車輛間通信信道的仿真模型分析

李世成，雷維嘉，陳 佳

(重慶郵電大學個人通信研究所，重慶 400065)

責任編輯:薛 京

隨著無線通信技術的發展，人們對無線通信應用的范圍和需求也隨之擴展。作為智能交通系統研究中關鍵性的熱點，車輛間通信越來越受到關注。車終端之間的通信帶來了許多新的應用，如在加強道路交通安全上和減少交通對環境影響的應用［1］和商業服務以及車載娛樂中的應用［2－4］等。傳統的車輛間通信系統需要架設交通信息中心來實現用戶的接入，這不僅需要較大的基站輻射功率，而且網絡中可能會存在傳輸的盲點，組網不夠靈活。近年來人們試圖將協作中繼技術用于車輛間通信系統，以期望實現車輛間通信在沒有交通信息中心的情況下靈活可靠地運作［5］。要研究快速變化信道中的車輛間通信，需要一個良好的在真實環境里測試過的物理層信道模型。

車輛間通信系統中的車終端與路邊設施之間的信道屬于平坦衰落信道，信道模型可采用傳統平坦衰落信道模型，如瑞利信道、Nakagami信道、萊斯信道等。而由于車終端間環境和通信方式的特殊性，如信道的快速時變性、收發終端同時移動性和車終端天線較低等，車輛間的信道統計特性與傳統的蜂窩無線網絡有非常大的區別［6－8］。因此，找到合適的車輛間自組織網絡信道模型仍然是一個研究的熱點。文獻［1］致力于網絡層仿真與物理層仿真的結合研究，介紹了3種車輛間通信信道。文獻［6］基于測試結果，提出了對5 GHz帶寬的車輛間信道的技術規范。文獻［7］描述了比較常用的信道模型方法，并側重描述了統計性模型和基于地理信息的信道模型。

本文對在仿真中常用的3種車輛間信道的模型進行介紹，對其統計模型、適用場景等進行分析，并給出誤碼率的性能仿真結果。

1 無線信道的特征

在無線通信系統中，信源發射的電磁波經過不同的路徑到達目的接收端，會產生“多徑效應”。多徑效應是發送電磁波與環境中的物體相互影響所造成的結果。在多徑傳播的條件下，由于不同路徑的信號到達接收天線的時間不一樣，因此接收的信號是由多個時延信號構成，會產生時延擴展。時延擴展是衡量多徑傳播信道質量的一個重要指標，具體定義為最大傳輸時延與最小傳輸時延的差值。在多徑信道中，均方根(RMS)時延擴展τRMS是量化時延擴展最常用的參數，其定義為

時延擴展是由多徑傳播引起的現象，而相干帶寬Bc是由均方根時延擴展得出的一個確定關系值。相干帶寬是在一定范圍內的頻率的統計測量值，該頻率范圍內的任意兩個頻率分量受到的信道影響具有很強的相關性。若相干帶寬內的各頻率分量的相關函數值大于0.5，則相干帶寬Bc與RMS時延擴展τRMS有如下關系［9］

如果發送信號帶寬小于無線信道的相干帶寬，那么接收信號經歷的衰落過程就屬于平坦衰落過程。在平坦衰落下，信道的多徑特性會使發送信號的頻譜結構在接收端保持不變，而多徑信道增益的起伏，會使接收信號的強度隨著時間變化。如果發送信號帶寬大于信道的相干帶寬，那么該信道特性會使得接收信號產生頻率選擇性衰落，并帶來符號間干擾。

以上考慮的都是沒有移動性的無線信道特性。當移動臺與基站之間存在相對運動或信道路徑中的物體處于運動中時，多徑信道就會表現出時變特性。這種時變特性由多普勒擴展［10］和相干時間進行描述。

多普勒擴展BD是由移動通信信道的時變速率引起的頻譜展寬程度的度量值［11－13］。如當發送信號頻率為fc時，若收發端間存在相對運動，則接收信號頻率會發生偏移，即多普勒頻移。多普勒頻移是移動臺的相對速度v、移動臺運動方向與散射波到達方向之間夾角θ的函數，即fd=vcosθ/λ，其中λ為載波波長。接收信號頻譜展寬的大小依賴于多普勒頻移fd。

相干時間Tc是在時域對多普勒擴展的表示，其與最大多普勒頻移成反比，即

式中，fDmax是最大多普勒頻移。相干時間是信道脈沖響應維持不變的時間間隔的統計平均值。在此時間間隔內，兩個到達信號所受到的信道的影響具有很強的相關性。如果信號符號周期大于信道相干時間，那么在信號的傳輸中，信道特性會發生改變，產生時間選擇性衰落。

2 車輛間信道分析

車輛間通信主要有兩種方式:一種是車終端與路邊設施的通信;另一種是車終端之間的通信。如圖1所示，其中S為路邊設施，M1，M2為兩個不同的車終端。車終端與路邊設施的通信信道可采用傳統的衰落信道模型，如Nakagami信道、瑞利信道或萊斯信道模型來描述，本文不再進行介紹。本文主要對車終端之間通信的信道模型進行介紹。

