交通專用短程通信系統(tǒng)信道特性仿真測(cè)試

殷曉敏 金 婕 孫 玲，2

(1.南通大學(xué)江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南通226019；2.中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 北京100190)）

0 引言

近年來，智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS：Intelligent Transportation System）已成為世界交通運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)展的重要方向和前沿研究課題[1-2]。ITS系統(tǒng)的核心技術(shù)之一就是適用于交通領(lǐng)域車路信息交換的短程通信（DSRC：Dedicated Short Range Communications）系統(tǒng)[3-4]。 自 2007 年以來，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織陸續(xù)發(fā)布了面向ITS應(yīng)用的車用電子無線通信標(biāo)準(zhǔn)體系[5-7]，在IEEE802.11a的基礎(chǔ)上形成針對(duì)車載通信特殊環(huán)境的IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)[8]。

由于在高速移動(dòng)的車載環(huán)境下，車車（VTV：Vehicle-to-Vehicle）通信信道是非靜止信道，因此，DSRC通信信道不僅具有傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的特點(diǎn)，更具有其特殊性。針對(duì)交通專用短程通信系統(tǒng)特點(diǎn)，建立準(zhǔn)確的信道模型對(duì)于系統(tǒng)仿真來說是十分重要的。本文基于Agilent N5106A基帶信號(hào)發(fā)生器與信道仿真器，搭建了面向DSRC通信信道的測(cè)試平臺(tái)。

1 DSRC系統(tǒng)概述

DSRC是ITS系統(tǒng)一種高效的無線通信機(jī)制，目前主要應(yīng)用于ITS中的不停車收費(fèi)（ETC）和道路口的車輛信息采集。相比于Wi-Fi、WiMAX等無線通信技術(shù)，DSRC在數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲時(shí)間、通信距離和移動(dòng)性等特性方面有比較折衷的考慮，并且具有支持雙向傳輸、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信等特點(diǎn)，表1給出了DSRC技術(shù)與它們的特性比較[9-10]。

表1 DSRC技術(shù)和Wi-Fi、WiMAX的比較

用于DSRC技術(shù)的頻率資源共有75 MHz，劃分成7個(gè)10 MHz的信道，如圖1所示。其中，中間的信道用于控制信道，發(fā)送廣播消息或者控制信令；第一個(gè)信道分別用于碰撞避免、車間通信等；最后一個(gè)信道用于長(zhǎng)距離、大功率的通信；頻率最低的5MHz作安全空白，剩下的4個(gè)信道為服務(wù)信道。由圖可見，802.11p的物理層的工作在5.8～5.9GHz附近，還保留了用于服務(wù)的信道；相鄰的兩個(gè)信道通過協(xié)商后可以當(dāng)作一個(gè)20 MHz的信道使用，但其通信的優(yōu)先級(jí)別要低些。使用10 MHz較小的帶寬,一方面是為了增加在車載環(huán)境下對(duì)多徑傳播的抗衰弱能力，減少了多普勒的散射效應(yīng)，另一方面增加的警戒間隔也減少了多路徑傳輸所造成的碼間干擾。

圖1 DSRC頻率劃分

2 信道特性仿真

通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸質(zhì)量與信道的性能密切相關(guān)，與光纖等有線信道相比，無線信道處于開放的電磁環(huán)境中，更容易受到衰落、干擾、噪聲等多種因素的影響。而DSRC通信信道除了具有一般無線信道的特征外，還存在快速移動(dòng)等特有情況。典型的DSRC通信有路車通信(R2V)和車車通信(V2V)兩種方式。R2V是指車輛和路邊設(shè)備進(jìn)行通信，屬于移動(dòng)設(shè)備和固定設(shè)備的通信過程。V2V是指車輛和車輛之間進(jìn)行通信，屬于移動(dòng)設(shè)備之間的通信。充分掌握DSRC系統(tǒng)無線信道的特征，可以為提出改善系統(tǒng)通信質(zhì)量的技術(shù)方案提供參考，從而保證R2V和V2V通信的可靠性。

