CN112333671A - 一种车对车mimo信道的非平稳特征提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法,包括:根据信号发送车辆、信号接收车辆和散射体的位置建立车对车信道参考模型;计算信道中信号发送车辆和信号接收车辆的时变直线距离、时变莱斯因子、时变角度、时变反射路径长度和时变多普勒频移;生成非平稳车对车信道仿真模型,推导仿真信道的时变时间自相关函数和时变空间互相关函数;提取车辆运动时的信道非平稳特征。本发明在生成的非平稳车对车仿真模型的基础上,能够避免受到车辆运动方向的限制,提取收发车辆以任意方向和速度运行时信道的非平稳特征;可用于研究一般场景下系统参数对信道特性的影响,如散射体运动速度、车辆行驶方向、车辆间初始距离。

Description

一种车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法
技术领域
本发明涉及无线信道技术领域,尤其是一种车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法。
背景技术
由于第五代(5G,fifth-generation)无线通信网络的快速发展,车对车(V2V,vehicle to vehicle)通信已经在车载自组织网络、智能交通系统等领域得到了广泛的应用。对于车对车通信系统的开发需要了解底层传播信道的相关信息,因此采用合理的方法准确提取信道中的特征具有重要意义,而信道建模是研究系统参数对信道特征影响的一种有效手段。
与传统的固定对移动(F2M,fixed-to-mobile)通信系统相比,车对车通信的收发两端处于同时运动的状态并一般配备低仰角天线,由于收发两端的高移动特性以及车辆运动导致的多普勒效应,传统的F2M模型已不再适用于V2V信道,因此开发高效准确的V2V信道模型受到了越来越多的关注。
现有文献利用V2V信道模型研究信道内的特征,如电平通过率、衰落持续时间和多普勒谱等,但多数模型都是在广义平稳(WSS,wide-sense stationary)的假设下对信道特征进行提取,测量结果表明,WSS假设只在非常短的时间间隔(毫秒级)内成立,因此为了能够准确的对系统进行评估,现有少数文献在信道模型中刻画了其非平稳特性,即模型可以捕捉信道中的非平稳特征。但是现有模型在提取信道的非平稳特征时都至少对收发车辆中的一端的运动方向进行了限制,即只能提取车辆以特定方向行驶时的V2V信道非平稳特征。此外现有模型在提取V2V信道的非平稳特征时只考虑了时变角度和距离,在现实环境中,道路上的行驶车辆会沿任意方向运动并使角度、多普勒频移、距离、莱斯因子变为时变参数,而现有模型无法提取这种一般场景下V2V信道的非平稳特征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种避免受到车辆运动方向的限制,提取收发车辆以任意方向和速度运行时信道的非平稳特征的车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:一种车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法,该方法包括下列顺序的步骤:
(1)根据信号发送车辆、信号接收车辆和散射体的位置建立车对车信道参考模型;
(2)基于车对车参考模型中的几何关系,计算信道中信号发送车辆和信号接收车辆的时变直线距离、时变莱斯因子、时变角度、时变反射路径长度和时变多普勒频移;
(3)生成非平稳车对车信道仿真模型,推导仿真信道的时变时间自相关函数和时变空间互相关函数;
(4)提取车辆运动时的信道非平稳特征。
所述步骤(1)具体是指:
车对车信道参考模型由两个2D圆环和一个3D椭圆柱构成,其中,两个2D圆环的圆心分别代表信号发送车辆和信号接收车辆,信号发送车辆和信号接收车辆上分别配备有MT根和MR根全向天线,且全向天线呈均匀线性阵列分布,信号发送车辆的天线阵元的间距为δT,信号接收车辆的天线阵元的间距为δR,信号发送车辆和信号接收车辆之间的初始距离为D0;所述两个2D圆环是指一号圆环和二号圆环,所述一号圆环为围绕在信号发送车辆周围的散射体,二环为围绕在信号接收车辆周围的散射体,一号圆环的半径为RT,二号圆环的半径为RR,且满足D0>>max{RT,RR}、min{RT,RR}>>max{δTR};
3D椭圆柱代表围绕信号发送车辆和信号接收车辆的静态散射体,信号发送车辆和信号接收车辆分别位于椭圆柱底面椭圆的两个焦点上,即两个2D圆环的圆心分别与椭圆柱底面椭圆的两个焦点重合,椭圆柱底面椭圆的焦距即信号发送车辆和信号接收车辆间的初始距离D0,其半长轴、半短轴和半焦距分别用a、b、f表示,且满足D0=2f,min{a-f}>>max{δT,δR};
