基于射线跟踪的车－车通信信道建模

唐贯杰， 牛春诚， 伍东方

（长春工业大学 计算机科学与工程学院，吉林 长春 130012）

0 引 言

最近几年道路的交通密度越来越大，车辆数量的增多导致了更多的交通堵塞及交通事故，给我们的生活造成了很大的影响。最近几家大的汽车公司正在致力于生产“零死亡率汽车”，而通向“零死亡率汽车”的关键之一就是车辆能够向其邻近的车辆及时发送自己的安全信息，如车速、油门状态、驾驶员踩刹车的力度等[1]。车辆对于其它车辆的信息了解越多，就越能及时地做出反应避免危险的发生，这就使得车与车之间通信显得格外重要。

与传统的无线信道相比，车－车通信信道更具动态性、时变性以及节点的高速移动性，加之发送端和接收端都处于不断的运动状态，现有的无线网络技术并不适用。最近几年科学家们对车－车通信进行了大量的研究，研究内容主要包括两个方面：车－车通信信道测量，用以了解车－车信道环境中的基本物理现象；车－车通信信道建模与仿真主要用于车－车通信系统的设计与优化。目前，车－车通信信道建模方法主要有两类：确定性的建模方法和统计建模方法。确定性的建模方法是基于特定传播场景下的准确描述，以完全确定的方式描述信道参数，再现物理波传播的全过程。统计建模方法是根据信道各种统计特性获得信道的相关参数，从而建立相应的信道模型，用该方法建立的模型复杂度低，便于使用，但是与实际情况比较偏差较大[2]。对于特定场景下的无线传播信道建模，用的都是确定性的建模方法。

文中采用射线跟踪方法建立了特定场景下的车－车通信信道模型，产生了信道的复杂脉冲响应特性。

1 车－车通信信道相关特性

1.1 多普勒扩展

车－车通信信道与传统的手机信道有所不同，主要表现在频率选择、时间选择以及相关的衰落统计上。移动的车辆所接收到的信号来自多条路径（如树木、建筑物以及其它车辆的反射、衍射等），每一个信号分量都会产生多普勒频移。这就需要在接收端对所有的信号进行累加，将累加的结果与发送信号频率进行比较，从而得到多普勒频谱和多普勒扩展[3]。在车辆行驶过程中，假设发送车辆速度为vT，接收车辆速度为vR，则有效速度为veff：

相应的多普勒扩展fD表示为：

1.2 相干时间

车－车信道的时变性对于车－车通信网络的设计者而言，是一个非常重要的信息。相干时间是信道保持恒定的最大时间差范围，在该范围中信道参数被认为是稳定的[4]。通常运用信道相干时间的知识对快衰落信道和慢衰落信道进行区分。研究表明，在手机信道中相干时间和多普勒扩展存在一定的逆关系，但是在车－车通信环境中它们的关系比例系数尚未知晓[3]。文献[1]中提出，可以从在接收端通过接收到的包络计算出信道的自相关函数，从而得到信道的相干时间。

2 车－车通信信道模型

2.1 交通环境模型

交通环境的详细描述对于车－车通信信道建模至关重要[5]。当前的应用要求产生有代表性的交通环境，在此环境中需要包括移动的车辆、道路以及路边环境。在该模型中，用大长方体盒子来模拟道路两面的建筑物，假设建筑物都是混凝土材质的，小长方体盒子模拟发送端和接收端的车辆。在实际应用中需要获取建筑物的面（主要是面向车道的面），因为这些面有可能作为反射面参与信号的传播。

以发射车天线为原点O（0，0，0）建立三维直角坐标系（采用左手系），接收车在Z轴的正方向上，面向车道的面（建筑物的反射面）垂直于坐标面XOZ。

图1 交通环境模型

发送车辆距离北面建筑物的水平距离为dT（t），接收车辆距离南面建筑物的距离为dR（t），若发送车辆到建筑物A的距离为D1，接收车辆到建筑物B的距离为D2，则t时刻第l条路径的发送方向和接收方向分别为

