信号
,
ˆ
n kX ，将此信号和相应的接收信号利用
,
,
,
ˆ
ˆ
n k
n k
n k
Y
H
X
,逐符号的更新信道
估计的响应。对应信道补偿器的抽头系数为 ,
,
1
ˆn k
n kH
，在下一个接收符号到来时对其进
行信道补偿
1, 1, ,
ˆ
n k n k n kY Y ，由于信道估计的响应逐符号的更新，在数据包持续的整个时135
间内无线信道的响应均被追踪，引入判决反馈后 DSRC 接收机能够良好的对抗信道的时变
特性。
必须要注意到，信道译码并不能得到完全正确的译码结果，而错误的译码结果重构出的
发端信号也是不准确的，反馈支路利用重构信号，估计出的信道响应与实际信道响应将会出
现偏差，从而又会影响到下一次的译码，如此循环往复就会产生错误传播问题，错误传播问140
题会造成基于判决反馈的 DSRC 接收机性能恶化。为了解决错误传播问题，需要引入了遗
忘因子 (0 1) 。重新令 ,
,
,
ˆ
n k
n k
n k
Y
H
X
，则
1, , ,
ˆ ˆ(1 ) ( 3)n k n k n kH H H 式
通过遗忘因子，在部分保留上一符号的信道估计响应的同时，引入由新到来的数据符号
估计得到的信道响应，从而减轻错误传播问题带来的影响。遗忘因子具体数值的选择由仿真145
给出。
3 基于接收分集的 DSRC接收机方案
接收分集技术通过在接收端利用多根天线接收信号来缓解由于信道的时域和频域选择
性所造成的衰落影响。其原理基于以下思想：多个统计独立的衰落信道同时处于深度衰落的
的概率非常低。鉴于在 DSRC 系统中，发送端已相对固定，发射信号的时频结构也已由标150
准确定，且信道环境具有时变，快衰落等特点，在接收端采用接收分集技术无疑是提升系统
性能的良好选择。
设系统拥有M个接收天线，各接收天线对应的信道衰落相互独立。发送信号为 ( )s t ， ma
为分集合并处各支路的加权因子，
mr 为各支路的复信道增益，可以表示为
arg( )
| | m
j r
m mr r e
。
最终分集合并的输出为： 155
arg( )
1
( ) | | ( ) ( 4)m
M
j r
m m
m
r t a r e s t
式
由于每条支路各自经历了相互独立的信道衰落，所以在合并前必须进行相位补偿，以抵
消掉由信道增益 mr 带来的相位偏差
arg( )mj re
。根据加权因子的不同，经典的分集合并技术有
以下几种：选择合并，等增益合并，最大比合并。其中选择合并仅选取最大接收信噪比的支
路，其他支路抛弃。等增益合并的各支路加权因子相等。最大比合并依据许瓦兹不等式选取160
使总接收信噪比最大的加权因子，是最优的分集合并方式。
在 DSRC系统中考虑到接收端硬件成本与复杂度，以及与MAC技术层兼容等因素，在
本文提出的接收机方案中采用两路等增益合并作为接收分集方案。根据相关文献[4]，在两
支路的情况下，等增益合并与最佳的最大比合并方案性能十分接近，仅仅相差 1dB，但相关
复杂度却有了显著降低。 165
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4 改进的 DSRC接收机方案
本文提出了一种新型的 DSRC 接收机方案，联合使用判决反馈均衡与等增益合并两种
手段，综合提升 DSRC 接收机性能。本方案中运用了两幅接收天线进行分集合并，在一定
的程度上增加了硬件的复杂度。事实上，近年以来 DSRC的MAC层领域研究也逐渐成为热
点，为了进一步提升 DSRC系统的性能，许多新的 MAC层协议被提了出来[5][6]。在这些协170
议中，为了克服 DSRC MAC层的 EDCA\CA机制带来的缺陷，均使用了两套收发机来实现
功能。因此，本文提出的由两路接收机进行分集接收的物理层方案可以与相关MAC层协议
有效兼容，虽然增加了一定的硬件复杂度，但系统性能却得到了大幅提升。接收机方案框图
如图 5所示：
175
图 5 本文提出的 DSRC接收机方案
Proposed DSRC receiver scheme
假设到达接收天线的两路信号 (1),n ky 和
(2)
,n ky 经历了相互独立的信道衰落，事实上只要保证
两幅接收天线相距特定的距离， (1),n ky 与
(2)