无线信号由信号发送车辆直接到达信号接收车辆所经历的路径为直视路径LOS,路径长度记为
Figure BDA0002758609840000031
直视路径从信号发送车辆出发的水平离开角和到达信号接收车辆的水平到达角分别记为
Figure BDA0002758609840000032
由信号发送车辆发出经过一号圆环上移动散射体反射后到达信号接收车辆的路径为一号圆环单跳反射路径SB1,路径长度记为εpqn1;由信号发送车辆发出经过二号圆环上移动散射体反射后到达信号接收车辆的路径为二号圆环单跳反射路径SB2,路径长度记为εpqn2;由信号发送车辆发出经过椭圆柱上静态散射体反射后到达信号接收车辆的路径为静态单跳反射路径SB3,路径长度记为εpqn3;各单跳路径的水平离开角和水平到达角分别记为
Figure BDA0002758609840000033
i∈{1,2,3},静态单跳反射路径的离开仰角和到达仰角分别记为
Figure BDA0002758609840000034
由信号发送车辆发出先后经过一号圆环和二号圆环上移动散射体两次反射后到达信号接收车辆的路径为双跳反射路径DB,路径长度记为εpqn1n2,双跳路径的水平离开角和水平到达角分别为
Figure BDA0002758609840000035
所述步骤(2)具体包括以下步骤:
(2a)信号发送车辆的速度大小和方向分别为VT和γT,信号接收车辆的速度大小和方向分别为VR和γR,计算信号发送车辆和信号接收车辆之间的时变直线距离D(t):
Figure BDA0002758609840000036
式中:
Figure BDA0002758609840000037
t表示信号接收车辆和信号发送车辆的行驶时间,D0表示信号接收车辆和信号发送车辆之间的初始距离;
(2b)计算信道的时变莱斯因子K:
Figure BDA0002758609840000041
(2c)计算时变角度,时变角度包括由散射体运动引起的时变水平到达角
Figure BDA0002758609840000042
时变水平离开角
Figure BDA0002758609840000043
以及时变离开仰角
Figure BDA0002758609840000044
对于SB1单跳反射路径的时变水平到达角
Figure BDA0002758609840000045
和SB2单跳反射路径的时变水平离开角
Figure BDA0002758609840000046
Figure BDA0002758609840000047
Figure BDA0002758609840000048
式中:
Figure BDA0002758609840000049
Figure BDA00027586098400000410
分别为SB1单跳反射路径的离开角和SB2单跳反射路径的到达角;
对于SB3单跳反射路径的时变水平离开角
Figure BDA00027586098400000411
和时变离开仰角
Figure BDA00027586098400000412
Figure BDA00027586098400000413
Figure BDA00027586098400000414
式中:
Figure BDA00027586098400000415
为椭圆柱离心率的倒数值,
Figure BDA00027586098400000416
分别为SB3单跳反射路径的到达水平角和到达仰角;
(2d)所述时变反射路径长度包括直视路径长度、一号圆环单跳反射路径长度、二号圆环单跳反射路径长度、双跳反射路径和静态单跳反射路径;
对于直视路径长度:
Figure BDA0002758609840000051
式中:
Figure BDA0002758609840000052
MT和MR为MIMO通信系统的信号发送车辆和信号接收车辆天线数,p和q为信号发送车辆和信号接收车辆的第p根和第q根天线,θT和θR为信号接收车辆和信号发送车辆天线阵列水平倾角;
对于一号圆环单跳反射路径长度:
Figure BDA0002758609840000053
式中:RT和RR分别为围绕信号发送车辆和信号接收车辆的圆环半径,εn1(t)为围绕信号发送车辆圆环上的散射体到信号接收车辆的距离:
Figure BDA0002758609840000054
对于二号圆环单跳反射路径长度:
Figure BDA0002758609840000055
式中:εn2为围绕信号接收车辆圆环上的散射体到信号发送车辆的距离,
Figure BDA0002758609840000056
对于双跳反射路径:
Figure BDA0002758609840000057
对于静态单跳反射路径:
Figure BDA0002758609840000058