圖1 車輛間通信的兩種方式

車輛間通信的環境主要有城市環境和郊區高速環境兩種，車輛間通信系統可分為窄帶通信系統和寬帶通信系統。在城市環境中的交通擁擠路段，由于車輛行駛速度較慢，可假設車終端間通信系統為準靜態的窄帶系統;而在城市環境交通非擁擠路段或在郊區高速環境中，車輛以較高速度行駛，車輛間信道時變較快，多普勒頻移現象較明顯，車終端間通信系統為寬帶系統，車輛間信道可看成是雙選擇(即同時具有時間選擇性和頻率選擇性)衰落信道。

2.1 車輛間通信的窄帶系統

在城市環境中的交通擁擠路段，車輛行駛較為緩慢，而又比傳統的移動終端快，當移動終端的覆蓋范圍在幾十個載波波長之內時，信道狀態可認為是準靜態的［14］。一般性的車輛間通信散射模型［15］如圖2所示。源終端S和目的終端D都處于移動狀態，并且裝配的天線高度水平位置較低。周圍環境中不同物體會使源終端發送的信號發生散射，目的端接收到不同時延和衰落的信號。圖2中，相互通信的兩個車終端的周圍各有一組各向同性分布的散射體，ss1，ss2，…，ssN表示源終端周圍的散射體集，ds1，ds2，…，dsM表示目的終端周圍的散射體集，dsd為源終端S和目的終端D之間的距離，Rs和Rd分別為源終端和目的終端的平均散射半徑。假設Rs和Rd相對于dsd都很小，當兩車終端之間的距離足夠大，即Rs+Rd?dsd時，可認為兩組散射體之間相互獨立。這樣就在發送端和接收端分別產生N個和M個衰落過程，即發送終端到其周圍散射體ss1，ss2，…，ssN的衰落過程和接收終端周圍的散射體ds1，ds2，…，dsM到接收終端的衰落過程，當這兩組衰落過程都分別合成為Nakagami衰落過程，那么發送端和接收端之間的信道為級聯Nakagami信道［16－17］;當發送端和接收端的衰落過程分別合成為瑞利衰落過程，那么它們之間的信道為級聯瑞利衰落信道［18］。

圖2 各向同性的二維雙環模型

2.1.1 級聯Nakagami衰落信道

在城市環境中的交通擁擠路段，車終端周圍均勻分布著散射體，若在源車終端周圍和目的車終端周圍分別產生兩組Nakagami衰落過程，那么發送端和接收端之間的信道為級聯Nakagami信道。

如圖3所示，級聯Nakagami信道衰落因子hSD服從級聯Nakagami分布。該衰落因子為兩個統計獨立服從Nakagami分布的隨機變量的乘積，即對于源端S到目的端D鏈路有hSD=hSD1hSD2，其中hSD1和hSD2服從參數不同的Nakagami分布。

圖3 車輛間通信

hSD的概率密度函數為

式中:ml是與信道衰落程度有關的參數，且l=1，2，當ml=1時，式(4)就簡化為級聯瑞利分布，方便起見省略了下腳標 SD;Γ(·)是伽馬函數;G2，00，2是 Meijer G 函數，Meijer G函數是一種特殊函數，其一般性定義為

式中:0≤m≤q，0≤n≤p且m，n，p和q都是整數;對于k=1，2，…，n 和 j=1，2，…，m，有 ak－ bj≠1，2，3，…，n;z≠ 0［19］。

2.1.2 級聯瑞利衰落信道

在城市環境中的交通擁擠路段，車終端周圍均勻分布著散射體，若在源車終端和目的車終端分別形成兩組瑞利衰落過程，那么發送端和接收端之間的信道為級聯瑞利信道［17－22］。

在非視距通信的前提下，假設發送端和接收端周圍的散射體數目足夠大，即N和M的值都遠大于1，級聯瑞利信道的轉移函數可表達為兩個復高斯獨立隨機過程的乘積［23－24］，即

式中:α和γ是均值為0的復高斯隨機變量。該轉移函數的模值的概率密度函數為

式中:K0()是修正后的第二類零階貝塞爾函數［25］。修正后的第二類零階貝塞爾函數積分表達式為

式中:cosh為雙曲余弦函數。

2.2 車輛間通信的寬帶系統

在城市環境中的非擁擠路段或在郊區高速環境中，兩車終端周圍各向同性地均勻分布著散射體，車上的天線高度是處于較低水平位置的。一方面，在該環境下車終端的高速移動性，使得傳輸信道特性快速變化，在一個符號周期內信道的快速變化，會產生信道的時間選擇性衰落。發射機和接收機之間的相對運動會導致信道快速時變，且移動速度越快，信道的時變特性越顯著。另一方面，由于數據率越高，符號周期越短，信號帶寬越寬，當信號帶寬大于信道的相干帶寬時，將產生頻率選擇性衰落。當車輛高速移動時，目前的通信系統往往只能提供低速率傳輸服務，難以實現高速率的數據傳輸［26］。如果此時信道滿足2fdτd＜1，那么該信道可被認定為雙選擇衰落，其中fd為多普勒擴展，τd為時延擴展［27－30］。在此情況下，時頻雙選擇性衰落對車輛間通信的影響較大。

