基于射線跟蹤的車－車通信信道建模

唐貫杰， 牛春誠， 伍東方

（長春工業大學 計算機科學與工程學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

最近幾年道路的交通密度越來越大，車輛數量的增多導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“零死亡率汽車”，而通向“零死亡率汽車”的關鍵之一就是車輛能夠向其鄰近的車輛及時發送自己的安全信息，如車速、油門狀態、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，就越能及時地做出反應避免危險的發生，這就使得車與車之間通信顯得格外重要。

與傳統的無線信道相比，車－車通信信道更具動態性、時變性以及節點的高速移動性，加之發送端和接收端都處于不斷的運動狀態，現有的無線網絡技術并不適用。最近幾年科學家們對車－車通信進行了大量的研究，研究內容主要包括兩個方面：車－車通信信道測量，用以了解車－車信道環境中的基本物理現象；車－車通信信道建模與仿真主要用于車－車通信系統的設計與優化。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計建模方法。確定性的建模方法是基于特定傳播場景下的準確描述，以完全確定的方式描述信道參數，再現物理波傳播的全過程。統計建模方法是根據信道各種統計特性獲得信道的相關參數，從而建立相應的信道模型，用該方法建立的模型復雜度低，便于使用，但是與實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，產生了信道的復雜脈沖響應特性。

1 車－車通信信道相關特性

1.1 多普勒擴展

車－車通信信道與傳統的手機信道有所不同，主要表現在頻率選擇、時間選擇以及相關的衰落統計上。移動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），每一個信號分量都會產生多普勒頻移。這就需要在接收端對所有的信號進行累加，將累加的結果與發送信號頻率進行比較，從而得到多普勒頻譜和多普勒擴展[3]。在車輛行駛過程中，假設發送車輛速度為vT，接收車輛速度為vR，則有效速度為veff：

相應的多普勒擴展fD表示為：

1.2 相干時間

車－車信道的時變性對于車－車通信網絡的設計者而言，是一個非常重要的信息。相干時間是信道保持恒定的最大時間差范圍，在該范圍中信道參數被認為是穩定的[4]。通常運用信道相干時間的知識對快衰落信道和慢衰落信道進行區分。研究表明，在手機信道中相干時間和多普勒擴展存在一定的逆關系，但是在車－車通信環境中它們的關系比例系數尚未知曉[3]。文獻[1]中提出，可以從在接收端通過接收到的包絡計算出信道的自相關函數，從而得到信道的相干時間。

2 車－車通信信道模型

2.1 交通環境模型

交通環境的詳細描述對于車－車通信信道建模至關重要[5]。當前的應用要求產生有代表性的交通環境，在此環境中需要包括移動的車輛、道路以及路邊環境。在該模型中，用大長方體盒子來模擬道路兩面的建筑物，假設建筑物都是混凝土材質的，小長方體盒子模擬發送端和接收端的車輛。在實際應用中需要獲取建筑物的面（主要是面向車道的面），因為這些面有可能作為反射面參與信號的傳播。

以發射車天線為原點O（0，0，0）建立三維直角坐標系（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）垂直于坐標面XOZ。

圖1 交通環境模型

發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時刻第l條路徑的發送方向和接收方向分別為

2.2 信道模型

在提出的交通環境模型中，要對波的多徑傳播做出詳細的描述，需要產生實時的信道脈沖響應序列。為了更加詳細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，該方法假設波長遠遠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，遞歸建立發射天線關于各個面的對稱點，最終的對稱點和接收點建立連線，尋找反射點，依次逆推，尋找各個面的反射點。在此過程中，一旦出現不符合實際的情況，即不能發射（對稱點和接收點的連線不能穿過平面區域、計算的反射點在平面區域內等），假設失敗，立即終止關于此平面序列的傳播路徑計算，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，根據反射次數n從少到多尋找合理的傳播路徑，當找到一條路徑，就將其插入到傳播路徑向量中并維護其有序性。

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

相干時間作為信道沖擊響應維持“不變”的時間間隔的統計平均，在接收端，分別在t1，t2，…，tm時刻對信號進行采樣得到對應的脈沖響應，如果所得脈沖響應的差額不大于一定的數值，則可得相干時間為tm－t1。

信道模型中，采用雙向時變脈沖響應，對L條解析路徑進行疊加。

ΩT發射方向；

ΩR接收方向；

hi第i個多徑分量的脈沖響應。

式中：aii個多徑分量的振幅；

Φi個多徑分量的相位；

τi第i個多徑分量的時延；

ΩT，i第i個多徑分量的發射方向；

ΩR，i第i個多徑分量的接收方向；

3 車－車通信信道建模未來挑戰

目前，車－車通信的主要標準是IEEE 802.11p，該項標準起源于802.11a，修改的導頻模式降低了接收端的復雜度[7]。為了加強車輛間通信的可靠性，研究人員提出在車輛中安裝多個發射天線，但是多天線的使用卻極大地增加了通信信道的復雜性，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，大多數情況下車－車通信信道都是隨機非穩定的。實際的車－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，這需要調查仰角以及各種信道統計的影響。

4 結 語

提出了一個適應于特定環境下車－車通信的信道模型，在波的傳播模型中，著重介紹了雙向時變復雜脈沖響應，并在脈沖響應的基礎上提出了一種計算相干時間的新方法，輸出了傳播路徑模型向量。輸出的結果為下一步進行信道衰落和多普勒擴展的仿真建模提供了依據。但是，在交通環境模型中，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一步展現。在提出的信道模型中僅僅描述了信道的相干時間和相干帶寬，相干時間與多普勒擴展之間是反比例關系，但是目前沒有文獻說明二者的具體關系，下一階段要建立信道的路徑消耗模型和相關衰落模型。

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

[2]賀智鐵.移動到移動（M2M）衰落信道建模及統計特性分析研究[D]：[碩士學位論文].武漢：武漢理工大學信息工程學院，2009.

[3]Lin Cheng.Doppler spread and coherence time of rural and highway vehicle－to－vehicle channels at 5.9 GHz[J].Global Telecommunications Conference.，2008（1）：6－9.

[4]Boegle H.A survey of V2Vchannel modeling for VANET simulations[J].Wireless on Demand Network Systems and Services（WONS），2011，11：117－123.

[5]Cheng Xiang Wang.Vehicle－to－vehicle channel and measurements：recent advances and future challenges[J].Communications Magazine，2009，47：96－103.

[6]Dottling M，Zwick T，Wiesbeck W.Ray tracing and imaging techniques in urban pico and micro cell wave propagation modeling [J].Antennas and Propagation Tenth International Conference，1997（2）：311－315.

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