式中:
Figure BDA0002758609840000059
为散射体高度,lT=2a-lR,b为椭圆柱的半短轴,a为椭圆柱的半长轴,f为椭圆的半焦距;
(2e)计算时变多普勒频移,时变多普勒频移包括信号接收车辆和信号发送车辆和移动散射体运动引起的直视路径上的多普勒频移fLOS、一号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB1、二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB2、静态单跳反射路径上的多普勒频移fSB3和双跳反射路径上的多普勒频移fDB
直视路径上的多普勒频移fLOS的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000061
式中,
Figure BDA0002758609840000062
分别为信号发送车辆和信号接收车辆运动引起的最大多普勒频移,
Figure BDA0002758609840000063
分别为LOS分量的水平离开角和水平到达角,c为光速,其值为3×108
一号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB1的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000064
式中:fS1为信号发送车辆端周围的散射体运动引起的多普勒频移,γS1为围绕信号发送车辆移动散射体的运动方向;fc为载波频率;
二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB2的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000065
式中,
Figure BDA0002758609840000066
为信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移,VS2为围绕信号接收车辆移动散射体的运动速度,γS2为围绕信号接收车辆移动散射体的运动方向;
静态单跳反射路径上的多普勒频移fSB3的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000071
双跳反射路径上的多普勒频移fDB的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000072
所述步骤(3)中时变时间自相关函数和时变空间互相关函数的计算步骤如下:
(3a)选取散射体数目N1=N2=N3=60,对于
Figure BDA0002758609840000073
采用修正的等面积修补MMEA进行角度参数的确定,对于
Figure BDA0002758609840000074
Figure BDA0002758609840000075
采用等体积法MEV进行角度的联合求解,其具体方法为:
Figure BDA0002758609840000076
Figure BDA0002758609840000077
式中,N1为位于一环上的散射体数目,N2为位于二环上的散射体数目,N3为椭圆柱上的静态散射体数目,
Figure BDA0002758609840000078
分别为角度
Figure BDA0002758609840000079
Figure BDA00027586098400000710
服从的分布,
Figure BDA00027586098400000711
Figure BDA00027586098400000712
Figure BDA00027586098400000713
Figure BDA00027586098400000714
联合分布的边缘概率密度函数,它们的表达式为:
Figure BDA0002758609840000081
Figure BDA0002758609840000082
Figure BDA0002758609840000083
Figure BDA0002758609840000084
式中,
Figure BDA0002758609840000085
Figure BDA0002758609840000086
代表
Figure BDA0002758609840000087
Figure BDA0002758609840000088
的角度均值,
Figure BDA0002758609840000089
代表
Figure BDA00027586098400000810
的角度均值,
Figure BDA00027586098400000811
Figure BDA00027586098400000812
