移動散射體下的V2V信道相關(guān)性和多普勒譜特性研究

梁曉林 趙雄文 李亦天

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移動散射體下的V2V信道相關(guān)性和多普勒譜特性研究

梁曉林①趙雄文*①②③李亦天①

①(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206)②(中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及模化技術(shù)國防科技重點實驗室 青島 266107)③(東南大學(xué)移動通信國家重點實驗室 南京 210096)

該文首次提出兩種典型的移動散射體存在的車輛對車輛(V2V)的無線傳播信道模型，一種是基于一次散射發(fā)射(SBT)和一次散射接收(SBR)的信道，另一種是基于兩次散射(DB)的信道，并在這兩種模型的基礎(chǔ)上給出了同時包含一次散射發(fā)射，一次散射接收，兩次散射和視距(LOS)分量的信道模型。在假設(shè)移動散射體的運動速度和方向都隨機(jī)且運動速度較小和較大的散射體速度分別用指數(shù)分布和混合高斯分布來描述的情況下，給出了這些傳播信道的復(fù)增益，通過計算得到了信道的自相關(guān)函數(shù)(ACF)和多普勒功率譜密度(PSD)。文中還將理論計算得到的多普勒譜與已有文獻(xiàn)的測量結(jié)果進(jìn)行了對比，兩者符合得較好。

車輛到車輛通信；移動散射體；自相關(guān)函數(shù)；多普勒功率譜密度

1 引言

車輛與車輛(Vehicle to Vehicle, V2V)之間的通信是第5代移動通信所關(guān)注的傳輸技術(shù)之一，V2V信道模型和特性研究對未來V2V通信系統(tǒng)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化有重要意義。現(xiàn)在有很多不同的V2V信道模型，文獻(xiàn)[1-3]提出了基于幾何的V2V信道模型，其中雙環(huán)模型[1]是基于幾何模型的典型代表，它給出了V2V信道的統(tǒng)計特征。文獻(xiàn)[4]給出了測量得到的頻率選擇性V2V信道的多普勒譜。文獻(xiàn)[5]開展了窄帶V2V信道的測量和V2V信道特性研究。文獻(xiàn)[6]開展了多輸入多輸出的V2V信道測量研究。固定端到車輛(F2V)和收發(fā)端都固定(F2F)的通信信道作為V2V信道的特殊情況在文獻(xiàn)[7,8]中進(jìn)行了研究。以上這些信道模型都假設(shè)散射體是固定的，然而移動散射體在實際環(huán)境中是客觀存在的，例如由于風(fēng)引起移動的植被，移動的行人和移動的車輛等。

目前，只有少量的文獻(xiàn)[9-13]研究了當(dāng)移動散射體存在時的信道特性問題。在無線通信中，多普勒效應(yīng)會引起信號的頻率擴(kuò)展。通常多普勒效應(yīng)由發(fā)射端或接收端的移動產(chǎn)生，但當(dāng)收發(fā)端都固定而周圍散射體移動時也會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[9]。在文獻(xiàn)[9,10]中，分別給出了具有確定速度和確定方向的移動散射體對F2F, F2V信道的影響。除此之外，文獻(xiàn)[11]給出了基于幾何基礎(chǔ)上的速度確定，移動方向隨機(jī)變化的散射體對V2V信道的影響。文獻(xiàn)[12,13]研究了當(dāng)移動散射體的運動速度和方向都隨機(jī)時對V2V信道的影響，但是只考慮了收發(fā)端之間一次散射的情況。然而在實際環(huán)境中，一次散射可能既發(fā)生在發(fā)射端附近也發(fā)生在接收端附近，也可能在收發(fā)端間經(jīng)過二次散射。針對這兩種情況，本文首次提出了兩種新的移動散射體的運動速度和方向都隨機(jī)的V2V信道模型。文中給出了這兩種典型傳播信道模型的信道復(fù)增益并通過計算得到了這兩種信道模型的自相關(guān)函數(shù)(ACF)的解析式，對ACF做傅里葉變換則可以得到相應(yīng)的多普勒功率譜密度(PSD)。文中基于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)感興趣頻段開展了PSD模擬研究，同時也與毫米波F2F場景下的測試結(jié)果進(jìn)行了比較研究。本文給出的V2V模型具有普遍性，可通過變換本文得到的V2V信道模型參數(shù)得到F2F和F2V模型，也可應(yīng)用于毫米波信道多普勒譜的研究工作。