,n ky 可以视为经历相互独立的信道衰落。在接收端定180
时与同步完成后，两路接收信号随后进行快速傅里叶变换（FFT）处理，接收信号由时域变
换至频域，表示为 (1),n kY 和
(2)
,n kY 。
(1)
,
ˆ
n kH
(2)
,
ˆ
n kH 是存储在支路 1与支路 2中的信道估计响应，由
前一符号经过判决反馈后得到。 (1),n kY ，
(2)
,n kY 和
(1)
,
ˆ
n kH ，
(2)
,
ˆ
n kH 一同进入分集合并模块，分集
合并模块输出结果如下：
(1) (1) (2) (2)
, , , , ,
ˆ ˆexp( arg ) exp( arg ) ( 5)n k n k n k n k n kY Y j H Y j H 式 185
(1) (2)
, , ,
ˆ ˆ ˆ| | | | ( 6)n k n k n kH H H 式
从式 5中可以看出，与传统时域等增益合并不同，方案中的合并发生在信号进行快速傅
里叶变换（FFT）之后，即在频域进行合并。这就表明，分集合并时各支路的相位补偿不能
由时域的相位估计得到。在本文提出的方案中，利用判决反馈得到的频域相位估计响应恰好
能够提供频域等增益合并时的补偿相位。在式 5中，两路接收信号 (1),n kY 与
(2)
,n kY 均消去了信道190
响应中相位的影响。在上述两式中， 和 均取 ，这样可以保证本文提出的接收方案与
单天线接收方案拥有相同的接收功率。 ,n kY 和 ,
ˆ
n kH 分别表示经过频域等增益合并处理后的
接收信号与信道估计响应，并利用 1,
1,
,
ˆ
ˆ
n k
n k
n k
Y
Y
H
进行信道补偿。
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信道补偿后，
,
ˆ
n kY 经过解映射，解交织，维特比译码过程得到最终输出结果。分集合并
得到的结果还要经过判决反馈回路来更新信道估计响应，根据前述判决反馈均衡原理的论195
述，分集合并输出的译码后的结果需要再次经过发送机模块，重构出发端信号
,
ˆ
n kX 。信道
估计算法依旧采用 LS准则，支路 1与支路 2存储的信道估计响应结果分别为
(1)
,(1)
1,
,
ˆ
n k
n k
n k
Y
H
X
和
(2)
,(2)
1,
,
ˆ
n k
n k
n k
Y
H
X
。同样，考虑到错误传播问题，引入遗忘因子，最终得到下述两式：
(1) (1) (1)
1, , 1,
ˆ ˆ(1 ) ( 7)n k n k n kH H H 式
(2) (2) (2)
1, , 1,
ˆ ˆ(1 ) ( 8)n k n k n kH H H 式 200
在本文提出的接收机方案中，等增益合并技术带来了对抗车辆信道衰落的分集增益，而
判决反馈技术利用数据符号进行信道估计不但有效的对接收信号进行了信道补偿，而且为等
增益合并提供了频域相位补偿。两种技术系统的结合在了一起，使本文提出的接收机方案能
够在高移动性，时变的车辆环境下获得了良好的系统性能。
5 仿真结果 205
仿真环境及参数
本文采用MATLAB平台对 DSRC物理层在特定的场景下进行仿真。仿真信道为多径与
时变的城市环境信道。在 DSRC 系统所处的车辆环境下，相较于郊区与高速路而言，城市
环境由于建筑物的遮挡，大量车辆的移动造成其信道条件要更为恶劣。根据参考文献[7].城
市环境信道可以建模为两径瑞利信道，信道 RSM 时延拓展约为 358ns。本文中整个 DSRC210
系统的性能用数据包传输错误率 PER 评估。数据包中任意比特错误，整包将会判错，这与
DSRC 系统对传输安全信息的要求是相符的。仿真一次传输 10000 个数据包,每个数据包含
有 64个数据符号，调制方式为 16-QAM。仿真的信噪比范围在 0到 35dB，鉴于在现实条件
下，车辆相对速度不会超过 250km/h，相对车辆速度范围在 0到 250km/h，选取遗忘因子 =
。 215
仿真结果分析
本文对传统 DSRC接收机方案、判决反馈 DSRC接收机方案、等增益合并 DSRC接收
机方案，以及提出的 DSRC接收机方案，在上述城市信道条件下，进行了性能综合比较。
在城市信道环境下，固定信噪比 20dB，调制方式为 16QAM，以车辆相对速度为变量的