代表控制
Figure BDA00027586098400000813
向相应的均值处集中程度的参数;通过求解微分方程即可分别得到N1、N2、N3个角度的仿真值;
(3b)仿真模型的信道冲击响应表示为:
Figure BDA00027586098400000814
式中,
Figure BDA00027586098400000815
为直视路径的信道冲击响应分量,
Figure BDA00027586098400000816
为单跳反射路径的信道冲击响应分量,I=3,
Figure BDA00027586098400000817
为双跳反射路径的信道冲击响应分量,其表达式分别为:
Figure BDA00027586098400000818
Figure BDA00027586098400000819
Figure BDA0002758609840000091
式中:c为光速,其值为3×108,且满足λ·fc=c,λ为载波波长,fc为载波频率;
Figure BDA0002758609840000092
为散射体与传播射线相互作用产生的相位偏移,它们相互独立且在[-π,π)上服从均匀分布;功率系数ηSBi(i∈{1,2,3})和ηDB分别代表着单跳分量和双跳分量占总功率值
Figure BDA0002758609840000093
的比例,并且满足ηSB1SB2SB3DB=1,在城市场景下可将功率系数设置为ηSB1=0.126,ηSB2=0.126,ηSB3=0.063,ηDB=0.685;在仿真实验中,通过对功率系数提前赋值来指明各个反射分量在总反射中的含量,从而表征在不同场景下的信道模型,在高车流密度场景下功率系数赋值时需满足ηSB3>max{ηSB1SB2}>ηDB,在低车流密度场景下功率系数赋值时需满足ηDB>max{ηSB1SB2SB3};
(3c)基于生成的非平稳车对车仿真模型,根据信道的冲击响应函数获得信道的时变空时互相关函数,再获得信道的时变时间自相关函数和时变空间互相关函数,信道的时变空时互相关函数表达式为:
Figure BDA0002758609840000094
式中:(·)*代表复共轭运算算子;E[·]代表统计期望运算算子;
当令仿真模型的时变空时相关函数中的天线阵元的间距δT、δR为0时,得到仿真模型的时变时间自相关函数,其表达式为:
Figure BDA0002758609840000095
当令时变空时相关函数中的时间间隔τ为0时,得到仿真模型的时变空间互相关函数,其表达式为:
Figure BDA0002758609840000101
所述步骤(4)具体包括以下步骤:
(4a)在信号发送车辆和信号接收车辆以任意速度和方向行驶过程中,实时计算车对车信道的时间自相关函数,将t不为0时得到的时间自相关函数与平稳状态下即初始时刻的时间自相关函数作差,捕捉到车辆运动时信道时间自相关函数的非平稳特征NWSSACF
Figure BDA0002758609840000102
式中:NWSSACF代表信道时间自相关函数的非平稳特征,t0代表初始时刻,即t0=0;
(4b)在信号接收车辆和信号发送车辆以任意速度和方向行驶过程中,实时计算车对车信道的空间互相关函数,将t不为0时得到的空间互相关函数与平稳状态下即初始时刻的空间互相关函数作差,捕捉到车辆运动时信道空间互相关函数的非平稳特征NWSSCCF
Figure BDA0002758609840000103
由上述技术方案可知,本发明的有益效果为:第一,本发明在生成的非平稳车对车仿真模型的基础上,能够避免受到车辆运动方向的限制,提取收发车辆以任意方向和速度运行时信道的非平稳特征;第二,本发明通过考虑模型中的多时变参数,包括时变车辆直线距离、时变莱斯因子、时变水平和俯仰角度、时变反射路径长度和时变多普勒频移,能够模拟并提取V2V信道在时延域和空间域非平稳特性;第三,本发明中所生成的非平稳车对车仿真模型丰富了车对车信道模型库,可用于研究一般场景下系统参数对信道特性的影响,如散射体运动速度、车辆行驶方向、车辆间初始距离。
附图说明
图1是本发明的方法流程图;
图2是三维非平稳V2V信道几何模型示意图;
图3是三维非平稳V2V信道几何模型俯视图及其非平稳特性示意图;
图4是通过本发明提取的V2V信道时间自相关函数非平稳特征示意图;
图5是通过本发明提取的V2V信道空间互相关函数非平稳特征示意图;
图6是不同行驶方向时的信道时变时间自相关函数示意图;
图7是不同行驶方向时的信道时变空间互相关函数示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法,该方法包括下列顺序的步骤:
(1)根据信号发送车辆、信号接收车辆和散射体的位置建立车对车信道参考模型;