2 V2V信道的自相關(guān)函數(shù)

本文首次提出了兩種典型的當(dāng)移動散射體存在時V2V的傳播信道模型并通過計算得到相應(yīng)的ACF。信道模型1如圖1所示，信號從發(fā)端(Tx)到收端(Rx)過程中經(jīng)過Tx附近的移動散射體一次散射后直接到達(dá)Rx的分量，稱之為一次散射發(fā)射(SBT)分量，經(jīng)過Rx附近的移動散射體一次散射后直接到達(dá)Rx的分量，稱之為一次散射接收(SBR)分量。信道模型2如圖2所示，信號從Tx到Rx過程中經(jīng)過兩次移動散射體散射后到達(dá)Rx，稱之為二次散射(DB)分量。移動散射體的速度分布有多種[9,12]，通過文獻(xiàn)[12]可知負(fù)指數(shù)分布能夠很好地描述運動速度較小的散射體的速度分布，混合高斯(GM)分布能夠很好地描述運動速度較大的散射體的速度分布。負(fù)指數(shù)分布和GM分布分別如式(1)和式(2)所示。

(2)

2.1 一次散射發(fā)射和接收分量

如圖1所示，假設(shè)發(fā)端Tx周圍有個有效的移動散射體，第個有效散射體表示為,，運動速度為，運動方向為。收端Rx周圍有個有效的移動散射體，第個有效散射體表示為,，運動速度為，運動方向為。Tx和Rx在運動方向和確定的方向下，分別以和的速度運動，并且假設(shè)收發(fā)機(jī)都配備的是單個全向天線。鑒于高的路徑損耗，本文只考慮發(fā)端和收端周圍的有效散射體。信號在Tx到Rx傳輸過程中考慮SBT和SBR分量。SBT分量從Tx到Rx過程中只在Tx附近散射體經(jīng)過一次散射，發(fā)射角(Angle of Departure, AoD)和相應(yīng)的接收角(Angle of Arrival, AoA)分別為和。SBR分量從Tx到Rx過程中只經(jīng)過Rx附近散射體一次散射，AoD和相應(yīng)的AoA分別為和。SBT和SBR分量的復(fù)增益如式(3)和式(4)所示。

圖1 一次散射發(fā)射和一次散射接收幾何信道模型

(4)

(7)

2.2 二次散射分量

(9)

圖2 二次散射幾何信道模型

(11)

2.3 包含一次散射、二次散射和視距分量的信道

視距分量即從發(fā)射端Tx到接收端Rx的直達(dá)信號，LOS分量的AoD約為0, AoA約為。LOS分量的信道復(fù)增益為，由收發(fā)機(jī)運動引起的多普勒頻率的計算方法如式(12)所示。通過自相關(guān)函數(shù)的定義式計算得到LOS分量的ACF如式(13)所示。

(13)

當(dāng)信號從Tx到Rx的傳輸過程中同時包含SBT, SBR, DB和LOS分量時，信道的復(fù)增益為

3 數(shù)值結(jié)果

基于IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)，在本文數(shù)值計算中載頻為。我們選用負(fù)指數(shù)分布(exp)來描述運動速度較小的散射體的速度分布，假設(shè)平均速度。選用雙高斯混合分布(GM)來描述運動速度較大的散射體的速度分布，即,,,,。Tx和Rx的運動速度，運動角度分別為。假設(shè)信號的功率。通過對第2節(jié)中得到的信道的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換可以得到相應(yīng)的多普勒功率譜密度。為了研究不同的移動散射體對信道的影響，我們比較分析了本文模型中分別存在一次散射收發(fā)分量、二次散射分量以及一、二次散射分量共存時的ACF與PSD并與文獻(xiàn)[12]中只考慮Tx和Rx之間的一次散射分量的理論結(jié)果進(jìn)行了比較研究。除此之外，本文還與文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[14]中的測量結(jié)果進(jìn)行了對比。

3.1 一次散射發(fā)射和接收V2V信道的ACF和PSD

圖3給出了一次散射發(fā)射和一次散射接收V2V信道的ACF并與只有固定散射體的情形作了對比。假設(shè)SBT分量的移動散射體速度較小服從負(fù)指數(shù)分布，將此速度分布代入式(7)即可得到SBT分量的ACF。假設(shè)SBR分量的移動散射體速度較大服從雙高斯混合分布，將速度分布代入即可得到SBR分量的ACF。從圖3可以看出當(dāng)橫軸時間差比較小時，發(fā)端附近散射體速度很小時(SBT, exp)的ACF與只有固定散射體時的ACF非常接近，收端附近散射體速度很大時(SBR, GM)的ACF與只有固定散射體的ACF相差比較大。還可以看出對應(yīng)于SBT和SBR分量的ACF介于SBT分量和SBR分量的ACF之間。在考慮一次散射收發(fā)分量時，移動散射體的速度相對于收發(fā)端運動速度較小時，其ACF接近固定散射體的自相關(guān)函數(shù)，對同一時間差，移動散射體的速度越大，其ACF越小。

