基于5.9 GHz實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的車-車無(wú)線信道特性研究*

李昌振 于俊逸 陳 偉 楊 堃

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1) 武漢 430070) (Super Radio AS2) 奧斯陸 1281)

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基于5.9 GHz實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的車-車無(wú)線信道特性研究*

李昌振1)于俊逸1)陳 偉1)楊 堃2)

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1)武漢 430070) (Super Radio AS2)奧斯陸 1281)

車-車無(wú)線通信信道參數(shù)經(jīng)常隨時(shí)間變化，并且快速的變化也會(huì)影響無(wú)線信道的特征.針對(duì)車-車無(wú)線信道的特點(diǎn)，為了準(zhǔn)確分析和研究相關(guān)信道特征，利用5.9 GHz頻段的高精度無(wú)線信道測(cè)量?jī)x對(duì)該無(wú)線信道的進(jìn)行了場(chǎng)景測(cè)量.對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)延域、頻域參數(shù)進(jìn)行了精確提取，并分別對(duì)其功率時(shí)延譜、時(shí)延擴(kuò)展、時(shí)延多普勒譜等信道參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述.分析數(shù)據(jù)表明，該信道90%的平均時(shí)延 (Mean-delay) 集中分布在940 ns以內(nèi)，90%的均方根時(shí)延擴(kuò)展(RMS-delay) 分布在1 800 ns以內(nèi)；同時(shí)信道估計(jì)出有48 Hz的最大多普勒頻移，與實(shí)際情況相吻合.通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量活動(dòng)過(guò)程中最大多普勒頻移的分布情況與實(shí)際測(cè)量路線吻合.

無(wú)線信道；V2V；時(shí)延擴(kuò)展；多普勒頻移

0 引 言

車-車(vehicle to vehicle,V2V) 無(wú)線通信通過(guò)建立車與車、車與地面設(shè)備之間的特有通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)其車載之間的數(shù)據(jù)共享和傳遞，可以更大程度上提高地面交通效率、保障交通安全.

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，V2V無(wú)線通信的發(fā)射端 (TX)、接收端(RX)在大多數(shù)情況下處于較快的移動(dòng)狀態(tài)且基本位于同一高度，故而不同于傳統(tǒng)的蜂窩通信[1-3]，需要對(duì)其進(jìn)行專門的研究與分析.文獻(xiàn)[2]在射線跟蹤技術(shù)和場(chǎng)景測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)5.6 GHz頻段城區(qū)十字路口環(huán)境的V2V信道特征，如功率時(shí)延分布、信道增益等進(jìn)行了研究；考慮到信道參數(shù)會(huì)隨著環(huán)境的不同而發(fā)生變化，文獻(xiàn)[3-4]分別針對(duì)郊區(qū)環(huán)境、城區(qū)環(huán)境、鄉(xiāng)村環(huán)境和高速環(huán)境進(jìn)行了信道建模；在文獻(xiàn)[5]中，對(duì)5 GHz下反向高速行駛車輛之間的信道路徑損耗、功率時(shí)延譜、多普勒擴(kuò)展等進(jìn)行了分析；而文獻(xiàn)[6-7]則給出了2.4 GHz頻段同向行駛的車輛之間的信道描述.

為準(zhǔn)確分析V2V信道的有關(guān)特性，測(cè)量場(chǎng)景設(shè)定在兩輛同向行駛車輛之間，并針對(duì)802.11p標(biāo)準(zhǔn)下的5.9 GHz頻段進(jìn)行了無(wú)線信道測(cè)量，并對(duì)該場(chǎng)景下無(wú)線信道的功率時(shí)延分布、時(shí)延擴(kuò)展、時(shí)延多普勒譜等參數(shù)進(jìn)行了提取和研究.

1 測(cè)量活動(dòng)描述

1.1 測(cè)量設(shè)備安裝

車-車無(wú)線信道測(cè)量的2個(gè)移動(dòng)端分別是一輛轎車和一輛貨車.收、發(fā)射天線 (RX,TX) 分別置于2車的頂部，見圖1.測(cè)量主要設(shè)備——無(wú)線信道測(cè)量?jī)x (channel sounder,CS) 由挪威Super Radio AS公司提供.該設(shè)備可用于測(cè)量無(wú)線信道的時(shí)域和空域的相關(guān)特性，并且可以用于精確測(cè)量信道特性，其工作的中心頻率為5.9 GHz，發(fā)射帶寬為100 MHz的Chirp 信號(hào)，每拍 (snapshot) 時(shí)間間隔：1 200 μs，其他各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置見表1.

圖1 基本測(cè)量結(jié)構(gòu)

表1 測(cè)量設(shè)備參數(shù)設(shè)置

1.2 信號(hào)處理方法

根據(jù)CS的相關(guān)設(shè)計(jì)，測(cè)量數(shù)據(jù)是以大小為N×K的矩陣形式保存的.其中，N=833，為時(shí)間序列；K=2 560，為時(shí)延序列，即每1 s內(nèi)接收到的Chirp信號(hào)數(shù)為833個(gè)，每個(gè)Chirp信號(hào)分別對(duì)應(yīng)2 560個(gè)采樣點(diǎn).將測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傅里葉反變換可以得到復(fù)數(shù)形式的信道沖激響應(yīng) (CIR)，文中用h(t,τ)表示.以信道沖激響應(yīng)h(t,τ)為基本數(shù)據(jù)，對(duì)其在不同維度上進(jìn)行計(jì)算，即可以獲取到相應(yīng)的信道特性值.

