CN102571243A - 一种车辆到车辆通信的宽带无线mimo信道建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆到车辆通信的宽带无线MIMO信道建模方法，该方法包括：通过信道测量得到信道冲激响应；根据信道冲激响应提取离散多径分量并统计其参数分布；判断直射分量是否存在，若存在，根据几何关系得到直射分量，若不存在，该分量为0；根据车辆密度和动态、静态反射体的统计分布，设定反射环境，结合信道测量数据的处理结果分别得到动态和静态反射分量；用信道冲激响应减去离散多径分量的余量估计散射分量参数并统计其分布，获得散射分量；上述四个分量叠加得到信道转移矩阵，完成信道建模。本发明基于车辆到车辆通信环境的非平稳性和时变性，充分考虑动态反射分量的影响，并结合其他分量建立信道模型，能够更好地逼近实际信道。

Description

一种车辆到车辆通信的宽带无线MIMO信道建模方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种车辆到车辆通信的宽带无线MIMO信道建模方法。 

背景技术

车辆到车辆(Vehicle-to-Vehicle，V2V)通信在提升交通安全、提高交通系统效率、舒适驾驶等方面发挥了重要作用，因而受到广泛关注。V2V无线通信在备受瞩目的同时也面临很多挑战。其中，V2V信道建模是V2V无线通信系统中亟待解决的关键问题之一，是V2V系统设计和验证的重要基础，如何进行简单有效的信道建模成为了V2V通信研究的重要课题。 

目前，已有的V2V信道建模方法可以分为三类：基于几何确定性模型(GBDM)、非几何统计性模型(NGSM)、基于几何统计性模型(GSCM)。GBDM以一个完全确定的方式假设了建模的环境与模型内车辆的分布，通过射线跟踪方法来测量和计算出信道的物理参数，该方法虽然能准确模拟信道，但是缺乏动态性、复杂度高，不能适用于车辆动态变化的环境。NGSM以完全随机的方式决定V2V信道的物理参数，基于信道的统计特性建立空间信道模型，该方法复杂度低、适用范围较广，但是不涉及实际信道的几何特征，与实际信道差别较大。GSCM通过假设有效散射体随机分布计算信道的物理参数，该模型介于GBDM和NGSM之间，在考虑了实际信道几何特征的同时降低了模型的复杂度，因而得到广泛应用。车辆密度是V2V信道建模中不可忽略的影响因素，现有的一些模型，如双环模型，考虑了信号经过散射体的单次反射、双次反射或者两者兼有，但是不能体现车辆密度对信道参数的影响；基于抽头延迟线结构的模型，弥补了双环模型的缺陷，将车辆密度对信道参数的影响体现在每一个抽头，但是并未考虑V2V信道的非平稳性。 

另一方面，信道测量及研究结果表明，在室内环境和散射体密集的室外环境中，信道冲激响应包含相当比例的散射分量。散射分量是由集中散射造成的大量分量叠加得到的，由于接收机分辨率有限，这部分分量不能被分离为离散的多径分量。然而散射分量对信道建模的准确度和信道模型的性能影响不容忽视，现有的V2V信道模型并未考虑该部分分量的影响。 

发明内容

本发明针对现有车辆到车辆通信无线信道模型的不足，提出了一种基于GSCM的建模方法，将V2V信道划分为直射分量、动态反射分量、静态反射分量、散射分量四部分。本发明基于车辆到车辆通信环境的非平稳性和时变性，充分考虑动态反射分量的影响，并结合其他 分量建立信道模型，能够更好地逼近实际信道。 

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案予以实现： 

1.通过信道测量得到信道冲激响应。 

2.参数处理得到离散多径分量参数分布 

根据信道冲激响应得到离散多径分量及其多径参数的统计分布，其中离散多径分量包括直射分量、动态反射分量和静态反射分量。 

3.生成直射分量 

根据收发端的位置关系以及周围环境，判断是否有直射径存在。如果直射径存在，则根据几何关系和无线信号的传播特性，计算得到直射分量；如果直射径不存在，则该分量为0。 

4.生成动态反射分量 

步骤一，设置动态反射体的几何分布及运动速度，设定运动速度保持不变； 

步骤二，根据几何分布及运动速度，计算每条动态反射径的到达角、离开角、对应角度下的天线阵列响应和信道的相位，其中信道的相位包括距离造成的相移、多普勒频移造成的相移和信道随机相位； 