2.1 仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

基于Agilent N5106A基帶信號(hào)發(fā)生器與信道仿真器搭建的面向DSRC通信信道的仿真測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。N5106A具有120MHz的調(diào)制帶寬，能夠模擬各種通信信道。本儀器配備了8路實(shí)時(shí)衰落仿真器，支持的信道衰落類型包括Rayleigh、Pure Doppler、Rician、Suzuki等， 多普勒功率譜頻譜形狀有 classical 3db，classical 6db，flat，rounded，jake classical和jake rounded。由圖2可見，該系統(tǒng)還包括了一臺(tái)矢量信號(hào)發(fā)生器E4438C和一臺(tái)信號(hào)分析儀N9020A，E4438C和N5106A之間的控制信號(hào)通過LAN口連接，數(shù)據(jù)信號(hào)通過數(shù)據(jù)總線（Digital Bus）傳輸。

表2 DSRC系統(tǒng)信道模型

圖2 DSRC信道仿真測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。首先使用Agilent的N7617B Signal Studio軟件生成符合IEEE 802.11p協(xié)議的理想基帶信號(hào)數(shù)據(jù)文件，該數(shù)據(jù)文件經(jīng)過N5106A產(chǎn)生基帶信號(hào)，并通過信道模擬器得到包含信道特性的基帶信號(hào)。N5106A產(chǎn)生的信號(hào)通過Digital Bus輸入信號(hào)發(fā)生器E4438C，由該儀器將基帶信號(hào)調(diào)制到5.9GHz的載波上，經(jīng)過射頻輸出端輸出到信號(hào)分析儀N9020A進(jìn)行分析。

2.2 仿真測(cè)試實(shí)例

DSRC系統(tǒng)信道模型如表2所示。圖3至圖6給出了不同信道條件下信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。其中，圖3為信號(hào)通過白噪聲信道后產(chǎn)生的星座圖，其中EVM（誤差向量幅度）為-27.62dB，CPE（同相位誤差）為0.903%rms。由于車車通信，可能存在直射路徑，因此圖4給出了信號(hào)經(jīng)過信道3模型，即在單徑萊斯分布的作用下，多普勒頻移為1345Hz，路徑損耗為-14.2dB，K因子為5.7時(shí)的測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明，此時(shí)EVM上升為-3.047dB，CPE上升為6.938%rms，說明在該種信道作用下，信號(hào)的接收質(zhì)量顯著下降。圖5給出了信號(hào)經(jīng)過信道7模型，即在單徑瑞利衰落，多普勒頻移為1522Hz，路徑損耗為-27.9dB時(shí)的測(cè)試結(jié)果，此時(shí)，EVM為-16.791dB，CPE為5.542%rms。圖6給出了信號(hào)經(jīng)過信道11模型，即信號(hào)在單徑瑞利衰落，多普勒頻移為1562Hz，路徑損耗為-27.9dB時(shí)的測(cè)試結(jié)果，圖中EVM為-16.065dB，CPE為1.455%rms。比較圖5和圖6，說明了在類似的信道作用下，信號(hào)接收質(zhì)量存在一定的隨機(jī)性。另外，這兩條路徑的延時(shí)分別為400ns和700ns，在幀結(jié)構(gòu)的保護(hù)時(shí)隙范圍之內(nèi)，因此可以通過均衡消除延時(shí)的影響。

圖3 白噪聲信道測(cè)試結(jié)果

圖4 信道3測(cè)試結(jié)果

圖5 信道7測(cè)試結(jié)果

圖6 信道11測(cè)試結(jié)果

3 小結(jié)

本文搭建了面向DSRC應(yīng)用的無線信道仿真和測(cè)試系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的工作流程和測(cè)試方法，根據(jù)DSRC信道模型，給出4種典型信道的測(cè)試結(jié)果。本文工作為ITS系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

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