1.3 測(cè)量場(chǎng)景設(shè)計(jì)

測(cè)量活動(dòng)在上海市嘉定區(qū)曹安公路24號(hào)橋 (121°10′57″ E，31°17′16″ N)附近進(jìn)行.測(cè)量活動(dòng)過(guò)程中2車以橋西為起點(diǎn)向橋東同向行駛 (車速為60～70 km/h).而橋梁兩側(cè)的建筑、旁邊車道行駛的車輛，以及些許企業(yè)廠房則可視為反射的主要來(lái)源.

2 信道參數(shù)提取與研究

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)合測(cè)量場(chǎng)景、設(shè)備的相關(guān)信息，進(jìn)而對(duì)5.9 GHz頻段下車-車無(wú)線通信信道的功率時(shí)延分布、平均時(shí)延、均方根時(shí)延擴(kuò)展和時(shí)延-多普勒譜等重要信道參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)與分析，計(jì)算和數(shù)據(jù)分析如下.

2.1 功率-時(shí)延分布

無(wú)線信道可以描述為沖激響應(yīng)，而無(wú)線信道多數(shù)情況下是時(shí)變的，沖激響應(yīng)h(t,τ)也會(huì)隨時(shí)間的改變而發(fā)生變化.這很大程度上增加了信道分析與建模的難度.為了解決此類問(wèn)題，Bello給出的廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射 (WSSUS)模型(即散射體的不同時(shí)延之間不相關(guān)，散射體的不同多普勒頻移之間也不相關(guān)[8])被專門用于描述像文中所涉及的頻率非選擇性信道.在該模型中可假定當(dāng)移動(dòng)單元所覆蓋的距離小于載波信號(hào)的幾十個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，信道處于“準(zhǔn)平穩(wěn)”狀態(tài)[9].

參照WSSUS假設(shè)，信道的沖激響應(yīng)h(t,τ)可以表述為

(1)

式中：ai為每個(gè)時(shí)延路徑隨時(shí)間變化的復(fù)系數(shù)；τi為第i個(gè)路徑的時(shí)延.進(jìn)而功率-時(shí)延譜 (見圖2) 可由復(fù)沖激響應(yīng)h(t,τ)變換得到

圖2 功率-時(shí)延譜(歸一化)

由式(2)可知，即使在廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射(WSSUS)的假設(shè)條件下，功率-時(shí)延譜P(t,τ)仍然包含2個(gè)變量，對(duì)其的分析仍舊比較復(fù)雜.如要進(jìn)一步減少變量、精簡(jiǎn)參數(shù)，最直接的方法就是對(duì)時(shí)間t內(nèi)的功率時(shí)延分布進(jìn)行均值求解，所得平均功率時(shí)延譜(見圖3)為

(3)

式中：E{·}為平均算子.

圖3 平均功率-時(shí)延分布(歸一化)

圖2為測(cè)量過(guò)程中第85 s功率時(shí)延分布的計(jì)算結(jié)果.而此無(wú)線信道在這1 s時(shí)間段內(nèi)的平均功率時(shí)延分布則由圖3給出.該平均功率時(shí)延分布結(jié)果顯示，信道的直射(LOS)徑位于680 ns時(shí)延處，而在720 ns時(shí)延處，信號(hào)第一次出現(xiàn)了較為強(qiáng)烈的反射.根據(jù)計(jì)算可以得出，上述2徑的路程差共有12 m.此外，結(jié)合測(cè)量場(chǎng)景描述中的相關(guān)信息，隨后出現(xiàn)在不同時(shí)延處的大量“反射簇”，則可能是由于橋梁周圍的障礙物和其他車道行駛的車輛所引起的.

2.2 平均時(shí)延和均方根時(shí)延擴(kuò)展

時(shí)延擴(kuò)展是一個(gè)與傳播環(huán)境等因素密切相關(guān)的統(tǒng)計(jì)變量，是對(duì)多徑信道時(shí)延特性的一種統(tǒng)計(jì)描述.大量的實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)果表明，均方根時(shí)延擴(kuò)展會(huì)對(duì)由時(shí)延色散引起的差錯(cuò)基底產(chǎn)生直接的影響.因此，對(duì)Mean-delay和RMS-delay的研究是十分必要的.

以2.1中的功率時(shí)延分布為基礎(chǔ)，平均時(shí)延(歸一化一階矩)與均方根時(shí)延擴(kuò)展 (歸一化二階中心矩) 的計(jì)算方法如下所示.

將式(3)中P(t,τ)在時(shí)間t上進(jìn)行積分

(4)

平均時(shí)延可以表示為

(5)

均方根時(shí)延擴(kuò)展為

(6)

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)選徑、去噪(噪聲門限為10 dB[10])，結(jié)合式(5)～(6)可得，該信道的平均時(shí)延、均方根時(shí)延擴(kuò)展分別為：830、1 300 ns.圖4～5分別描述了二者的概率密度分布(PDF)情況.