圖4給出了相應(yīng)的PSD，可以看出SBT分量的PSD和只有固定散射體的PSD比較接近，還可以看出SBR分量的PSD與包含SBT和SBR的PSD更為接近，因為SBR散射體速度相比收發(fā)機(jī)的運動速度要大，SBT散射體速度相對于SBR散射體速度很小。因此，當(dāng)發(fā)端(收端)一次散射體運動速度相對于收發(fā)機(jī)或收端(發(fā)端)移動散射體的運動速度較小時，其對多普勒的影響很小。

3.2 二次散射V2V信道的ACF和PSD

圖5給出了包含DB分量和只有固定散射體時V2V信道的ACF。我們分析了兩次散射的移動散射體的3種速度情況：(1)兩次散射的散射體的運動速度都很小，假設(shè)均服從負(fù)指數(shù)分布(exp, exp)；(2)一次散射的散射體的運動速度很小，另外一次散射的散射體運動速度很大，假設(shè)散射體速度較小的速度服從負(fù)指數(shù)分布，速度較大的服從雙高斯混合分布(exp, GM)；(3)兩次散射的散射體的運動速度都很大，均服從雙高斯混合分布(GM, GM)。將負(fù)指數(shù)速度分布和混合高斯速度分布代入式(11)即可得到這3種速度情況下包含DB分量的V2V信道的自相關(guān)函數(shù)。從圖5可以看出當(dāng)時間差較小時，移動散射體的速度越大，ACF越小。并且可以看出經(jīng)過兩次運動速度很小的散射體散射時與只有固定散射體的V2V信道的ACF的差距要比圖3中只經(jīng)過一次運動速度很小的散射體散射時與只有固定散射體的V2V信道的ACF的差距要大。

圖6給出了相應(yīng)的DB分量的PSD。從圖6可以看出散射體的移動速度越大，多普勒功率譜密度擴(kuò)展就越大，頂端越平滑。還可以看出經(jīng)過兩次速度都很小的移動散射體散射時的PSD相比只有固定散射體的PSD差距也比較大，即經(jīng)過兩次運動速度很小的散射體散射時對二次散射分量的多普勒譜的影響是比較大的。

圖3 包含SBT和SBR分量的V2V信道的自相關(guān)函數(shù)

圖4 包含SBT和SBR分量的V2V信道的多普勒功率譜密度

圖5 包含DB分量的V2V信道的自相關(guān)函數(shù)

3.3 ACF和PSD在4種不同傳播情形下的對比

圖8給出了相應(yīng)的多普勒功率譜密度PSD，可以看出文獻(xiàn)[12]中只包含SB分量的PSD與本文的包含SBT和SBR分量的PSD非常接近，只有DB分量的PSD與之相比要大得多且頂部更為平滑。還可以看出包含SBT, SBR和DB分量的PSD比文獻(xiàn)[12]中只包含SB分量的PSD要大一些。

從而可以得出結(jié)論，在收發(fā)機(jī)之間只經(jīng)過一次散射時，考慮SBT和SBR分量的ACF和PSD與只考慮SB分量的結(jié)果很接近。收發(fā)機(jī)之間經(jīng)過二次散射時的ACF要比只經(jīng)過一次散射的小，PSD要比只經(jīng)過一次散射時大。在一次、二次散射都存在時，一次散射對信道的影響比較大，二次散射的作用較小但在信道分析中是不可以完全忽略的。

3.4 理論計算與測量結(jié)果的對比

圖9給出了通過對式(15)進(jìn)行傅里葉變換得到的V2V信道的PSD和文獻(xiàn)[14]圖6中城市環(huán)境下測量得到的PSD的對比。在文獻(xiàn)[14]中只有收發(fā)端在運動，不存在其他移動散射體，所以在本文的理論計算中，移動散射體的速度都設(shè)置為0，其他參數(shù)采用與文獻(xiàn)[14]相同的參數(shù)設(shè)置，即傳輸信號包含分量SBT, SBR, DB和LOS分量且功率比例因子為,,，萊斯因子，載頻。由圖9可以看出，本文的理論計算值和文獻(xiàn)[14]中的測量值比較接近。

圖10給出了通過對式(15)進(jìn)行傅里葉變換得到的F2F信道的PSD和文獻(xiàn)[12]圖10中在收發(fā)端固定且其周圍存在移動散射體(行駛車輛)場景下測量的PSD的對比。在文獻(xiàn)[12]中信號只包含一次散射分量，所以本文在理論計算中假設(shè)只包含SBT和SBR分量，功率比例因子設(shè)置為,,，萊斯因子=0。在比較中本文采用與文獻(xiàn)[12]相同的參數(shù)設(shè)置，即收發(fā)端運動速度，載頻。從圖10可以看出，本文的理論計算值和文獻(xiàn)[12]中的測量值非常接近。