(2)基于车对车参考模型中的几何关系,计算信道中信号发送车辆和信号接收车辆的时变直线距离、时变莱斯因子、时变角度、时变反射路径长度和时变多普勒频移;
(3)生成非平稳车对车信道仿真模型,推导仿真信道的时变时间自相关函数和时变空间互相关函数;
(4)提取车辆运动时的信道非平稳特征。
所述步骤(1)具体是指:
车对车信道参考模型由两个2D圆环和一个3D椭圆柱构成,其中,两个2D圆环的圆心分别代表信号发送车辆和信号接收车辆,信号发送车辆和信号接收车辆上分别配备有MT根和MR根全向天线,且全向天线呈均匀线性阵列分布,信号发送车辆的天线阵元的间距为δT,信号接收车辆的天线阵元的间距为δR,信号发送车辆和信号接收车辆之间的初始距离为D0;所述两个2D圆环是指一号圆环和二号圆环,所述一号圆环为围绕在信号发送车辆周围的散射体,二环为围绕在信号接收车辆周围的散射体,一号圆环的半径为RT,二号圆环的半径为RR,且满足D0>>max{RT,RR}、min{RT,RR}>>max{δTR};
3D椭圆柱代表围绕信号发送车辆和信号接收车辆的静态散射体,信号发送车辆和信号接收车辆分别位于椭圆柱底面椭圆的两个焦点上,即两个2D圆环的圆心分别与椭圆柱底面椭圆的两个焦点重合,椭圆柱底面椭圆的焦距即信号发送车辆和信号接收车辆间的初始距离D0,其半长轴、半短轴和半焦距分别用a、b、f表示,且满足D0=2f,min{a-f}>>max{δTR};
无线信号由信号发送车辆直接到达信号接收车辆所经历的路径为直视路径LOS,路径长度记为
Figure BDA0002758609840000121
直视路径从信号发送车辆出发的水平离开角和到达信号接收车辆的水平到达角分别记为
Figure BDA0002758609840000122
由信号发送车辆发出经过一号圆环上移动散射体反射后到达信号接收车辆的路径为一号圆环单跳反射路径SB1,路径长度记为εpqn1;由信号发送车辆发出经过二号圆环上移动散射体反射后到达信号接收车辆的路径为二号圆环单跳反射路径SB2,路径长度记为εpqn2;由信号发送车辆发出经过椭圆柱上静态散射体反射后到达信号接收车辆的路径为静态单跳反射路径SB3,路径长度记为εpqn3;各单跳路径的水平离开角和水平到达角分别记为
Figure BDA0002758609840000123
i∈{1,2,3},静态单跳反射路径的离开仰角和到达仰角分别记为
Figure BDA0002758609840000124
由信号发送车辆发出先后经过一号圆环和二号圆环上移动散射体两次反射后到达信号接收车辆的路径为双跳反射路径DB,路径长度记为εpqn1n2,双跳路径的水平离开角和水平到达角分别为
Figure BDA0002758609840000125
所述步骤(2)具体包括以下步骤:
(2a)信号发送车辆的速度大小和方向分别为VT和γT,信号接收车辆的速度大小和方向分别为VR和γR,计算信号发送车辆和信号接收车辆之间的时变直线距离D(t):
Figure BDA0002758609840000131
式中:
Figure BDA0002758609840000132
t表示信号接收车辆和信号发送车辆的行驶时间,D0表示信号接收车辆和信号发送车辆之间的初始距离;
(2b)计算信道的时变莱斯因子K:
Figure BDA0002758609840000133
(2c)计算时变角度,时变角度包括由散射体运动引起的时变水平到达角
Figure BDA0002758609840000134
时变水平离开角
Figure BDA0002758609840000135
以及时变离开仰角
Figure BDA0002758609840000136
对于SB1单跳反射路径的时变水平到达角
Figure BDA0002758609840000137
和SB2单跳反射路径的时变水平离开角
Figure BDA0002758609840000138
Figure BDA0002758609840000139
Figure BDA00027586098400001310
式中:
Figure BDA00027586098400001311
Figure BDA00027586098400001312
分别为SB1单跳反射路径的离开角和SB2单跳反射路径的到达角,在[-π,π)上服从冯.米塞斯分布(下式中的α可表示为
Figure BDA00027586098400001313
Figure BDA00027586098400001314
):
Figure BDA00027586098400001315
其中,α0为角度的均值方向;I0(.)为零阶贝塞尔函数;k为控制角度集中于均值方向程度的参数,当k=0时角度均匀的分散在各个方向,即角度服从均匀分布,随着k值的增大,角度的分布方向不断向均值α0处集中,分布将趋向于正太分布,当k→∞时,角度的分布方向完全集中在均值α0处,即极度的非各向同性。本发明用