步骤三，根据数据处理得到的离散多径分量参数分布，得到每条动态反射径的幅值增益和时延，其中幅值增益包括传播距离造成的增益、动态反射体的吸收增益和缓慢变化的随机增益； 

步骤四，用步骤二和三所得的参数构建动态反射径后叠加，生成动态反射分量。 

5.生成静态反射分量 

静态反射分量采用和动态反射分量相同的处理方法，区别在于反射体的几何分布不同、运动速度不同。 

6.生成散射分量 

步骤一，信道冲激响应减去离散多径分量得到余量，该余量的功率延迟线应服从分布： 

${\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{dmc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&tau;}<{\mathrm{\&tau;}}_d\\ {\mathrm{\&alpha;}}_d& \mathrm{\&tau;}={\mathrm{\&tau;}}_d\\ {\mathrm{\&alpha;}}_d{e}^{-{\mathrm{\&beta;}}_d(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_d)}& \mathrm{\&tau;}>{\mathrm{\&tau;}}_d\end{array}\right.$

其中，α_d为散射分量最大功率，β_d为归一化散射分量功率衰减因子，τ_d为归一化散射分量的起始时延； 

步骤二，根据步骤一所述的分布，利用最小均方误差(MMSE)准则估计散射分量的参数θ_d＝[α_d β_d τ_d]； 

步骤三，将α_d、β_d、τ_d分别与离散多径分量相应的参数做线性回归分析，得到散射分量参数分布； 

步骤四，根据散射分量参数分布生成散射分量。 

7.将直射分量、动态反射分量、静态反射分量和散射分量叠加得到信道转移矩阵。 

附图说明

此处所说明的附图用以提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中： 

图1为车辆到车辆通信的宽带无线MIMO信道建模示意图； 

图2为车辆到车辆通信的宽带无线MIMO信道建模流程图； 

图3为生成动态反射分量流程图； 

图4为生成散射分量流程图。 

具体实施方式

在车辆到车辆通信环境中，信道非平稳性和时变性是主要环境特征，反射和散射是造成宽带通信信道衰落的主要原因。本发明基于车辆到车辆通信环境的特征，分别生成直射分量、动态反射分量、静态反射分量和散射分量，叠加四部分分量得到信道转移矩阵。其中直射分量可以由几何关系直接计算；动态反射分量和静态反射分量反映了反射造成的信道衰落，采用基于几何统计分布方法，通过设定动态反射体和静态反射体的几何分布，利用几何关系计算得到；散射分量反映了散射造成的信道衰落，由于不能用离散径描述，因而不针对该分量设定散射体分布，而是通过估计散射分量参数并统计其分布生成散射分量。下面将结合附图详细说明本发明。 

如图2为车辆到车辆通信的宽带无线MIMO信道建模流程，包括以下步骤： 

步骤S01：通过信道测量得到信道冲激响应 

优选的，采用时域信道测量方法测量，并利用CLEAN算法处理得到信道冲激响应h(t)。CLEAN算法是一种时域去卷积方法，即使用模板脉冲与接收信号进行去卷积，然后得到冲激响应： 

$h(t,\mathrm{\&tau;})=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_l\mathrm{\&delta;}(t-{\mathrm{\&tau;}}_l)$

其中，L为离散多径数目，a_l为第l条径的幅值增益，τ_l为第l条径的时延。 

步骤S02：参数处理得到离散多径分量参数分布 

根据步骤S01得到的信道冲激响应提取离散多径分量及其多径参数的统计分布，其中离散多径分量包括直射分量h_LOS(t，τ)、动态反射分量h_MR(t，τ)和静态反射分量h_SR(t，τ)。 

步骤S03：生成直射分量 

根据测量场景判断是否存在直射分量，如果不存在直射径，则直射分量h_LOS(t，τ)＝0，如果存在，则直射分量的幅值增益为： 

$a_{\mathrm{LOS}}={\left(\frac{1}{\sqrt{{\{x_R\left(t\right)-x_S\left(t\right)\}}^2+{\{y_R\left(t\right)-y_S\left(t\right)\}}^2}}\right)}^r$

其中，{x_S(t)，y_S(t)}为发射端的位置坐标，{x_R(t)，y_R(t)}为接收端的位置坐标，r的值由步骤S02的参数处理结果得到，直射分量的其他参数参照步骤S04的计算过程。 