圖6 包含DB分量的V2V信道的多普勒功率譜密度

圖7 速度為均勻分布時4種情形的自相關(guān)函數(shù)在F2F信道的對比

圖8 速度為均勻分布時4種情形的多普勒功率譜密度在F2F信道的對比

圖9 理論計算和文獻(xiàn)[14]測量得到的PSD在沒有移動散射體的V2V信道的對比

圖10 理論計算和文獻(xiàn)[12]測量得到的PSD在有移動散射體的F2F信道的對比

4 結(jié)論

本文首次提出了在移動散射體的運動速度和方向都隨機(jī)變化時車輛對車輛的兩種無線信道傳播模型，一種是含一次散射發(fā)射和一次散射接收的信道模型，另一種是包含二次散射的信道模型，研究了這兩種典型V2V信道模型的信道復(fù)增益，并通過計算得到了這兩種模型的自相關(guān)函數(shù)和多普勒功率譜密度。在這兩種模型的基礎(chǔ)上還給出了同時包含一次散射發(fā)射和接收，二次散射和視距分量的傳播模型。文中分別用指數(shù)分布和混合高斯分布來描述運動速度較小和較大的散射體速度。研究發(fā)現(xiàn)運動速度很小的散射體對一次散射的V2V信道的ACF和PSD影響很小，但對二次散射的V2V信道的ACF和PSD影響比較大；運動速度較大的散射體對一次和二次散射的V2V信道的影響都很大。在收發(fā)端都固定的情況下，比較了基于本文提出的一次散射發(fā)射，一次散射接收和二次散射分量的信道模型和現(xiàn)有文獻(xiàn)中只考慮收發(fā)端間一次散射的信道模型的ACF和PSD，對同一時間差和多普勒頻移，發(fā)現(xiàn)本文包含SBT和SBR分量信道的ACF和PSD和只考慮SB分量的結(jié)果很接近，經(jīng)過二次散射信道的ACF要比只經(jīng)過一次散射的小，PSD要比一次散射的大。對存在一次和二次散射的信道，二次散射分量貢獻(xiàn)相對要小，但在信道的精確分析中是不可完全忽略的。除了理論分析，本文還與已有文獻(xiàn)中的測量值進(jìn)行了對比，結(jié)果符合得很好，從而驗證了本文提出模型的正確性。本文模型具有普遍性，可應(yīng)用到毫米波段信道多普勒譜研究。

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Impact of Moving Scatterers in Channel Correlations and Doppler Spectral Densities for Vehicle-to-vehicle Communications

LIANG Xiaolin①ZHAO Xiongwen①②③LI Yitian①

①(,,102206,)②(,,266107,)③(,,210096,)

Two typical Vehicle-To-Vehicle (V2V) propagation channel models are proposed for the first time. One is that the channel is composed by Single-Bounce Transmit (SBT) and Single-Bounce Receive (SBR)components. The other is that the channel is composed by Double-Bounce (DB) components. Based on the two models, another model consisting of SBT, SBR, DB, and LOS components is proposed. It is assumed that the local scatterers move with random velocities in random directions and the velocity distributions of the moving scatterers with low and high speed are assumed to follow exponential and Gaussian Mixture (GM) distributions, respectively. The complex channel gains of the proposed V2V channel models are proposed, and the corresponding AutoCorrelation Function (ACF) and Doppler Power Spectral Density (PSD) are derived. The theoretical results are also compared with the available PSDs by measurements and good agreements are found between them.

Vehicle-To-Vehicle (V2V) communication; Moving scatterers; AutoCorrelation Function (ACF); Doppler Power Spectral Density (PSD)

TN929.5

A

1009-5896(2017)03-0613-06

10.11999/JEIT160412

2016-04-26；改回日期：2016-09-06；

2016-11-14

趙雄文 zhaoxw@ncepu.edu.cn

中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及模化技術(shù)國防科技重點實驗室(201400009)，東南大學(xué)移動通信國家重點實驗室開放研究基金(2016D09)，國家自然科學(xué)基金(61372051)

The Open Research Funds of National Key Laboratory of Electromagnetic Environment, China Research Institute of Radio Wave Propagation (201400009), The National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (2016D09), The National Natural Science Foundation of China (61372051)

梁曉林：女，1988年生，博士生，研究方向為M2M MIMO寬帶無線信道模型和MIMO電力線信道及其傳播特性.

趙雄文：男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域是MIMO無線通信信道?；蛯嶒灐o線通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)通信、電磁場理論及其應(yīng)用、頻譜管理和干擾協(xié)調(diào)技術(shù)等.

李亦天：女，1994年生，碩士生，研究方向為M2M MIMO無線信道建模及其與物理層算法的結(jié)合.