圖4 平均時(shí)延概率密度分布

圖5 均方根時(shí)延擴(kuò)展概率密度分布

另一方面，由它們的累積概率分布函數(shù) (CDF) ，見圖6～7，可得其分布情況見表2.

圖6 平均時(shí)延累積概率分布

圖7 均方根時(shí)延累積概率分布

2.3 多普勒頻譜

多普勒頻率是信道中可以度量其變化速率的一個(gè)重要參數(shù).當(dāng)發(fā)射端和接收端互相靠近時(shí)，多普勒頻移為正值；相反，多普勒頻移為負(fù).然而由于移動(dòng)端的速度遠(yuǎn)小于光速，因此多普勒頻移數(shù)值很小，一般地，其典型值為1 Hz～1 kHz.

對(duì)復(fù)沖激響應(yīng)h(t,τ)關(guān)于變量t進(jìn)行傅里葉變換，可得到多普勒變化沖激響應(yīng)為

(7)

式(7)中的函數(shù)描述了信號(hào)在時(shí)延和多普勒域的擴(kuò)展.類似于功率時(shí)延譜的變換過(guò)程，時(shí)延多普勒譜可以通過(guò)多普勒變化沖激響應(yīng)變換得到

(8)

圖8給出了1 s時(shí)間段內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)的多普勒域分析.根據(jù)表1中的參數(shù)設(shè)置可知，該段時(shí)間內(nèi)共包含有833個(gè)Chirp信號(hào)，多普勒譜的分辨率為：Δν= 1 Hz (頻率范圍：-416≤ν≤416 Hz).

圖8 1 s內(nèi)時(shí)延-多普勒分布譜

圖中能量值為歸一化之后的結(jié)果，其最大值，即圖中最亮點(diǎn)，位于680 ns時(shí)延處，對(duì)應(yīng)多普勒頻移為：48 Hz(即TX-RX之間的相對(duì)速度為2.44 m/s).而直射徑以外的高亮區(qū)域，則是由于其他車道的車輛以及道旁障礙物反射帶來(lái)的多普勒頻移造成的.此外，“+48 Hz”的估計(jì)結(jié)果也很好的印證了測(cè)量過(guò)程中兩車同向而行，后車速度稍微快于前車的這一事實(shí).

為了更進(jìn)一步地分析整個(gè)測(cè)量活動(dòng)過(guò)程中多普勒頻移的變化情況，圖9展示了93 s的全部測(cè)量時(shí)間內(nèi)最大多普勒頻移的分布.測(cè)量活動(dòng)開始后的一段時(shí)間，最大多普勒頻移由負(fù)值向正值變化，而在此過(guò)程中由于前車處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，其速度降低，兩車正在靠近.同理，當(dāng)后車處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時(shí)，兩車遠(yuǎn)離，最大多普勒值由正變負(fù)，之后，兩車恢復(fù)同向行駛，處于穩(wěn)定狀態(tài).與圖3所示的實(shí)際測(cè)量路線吻合.

圖9 測(cè)量過(guò)程中最大多普勒頻移變化

3 結(jié) 束 語(yǔ)

文中對(duì)5.9 GHz車-車無(wú)線通信信道進(jìn)行了信道測(cè)量，在WSSUS假設(shè)的前提條件下，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)延域參數(shù)估計(jì)得：該信道90%的平均時(shí)延集中分布在940 ns以內(nèi)，90%的均方根時(shí)延擴(kuò)展分布在1 800 ns以內(nèi).此外，經(jīng)過(guò)多普勒域分析，+48 Hz的多普勒頻移表明，2車的相對(duì)位置正在接近，而這也與實(shí)際行車速度和環(huán)境相符合.

通過(guò)分析整個(gè)測(cè)量活動(dòng)過(guò)程中最大多普勒頻移的分布情況，其與實(shí)際測(cè)量路線也吻合.

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LI Changzhen1)YU Junyi1)CHEN Wei1)YANG Kun2)

(SchoolofAutomation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(SuperRadioAS,Oslo1281,Norway)2)

The vehicle-to-vehicle (V2V) wireless channel behaves with fast time-varying due to the high mobility of vehicle. Therefore, in order to study the V2V radio channel properties precisely, a measurement campaign for V2V scenarios at 5.9 GHz is carried out in Shanghai. By estimating the channel parameters from the channel measurement data, the channel parameters including power delay profile, delay spread, delay-Doppler spread are given in the paper, respectively. It is found that 90% of the mean delay is within 940ns, while 90% of the RMS delay spread is within 1800ns. 48 Hz Doppler frequency shift is found in our measurement results, which matches well with theoretical calculations. By analyzing of the maximum Doppler shifts in the entire course of the measurement campaign, their distributions are found to be consistent with the measurement route.

radio channel; V2V; delay spread; Doppler frequency shift

2016-08-16

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51268051)

TN92 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.026

李昌振(1991- ):男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線通信