2.2 信道模型

在提出的交通环境模型中，要对波的多径传播做出详细的描述，需要产生实时的信道脉冲响应序列。为了更加详细地描述波在信道中的传播情况，在提出的信道模型中使用射线跟踪方法。为了使频率足够高，该方法假设波长远远小于通信场景中物体的尺寸。

图像理论图如图2所示。

图2 图像理论图

采用图像理论[6]跟踪每一条反射传播路径，递归建立发射天线关于各个面的对称点，最终的对称点和接收点建立连线，寻找反射点，依次逆推，寻找各个面的反射点。在此过程中，一旦出现不符合实际的情况，即不能发射（对称点和接收点的连线不能穿过平面区域、计算的反射点在平面区域内等），假设失败，立即终止关于此平面序列的传播路径计算，寻找下一序列。我们采用自顶向下分解分析过程，首先寻找信号能量最强的7条路径（近似等于寻找7条最短的路径），每条路径有n次反射，根据反射次数n从少到多寻找合理的传播路径，当找到一条路径，就将其插入到传播路径向量中并维护其有序性。

显然，根据R与T（2）的连线可以得到WALL2上的点B，根据B与T（1）的连线可以得到WALL1上的点A，以此类推，得到一条反射路径T－A－B－R。

相干时间作为信道冲击响应维持“不变”的时间间隔的统计平均，在接收端，分别在t1，t2，…，tm时刻对信号进行采样得到对应的脉冲响应，如果所得脉冲响应的差额不大于一定的数值，则可得相干时间为tm－t1。

信道模型中，采用双向时变脉冲响应，对L条解析路径进行叠加。

ΩT发射方向；

ΩR接收方向；

hi第i个多径分量的脉冲响应。

式中：aii个多径分量的振幅；

Φi个多径分量的相位；

τi第i个多径分量的时延；

ΩT，i第i个多径分量的发射方向；

ΩR，i第i个多径分量的接收方向；

3 车－车通信信道建模未来挑战

目前，车－车通信的主要标准是IEEE 802.11p，该项标准起源于802.11a，修改的导频模式降低了接收端的复杂度[7]。为了加强车辆间通信的可靠性，研究人员提出在车辆中安装多个发射天线，但是多天线的使用却极大地增加了通信信道的复杂性，为信道建模增加了难度[8]。由于车辆的高速行驶，使得车－车通信信道的变化更加快速，大多数情况下车－车通信信道都是随机非稳定的。实际的车－车信道的波是在三维空间中传播的，这就对车－车无线通信信道建模提出了更高的要求，尤其是针对城市峡谷以及周围有高建筑物的公路，这需要调查仰角以及各种信道统计的影响。

4 结 语

提出了一个适应于特定环境下车－车通信的信道模型，在波的传播模型中，着重介绍了双向时变复杂脉冲响应，并在脉冲响应的基础上提出了一种计算相干时间的新方法，输出了传播路径模型向量。输出的结果为下一步进行信道衰落和多普勒扩展的仿真建模提供了依据。但是，在交通环境模型中，只考虑了道路两边建筑物反射的影响，没有涉及到树木、广告牌等其它散射体的影响，这些工作在下一阶段的研究中将进一步展现。在提出的信道模型中仅仅描述了信道的相干时间和相干带宽，相干时间与多普勒扩展之间是反比例关系，但是目前没有文献说明二者的具体关系，下一阶段要建立信道的路径消耗模型和相关衰落模型。

[1]刘富强.专用短程通信（DSRC）技术在ITS中的应用 [EB／OL][2012－09－25].http：／／www.yubooa.com／oa／html／3770.html.

[2]贺智铁.移动到移动（M2M）衰落信道建模及统计特性分析研究[D]：[硕士学位论文].武汉：武汉理工大学信息工程学院，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.

[7]Mecklenbrauker C F.Vehicular channel characterization and its implications for wireless system design and performance[J].Proceeding of the IEEE，2011，99：1189－1212.

[8]袁正午.移动通信系统终端射线跟踪定位理论与方法[M].北京：电子工业出版社，2007：39－41.