步骤S04：生成动态反射分量，具体步骤如图3所示 

步骤S0401：动态反射体分布在车道内，根据测量环境的实地情况，设置动态反射体的密度λ₁、影响接收的动态反射体的范围{x_min，x_max}{y_min，y_max}、动态反射体的位置{x_m(t)，y_m(t)}(x_min≤x_m(t)≤x_max，y_min≤y_m(t)≤y_max)和运动速度v_m。其中，动态反射体的运动速度保持不变，x_min表示反射体横坐标的最小值，x_max表示横坐标的最大值，y_min表示纵坐标的最小值，y_max表示纵坐标的最大值； 

步骤S0402：根据几何位置关系，得到每条动态反射径对应的到达角Ω_mR、离开角Ω_Sm和对应角度下的天线阵列响应g_R(Ω_mR)、g_S(Ω_Sm)，到达角和离开角的计算方法如下： 

$\left\{\begin{array}{c}\cos \left\{{\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}\left(t\right)\right\}=\frac{x_m\left(t\right)-x_S\left(t\right)}{d_{\mathrm{Sm}}}\\ \sin \left\{{\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}\left(t\right)\right\}=\frac{y_m\left(t\right)-y_S\left(t\right)}{d_{\mathrm{Sm}}}\end{array}\right.$

当cos{Ω_Sm(t)}≥0且sin{Ω_Sm(t)}≥0时， ${\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}\left(t\right)=\arccos \left(\frac{x_m\left(t\right)-x_S\left(t\right)}{d_{\mathrm{Sm}}}\right)$

当cos{Ω_Sm(t)}＜0且sin{Ω_Sm(t)}≥0时， ${\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}\left(t\right)=\arccos \left(\frac{x_m\left(t\right)-x_S\left(t\right)}{d_{\mathrm{Sm}}}\right)$

当cos{Ω_Sm(t)}≥0且sin{Ω_Sm(t)}＜0时， ${\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}\left(t\right)=-\arccos \left(\frac{x_m\left(t\right)-x_S\left(t\right)}{d_{\mathrm{Sm}}}\right)$

当cos{Ω_Sm(t)}＜0且sin{Ω_Sm(t)}＜0时， ${\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}\left(t\right)=-\arccos \left(\frac{x_m\left(t\right)-x_S\left(t\right)}{d_{\mathrm{Sm}}}\right)$

其中， 

$d_{\mathrm{Sm}}=\sqrt{{|x_m\left(t\right)-x_S\left(t\right)|}^2+{|y_m\left(t\right)-y_S\left(t\right)|}^2}$ 表示发射端到反射体的距离。 

到达角Ω_mR(t)的计算方法与Ω_Sm(t)相同。 

步骤S0403：计算信道的相位φ 

相位φ可以分成三部分的和，包括传播距离造成的相移φ₁、多普勒频移造成的相移φ₂和 随机相位φ₃： 

${\mathrm{\&phi;}}_1=2\mathrm{\&pi;}\frac{d_{\mathrm{Sm}}+d_{\mathrm{mR}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_0},d_{\mathrm{mR}}=\sqrt{{|x_R\left(t\right)-x_m\left(t\right)|}^2+{|y_R\left(t\right)+y_m\left(t\right)|}^2}$ 为反射体到接收端的距离； 

φ₂＝2πf_Dτ_m，其中多普勒频移 $f_D=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}[(v_S-v_m)\cos {\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}+(v_R-v_m)\cos {\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{mR}}];$

φ₃～U[0，2π)； 

φ＝φ₁+φ₂+φ₃。 

步骤S0404：计算幅值增益a 

幅值增益a可以分成三部分的乘积，距离造成的增益b₁、动态反射体的吸收增益b₂和随机的缓慢变化的增益b₃。 

$b_1=f_1\left(\frac{1}{d_{\mathrm{Sm}}\&times;d_{\mathrm{mR}}}\right),$ 其中f₁是关于 $\frac{1}{d_{\mathrm{Sm}}\&times;d_{\mathrm{mR}}}$ 的某一分布函数； 

b₂为反射体的吸收增益，其分布函数为f₂； 

b₃是随着时间缓慢变化的增益，其分布函数为f₃； 

此步骤中的f₁、f₂、f₃均是由步骤S02参数分析结果得到。 

步骤S0405：生成动态反射分量 

$h_{\mathrm{MR}}(t,\mathrm{\&tau;})=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i{e}^{j({\mathrm{\&phi;}}_1+{\mathrm{\&phi;}}_2+{\mathrm{\&phi;}}_3)}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_i)\mathrm{\&delta;}({\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{mR}}-{\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{mR},i})\mathrm{\&delta;}({\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}-{\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm},i})g_R\left({\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{mR}}\right)g_S\left({\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}\right)$

