基于射線跟蹤的車－車通信信道建模

唐貫杰， 牛春誠， 伍東方

（長春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

最近幾年道路的交通密度越來越大，車輛數(shù)量的增多導(dǎo)致了更多的交通堵塞及交通事故，給我們的生活造成了很大的影響。最近幾家大的汽車公司正在致力于生產(chǎn)“零死亡率汽車”，而通向“零死亡率汽車”的關(guān)鍵之一就是車輛能夠向其鄰近的車輛及時(shí)發(fā)送自己的安全信息，如車速、油門狀態(tài)、駕駛員踩剎車的力度等[1]。車輛對于其它車輛的信息了解越多，就越能及時(shí)地做出反應(yīng)避免危險(xiǎn)的發(fā)生，這就使得車與車之間通信顯得格外重要。

與傳統(tǒng)的無線信道相比，車－車通信信道更具動(dòng)態(tài)性、時(shí)變性以及節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性，加之發(fā)送端和接收端都處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并不適用。最近幾年科學(xué)家們對車－車通信進(jìn)行了大量的研究，研究內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面：車－車通信信道測量，用以了解車－車信道環(huán)境中的基本物理現(xiàn)象；車－車通信信道建模與仿真主要用于車－車通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。目前，車－車通信信道建模方法主要有兩類：確定性的建模方法和統(tǒng)計(jì)建模方法。確定性的建模方法是基于特定傳播場景下的準(zhǔn)確描述，以完全確定的方式描述信道參數(shù)，再現(xiàn)物理波傳播的全過程。統(tǒng)計(jì)建模方法是根據(jù)信道各種統(tǒng)計(jì)特性獲得信道的相關(guān)參數(shù)，從而建立相應(yīng)的信道模型，用該方法建立的模型復(fù)雜度低，便于使用，但是與實(shí)際情況比較偏差較大[2]。對于特定場景下的無線傳播信道建模，用的都是確定性的建模方法。

文中采用射線跟蹤方法建立了特定場景下的車－車通信信道模型，產(chǎn)生了信道的復(fù)雜脈沖響應(yīng)特性。

1 車－車通信信道相關(guān)特性

1.1 多普勒擴(kuò)展

車－車通信信道與傳統(tǒng)的手機(jī)信道有所不同，主要表現(xiàn)在頻率選擇、時(shí)間選擇以及相關(guān)的衰落統(tǒng)計(jì)上。移動(dòng)的車輛所接收到的信號來自多條路徑（如樹木、建筑物以及其它車輛的反射、衍射等），每一個(gè)信號分量都會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。這就需要在接收端對所有的信號進(jìn)行累加，將累加的結(jié)果與發(fā)送信號頻率進(jìn)行比較，從而得到多普勒頻譜和多普勒擴(kuò)展[3]。在車輛行駛過程中，假設(shè)發(fā)送車輛速度為vT，接收車輛速度為vR，則有效速度為veff：

相應(yīng)的多普勒擴(kuò)展fD表示為：

1.2 相干時(shí)間

車－車信道的時(shí)變性對于車－車通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者而言，是一個(gè)非常重要的信息。相干時(shí)間是信道保持恒定的最大時(shí)間差范圍，在該范圍中信道參數(shù)被認(rèn)為是穩(wěn)定的[4]。通常運(yùn)用信道相干時(shí)間的知識對快衰落信道和慢衰落信道進(jìn)行區(qū)分。研究表明，在手機(jī)信道中相干時(shí)間和多普勒擴(kuò)展存在一定的逆關(guān)系，但是在車－車通信環(huán)境中它們的關(guān)系比例系數(shù)尚未知曉[3]。文獻(xiàn)[1]中提出，可以從在接收端通過接收到的包絡(luò)計(jì)算出信道的自相關(guān)函數(shù)，從而得到信道的相干時(shí)間。

2 車－車通信信道模型

2.1 交通環(huán)境模型

交通環(huán)境的詳細(xì)描述對于車－車通信信道建模至關(guān)重要[5]。當(dāng)前的應(yīng)用要求產(chǎn)生有代表性的交通環(huán)境，在此環(huán)境中需要包括移動(dòng)的車輛、道路以及路邊環(huán)境。在該模型中，用大長方體盒子來模擬道路兩面的建筑物，假設(shè)建筑物都是混凝土材質(zhì)的，小長方體盒子模擬發(fā)送端和接收端的車輛。在實(shí)際應(yīng)用中需要獲取建筑物的面（主要是面向車道的面），因?yàn)檫@些面有可能作為反射面參與信號的傳播。

以發(fā)射車天線為原點(diǎn)O（0，0，0）建立三維直角坐標(biāo)系（采用左手系），接收車在Z軸的正方向上，面向車道的面（建筑物的反射面）垂直于坐標(biāo)面XOZ。

圖1 交通環(huán)境模型

發(fā)送車輛距離北面建筑物的水平距離為dT（t），接收車輛距離南面建筑物的距離為dR（t），若發(fā)送車輛到建筑物A的距離為D1，接收車輛到建筑物B的距離為D2，則t時(shí)刻第l條路徑的發(fā)送方向和接收方向分別為