PER性能比较如图 6所示： 220
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0 50 100 150 200 250
10
-2
10
-1
10
0
误
包
率
（
P
E
R
)
相对车辆速度 (km/h)
传统 DSRC接收机方案
基于判决反馈的接收机方案
基于等增益合并的接收机方案
本文提出的接收机方案
图 6 DSRC接收机方案性能比较(固定信噪比）
Performance Comparison of DSRC receiver schemes (fixed SNR)
从图中可以看出，随着车辆速度的增大，四种接收方案的 PER 性能均在下降。在恶劣225
的城市条件下，相对车速超过 40km/h时，传统 DSRC接收方案的性能已经无法保证安全信
息的可靠传输。正如理论所分析，随着车速的增加，在一个数据包的时间内，信道已发生剧
烈变化，仅由前导的训练序列估计整个数据包时间内的信道必然会造成性能的损失。四种接
收方案中，两种双天线方案的 PER 性能优于单天线方案，分集接收增益明显。判决反馈方
案相较于传统方案，性能有所提升，但仍然无法适应城市环境。相比于其他方案，本文提出230
的带有判决反馈的频域等增益合并方案，在 PER 性能上有着极大的改善。当相对车速低于
125km/h时，误包率低于 10%。经分析可知通过判决反馈得到的信道估计响应使得两路分集
合并时的相位补偿与信道估计响应逐符号更新，这样即使在信道时变的情况下，两条支路也
能较为准确的追踪自己的信道，并通过分集合并对抗信道衰落。
固定车辆相对速度为 147km/h,调制方式为 16QAM，以信噪比为变量的 PER性能比较如235
图 7所示：
0 5 10 15 20 25 30 35
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
误
包
率
（
P
E
R
）
信 噪比 (dB)
传统 DSRC接收机方案
基于判决反馈的接收机方案
基于等增益合并的接收机方案
本文提出的接收机方案
图 7 DSRC接收机方案性能比较(固定相对车速）
Performance Comparison of DSRC receiver schemes (fixed relative velocity)
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从图中可以看出，相较于单天线判决反馈接收方案，在 PER为 10%时，提出的接收机240
方案有着大约 10dB的提升，由此可以表明本文提出的接收机方案的有效性显著。
图中单天线判决反馈方案与两天线等增益合并方案性能相差不大，这是由于在两天线等
增益合并方案中，进行相位补偿的依旧是传统 DSRC 方案中的前导的信道估计响应。由分
集接收带来的增益，部分被不准确的信道估计所抵消。
6 本文总结 245
本文中首先对传统的 DSRC 接收方案进行分析介绍，然后指出了传统 DSRC 接收方案
的缺陷。由于继承了WLAN协议的信道估计算法，使得整个数据包中的符号均用由前导得
到的信道估计响应进行信道补偿，造成了在时变的车辆信道环境下系统性能的不佳。随后本
文介绍了两种改进接收机性能的方案，它们分别对应：判决反馈均衡技术与分集合并技术，
本文完整的分析了两种方案的原理和性能，为后文理论推导作铺垫。最后本文提出了一种运250
用判决反馈技术更新等增益合并中各支路信道相位补偿与信道估计响应的接收机设计方案，
并进行了仿真分析。
在高移动性，时变的 DSRC 车辆环境下，一个数据包时间内，每个符号经历了不同的
信道衰落。在本文提出的方案中，为了实时估计出信道响应以便进行信道补偿，判决反馈均
衡技术利用维特比译码后的数据符号重构了发端信号，逐符号得到信道估计响应，有效的适255
应了时变的车辆环境。同时估计出的信道响应可以用作两支路等增益合并的频域相位补偿，
使得系统获得分集增益。仿真结果表明，本文提出的接收机方案，在 PER性能上较传统DSRC
接收方案有显著提升。
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