文獻［26－27，31］提出基擴展模型(BEM)適合作為雙選擇衰落信道的仿真模型，該模型由式(9)給出。對于接收到的信息序列，將其以Ts為采樣周期進行采樣，PTs為數據塊間隔，即每個數據塊包括P個采樣符號。利用實際信道的多普勒頻率擴展的有限帶寬性質，把一個數據塊內的時變多徑信道變化，用數量很少的塊內時不變的參數來描述?；鶖U展模型表達式為

式中:h(i;l)表示第i個符號每一徑上的信道增益;ωq=2π(q － Q/2)/P;L=，τmax是最大時延擴展;Q=，fmax為最大多普勒頻移。式(9)用Q+1個Fourier基來捕獲每一徑上的時變特性，也就是說每一徑的時變信道，用Q+1個基的系數表示，通常Q的取值很小(2或4)，那么用較少數量的(Q+1)(L+1)個系數hq，l就可以描述整個塊內時變多徑信道。

3 各信道性能的仿真

3.1 Nakagami信道、瑞利信道與級聯Nakagami信道、級聯瑞利信道性能

仿真時，發送信號均采用BPSK調制，假設接收端已知信道狀態信息，信道噪聲為高斯白噪聲。Nakagami信道仿真時，參數m分別取值0.5和2，方差為1［32］;級聯Nakagami信道衰落因子由兩個服從Nakagami分布的變量相乘得來，這兩個變量的均值m同取0.5和2。瑞利信道即m=1時的Nakagami信道，級聯瑞利信道即兩個m值同時取1時的級聯Nakagami信道。仿真結果如圖4所示。

圖4 Nakagami信道、瑞利信道與級聯Nakagami信道、級聯瑞利信道誤碼率性能的比較

由圖4中曲線對比可知，隨著參數m的增大，級聯Nakagami信道誤碼率逐漸降低。級聯Nakagami(m=2)信道的誤碼率比級聯瑞利信道低，而級聯Nakagami(m=0.5)信道誤碼率比級聯瑞利信道的高，并且隨著m值和信噪比值的增加，誤碼率之間的差別都在逐漸增大。由此說明，隨著參數m值的增加，級聯Nakagami信道的衰落程度在減小。在m值取相同值時，級聯Nakagami信道的誤碼率性能比Nakagami信道的要差，說明此時級聯Nakagami信道比Nakagami信道的衰落程度更深，車輛間通信信道比傳統的移動通信信道有更嚴重的衰落。

3.2 雙選擇信道性能分析

針對雙選擇信道的情況，文獻［26］提出了一種用于信道估計的優化訓練序列的設計方案，隨后仿真了該信道的誤碼率性能，并與理想信道特性估計時的誤碼率進行了比較，如圖5所示。仿真中采用的系統:信道估計的數據塊長度為300個符號，每個傳輸數據塊進行1次信道估計，載波頻率fc=2 GHz，符號采樣周期為10 μs，最大移動速率為160 km/h，根據Q=2，計算得到Q=2。假設信道經過7條徑(L=6)的瑞利衰落信道，信道各徑延遲功率相同，信道總能量歸一化，系統采用QPSK調制，采用MMSE均衡算法進行均衡。

圖5 雙選擇信道誤碼率

由圖4和圖5對比可知，信道理想且已知時的雙選擇信道的誤碼率性能優于級聯瑞利信道。這是由于對于雙選擇衰落信道模型，在信道信息為理想已知的前提下，發送的信號經過7條瑞利信道到達接收端，在接收端進行均衡出來后，可形成分集效果，使得接收到的信號得到加強，因此信道理想且已知時的雙選擇信道性能要優于級聯瑞利信道。另外，從圖5可知，利用優化訓練序列估計得出的信道信息進行均衡，與利用理想信道信息進行均衡的系統間在誤碼性能上有3 dB以上的差距，表明信道估計的性能對雙選擇信道系統性能有較大的影響。而在實際應用中，由于信道衰落的快速變化，信道估計困難，會存在較大的估計誤差，因而雙選擇信道環境下的車輛間通信系統的誤碼性能實際上要遠比圖5中理想已知信道信息時的性能差。

4 小結

本文介紹了無線信道的特征和移動無線信道的特點以及它們主要的物理層影響，重點描述了3種常用的車輛間通信信道的特征，并對其進行了誤碼率的性能仿真。仿真結果表明，相比較一般的無線信道，車輛間通信信道的衰落更為嚴重。另一方面，車輛間通信環境不同時，信道的性能也存在很大的差別。因此，對于車輛間通信進行研究時，應根據不同的環境選用適合的信道模型。

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