其中P为动态反射体的数目。 

步骤S05：静态反射分量采用和动态反射分量相同的建模方法，区别在于反射体的几何分布不同、运动速度不同。 

静态反射体的多普勒频移为： 

$f_D=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}[v_S\cos {\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}+v_R\cos {\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{mR}}],$ 其中 ${\mathrm{\&lambda;}}_0=\frac{c}{f_0},$ f₀为中心频率，c为光速。 

静态反射分量为： 

$h_{\mathrm{SR}}(t,\mathrm{\&tau;})=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i{e}^{j({\mathrm{\&phi;}}_1+{\mathrm{\&phi;}}_2+{\mathrm{\&phi;}}_3)}\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_i)\mathrm{\&delta;}({\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{mR}}-{\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{mR},i})\mathrm{\&delta;}({\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}-{\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm},i})g_R\left({\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{mR}}\right)g_S\left({\mathrm{\&Omega;}}_{\mathrm{Sm}}\right)$

其中N为静态反射体的数目，其他参数含义与动态反射分量相同。 

步骤S06：生成散射分量，具体步骤如图4所示 

步骤S0601，信道冲激响应减去离散多径分量得到余量，其功率延迟线为： 

${\mathrm{\&psi;}}_1\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\frac{1}{N_S\&times;N_R}{\left|\right|H_{\mathrm{RX}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)-H_{\mathrm{MC}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\left|\right|}_F^2$

其中N_S和N_R分别表示发送天线和接收天线数目，H_RX(τ)为测量得到的信道矩阵，H_MC(τ)为根据离散多径分量得到的信道矩阵，ψ₁(τ)一般服从负指数分布： 

${\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{dmc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&tau;}>{\mathrm{\&tau;}}_d\\ {\mathrm{\&alpha;}}_d& \mathrm{\&tau;}={\mathrm{\&tau;}}_d\\ {\mathrm{\&alpha;}}_d{e}^{-{\mathrm{\&beta;}}_d(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_d)}& \mathrm{\&tau;}>{\mathrm{\&tau;}}_d\end{array}\right.$

其中，β_d为归一化散射分量功率衰减因子，α_d为散射分量最大功率，τ_d为归一化散射分量的起始时延； 

步骤S0602，利用最小均方误差法(MMSE)估计散射分量的参数θ_d＝[α_d β_d τ_d]，具体方法如下： 

1)对每组ψ₁(τ)进行采样，采样间隔为Δτ＝1/B，B为系统带宽，得到ψ₁(kΔτ)(k＝1，2，3...K)； 

2)利用最小均方误差估计准则，估计得到θ_d＝[α_d β_d τ_d] 

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_d=\underset{{\mathrm{\&theta;}}_d}{\arg \min }\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{|{\mathrm{\&psi;}}_1\left(\mathrm{k\&Delta;\&tau;}\right)-{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{dmc}}(\mathrm{k\&Delta;\&tau;},{\mathrm{\&theta;}}_d)|}^2$

步骤S0603，将α_d、β_d、τ_d分别与离散多径分量相应的参数做线性回归分析，得到散射分量参数均值和方差，具体步骤如下： 

1)定义离散多径分量功率延迟线为ψ_mr(τ)，则离散多径的起始时延τ_mr＝argmax{ψ_mr(τ)}、最大多径功率 

信道冲激响应的均方根时延扩展为σ_τ； 

2)假设散射分量功率为P_dmc，离散多径分量功率为P_mr，信号总接收功率为P_RX，则 

$P_{\mathrm{dmc}}=\underset{0}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{dmc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_d}{{\mathrm{\&beta;}}_d}$

P_dmc与β_d相关，定义r_d＝P_dmc/P_RX，r_d与σ_τ进行对应； 

3)根据测量结果分别对τ_d与τ_mr、α_d与 

r_d与σ_r做线性回归分析，优选的，用最小二乘法拟合得到散射分量参数τ_d、α_d、r_d与相应离散多径分量的关系。以一元线性回归为例，得到两组参数的对应关系： 