2.2 信道模型

在提出的交通環(huán)境模型中，要對波的多徑傳播做出詳細(xì)的描述，需要產(chǎn)生實(shí)時(shí)的信道脈沖響應(yīng)序列。為了更加詳細(xì)地描述波在信道中的傳播情況，在提出的信道模型中使用射線跟蹤方法。為了使頻率足夠高，該方法假設(shè)波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通信場景中物體的尺寸。

圖像理論圖如圖2所示。

圖2 圖像理論圖

采用圖像理論[6]跟蹤每一條反射傳播路徑，遞歸建立發(fā)射天線關(guān)于各個(gè)面的對稱點(diǎn)，最終的對稱點(diǎn)和接收點(diǎn)建立連線，尋找反射點(diǎn)，依次逆推，尋找各個(gè)面的反射點(diǎn)。在此過程中，一旦出現(xiàn)不符合實(shí)際的情況，即不能發(fā)射（對稱點(diǎn)和接收點(diǎn)的連線不能穿過平面區(qū)域、計(jì)算的反射點(diǎn)在平面區(qū)域內(nèi)等），假設(shè)失敗，立即終止關(guān)于此平面序列的傳播路徑計(jì)算，尋找下一序列。我們采用自頂向下分解分析過程，首先尋找信號能量最強(qiáng)的7條路徑（近似等于尋找7條最短的路徑），每條路徑有n次反射，根據(jù)反射次數(shù)n從少到多尋找合理的傳播路徑，當(dāng)找到一條路徑，就將其插入到傳播路徑向量中并維護(hù)其有序性。

顯然，根據(jù)R與T（2）的連線可以得到WALL2上的點(diǎn)B，根據(jù)B與T（1）的連線可以得到WALL1上的點(diǎn)A，以此類推，得到一條反射路徑T－A－B－R。

相干時(shí)間作為信道沖擊響應(yīng)維持“不變”的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均，在接收端，分別在t1，t2，…，tm時(shí)刻對信號進(jìn)行采樣得到對應(yīng)的脈沖響應(yīng)，如果所得脈沖響應(yīng)的差額不大于一定的數(shù)值，則可得相干時(shí)間為tm－t1。

信道模型中，采用雙向時(shí)變脈沖響應(yīng)，對L條解析路徑進(jìn)行疊加。

ΩT發(fā)射方向；

ΩR接收方向；

hi第i個(gè)多徑分量的脈沖響應(yīng)。

式中：aii個(gè)多徑分量的振幅；

Φi個(gè)多徑分量的相位；

τi第i個(gè)多徑分量的時(shí)延；

ΩT，i第i個(gè)多徑分量的發(fā)射方向；

ΩR，i第i個(gè)多徑分量的接收方向；

3 車－車通信信道建模未來挑戰(zhàn)

目前，車－車通信的主要標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.11p，該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)起源于802.11a，修改的導(dǎo)頻模式降低了接收端的復(fù)雜度[7]。為了加強(qiáng)車輛間通信的可靠性，研究人員提出在車輛中安裝多個(gè)發(fā)射天線，但是多天線的使用卻極大地增加了通信信道的復(fù)雜性，為信道建模增加了難度[8]。由于車輛的高速行駛，使得車－車通信信道的變化更加快速，大多數(shù)情況下車－車通信信道都是隨機(jī)非穩(wěn)定的。實(shí)際的車－車信道的波是在三維空間中傳播的，這就對車－車無線通信信道建模提出了更高的要求，尤其是針對城市峽谷以及周圍有高建筑物的公路，這需要調(diào)查仰角以及各種信道統(tǒng)計(jì)的影響。

4 結(jié) 語

提出了一個(gè)適應(yīng)于特定環(huán)境下車－車通信的信道模型，在波的傳播模型中，著重介紹了雙向時(shí)變復(fù)雜脈沖響應(yīng)，并在脈沖響應(yīng)的基礎(chǔ)上提出了一種計(jì)算相干時(shí)間的新方法，輸出了傳播路徑模型向量。輸出的結(jié)果為下一步進(jìn)行信道衰落和多普勒擴(kuò)展的仿真建模提供了依據(jù)。但是，在交通環(huán)境模型中，只考慮了道路兩邊建筑物反射的影響，沒有涉及到樹木、廣告牌等其它散射體的影響，這些工作在下一階段的研究中將進(jìn)一步展現(xiàn)。在提出的信道模型中僅僅描述了信道的相干時(shí)間和相干帶寬，相干時(shí)間與多普勒擴(kuò)展之間是反比例關(guān)系，但是目前沒有文獻(xiàn)說明二者的具體關(guān)系，下一階段要建立信道的路徑消耗模型和相關(guān)衰落模型。

[1]劉富強(qiáng).專用短程通信（DSRC）技術(shù)在ITS中的應(yīng)用 [EB／OL][2012－09－25].http：／／www.yubooa.com／oa／html／3770.html.

[2]賀智鐵.移動(dòng)到移動(dòng)（M2M）衰落信道建模及統(tǒng)計(jì)特性分析研究[D]：[碩士學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，2009.

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[8]袁正午.移動(dòng)通信系統(tǒng)終端射線跟蹤定位理論與方法[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：39－41.