${\mathrm{\&tau;}}_d=a_1{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{mr}}+b_1,{\mathrm{\&alpha;}}_d=a_2{\widehat{\mathrm{\&psi;}}}_{\mathrm{mr}}+b_2,r_d=a_2{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&tau;}}+b_2$

这里仅举例说明，两组参数的关系根据实测数据而定； 

4)用高斯分布拟合散射分量参数： 

p(τ_d)～N(μ₁，σ₁ ²)，p(α_d)～N(μ₂，σ₂ ²)，p(r_d)～N(μ₃，σ₃ ²) 

高斯分布的均值和方差根据散射分量和离散多径分量关系确定。 

步骤S0604，根据散射分量参数分布，生成散射分量h_DMC(t，τ) 

具体地，根据步骤S0603各参数的分布，产生τ_d、α_d、r_d，β_d根据r_d计算得到。 

步骤S07：将直射分量、动态反射分量、静态反射分量和散射分量叠加得到信道转移矩阵： 

h(t，τ)＝h_LOS(t，τ)+h_MR(t，τ)+h_SR(t，τ)+h_DMC(t，τ)。 

Claims (10)

1.一种车辆到车辆通信的宽带无线MIMO信道建模方法，其特征在于，包含以下步骤：

通过信道测量得到信道冲激响应；

根据信道冲激响应提取离散多径分量并统计其参数分布；

判断直射分量是否存在，若存在，根据几何关系得到直射分量，若不存在，该分量为0；

根据车辆密度和动态、静态反射体的统计分布，设定反射环境，结合信道测量数据的处理结果分别得到动态和静态反射分量；

用信道冲激响应减去离散多径分量的余量估计散射分量参数并统计其分布，获得散射分量；

上述四个分量叠加得到信道转移矩阵，完成信道建模。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的离散多径分量包括直射分量、动态反射分量和静态反射分量，充分考虑了动态反射分量的影响，能够更好地逼近实际信道。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的动态反射体分布在车道范围内，其密度与车辆密度紧密相关；静态反射体分布在车道两侧一定范围内，其密度与该范围内建筑物的密度紧密相关。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的动态反射分量仅考虑信号的单次反射。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的动态反射分量按以下步骤得到：

a)设置动态反射体的几何分布及运动速度，设定运动速度保持不变；

b)根据几何分布及运动速度，计算每条动态反射径的到达角、离开角、对应角度下的天线阵列响应和信道的相位，其中信道的相位包括距离造成的相移、多普勒频移造成的相移和信道随机相位；

c)根据数据处理所得离散多径分量参数分布，得到每条动态反射径的幅值增益和时延；

d)用步骤b和c所得的参数构建动态反射径后叠加，生成动态反射分量。

6.根据权利要求5所述，其特征在于，步骤c中所述的幅值增益包括传播距离造成的增益、动态反射体的吸收增益和缓慢变化的随机增益。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的静态反射分量采用和动态反射分量相同的处理方法，区别在于反射体的几何分布不同、运动速度不同。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的散射分量按以下步骤生成：

a)信道冲激响应减去离散多径分量得到余量，该余量的功率延迟线应服从分布：

${\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{dmc}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&tau;}<{\mathrm{\&tau;}}_d\\ {\mathrm{\&alpha;}}_d& \mathrm{\&tau;}={\mathrm{\&tau;}}_d\\ {\mathrm{\&alpha;}}_d{e}^{-{\mathrm{\&beta;}}_d(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_d)}& \mathrm{\&tau;}>{\mathrm{\&tau;}}_d\end{array}\right.$

其中，α_d为散射分量最大功率，β_d为归一化散射分量功率衰减因子，τ_d为归一化散射分量的起始时延；

b)根据步骤a中所述分布，利用最小均方误差(MMSE)准则估计散射分量的参数θ_d＝[α_d β_d τ_d]；

c)将α_d、β_d、τ_d分别与离散多径分量相应的参数做线性回归分析，得到散射分量参数分布；

d)根据散射分量参数分布生成散射分量。

9.根据权利要求8所述，其特征在于，所述的散射分量不进行散射体分布的假设，而是利用离散多径分量参数分析得到散射分量参数分布，进而生成散射分量。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的信道转移矩阵由直射分量、动态反射分量、静态反射分量和散射分量四部分叠加得到。

Images