Figure BDA0002758609840000141
代表
Figure BDA0002758609840000142
角度概率密度函数中的均值,用
Figure BDA0002758609840000143
代表控制
Figure BDA0002758609840000144
集中程度的参数;
对于SB3单跳反射路径的时变水平离开角
Figure BDA0002758609840000145
和时变离开仰角
Figure BDA0002758609840000146
Figure BDA0002758609840000147
Figure BDA0002758609840000148
式中:
Figure BDA0002758609840000149
为椭圆柱离心率的倒数值,
Figure BDA00027586098400001410
分别为SB3单跳反射路径的到达水平角和到达仰角,分别在[-π,π)和[-π/2,π/2)上服从VMF分布:
Figure BDA00027586098400001411
式中:
Figure BDA00027586098400001412
Figure BDA00027586098400001413
Figure BDA00027586098400001414
分别代表水平角
Figure BDA00027586098400001415
和仰角
Figure BDA00027586098400001416
的角度均值,
Figure BDA00027586098400001417
为控制角度
Figure BDA00027586098400001418
集中于角度均值
Figure BDA00027586098400001419
程度的参数,当
Figure BDA00027586098400001420
时,
Figure BDA00027586098400001421
的角度分布趋向于各向同性,随着k值的增加,
Figure BDA00027586098400001422
角度的分布方向不断向均值
Figure BDA00027586098400001423
处集中,当
Figure BDA00027586098400001424
时,
Figure BDA00027586098400001425
角度的分布方向完全集中在均值
Figure BDA00027586098400001426
处。
(2d)所述时变反射路径长度包括直视路径长度、一号圆环单跳反射路径长度、二号圆环单跳反射路径长度、双跳反射路径和静态单跳反射路径;
对于直视路径长度:
Figure BDA00027586098400001427
式中:
Figure BDA0002758609840000151
MT和MR为MIMO通信系统的信号发送车辆和信号接收车辆天线数,p和q为信号发送车辆和信号接收车辆的第p根和第q根天线,θT和θR为信号接收车辆和信号发送车辆天线阵列水平倾角;
对于一号圆环单跳反射路径长度:
Figure BDA0002758609840000152
式中:RT和RR分别为围绕信号发送车辆和信号接收车辆的圆环半径,εn1(t)为围绕信号发送车辆圆环上的散射体到信号接收车辆的距离:
Figure BDA0002758609840000153
对于二号圆环单跳反射路径长度:
Figure BDA0002758609840000154
式中:εn2为围绕信号接收车辆圆环上的散射体到信号发送车辆的距离,
Figure BDA0002758609840000155
对于双跳反射路径:
Figure BDA0002758609840000156
对于静态单跳反射路径:
Figure BDA0002758609840000157
式中:
Figure BDA0002758609840000158
为散射体高度,lT=2a-lR,b为椭圆柱的半短轴,a为椭圆柱的半长轴,f为椭圆的半焦距;
(2e)计算时变多普勒频移,时变多普勒频移包括信号接收车辆和信号发送车辆和移动散射体运动引起的直视路径上的多普勒频移fLOS、一号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB1、二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB2、静态单跳反射路径上的多普勒频移fSB3和双跳反射路径上的多普勒频移fDB
直视路径上的多普勒频移fLOS的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000161
式中,
Figure BDA0002758609840000162
分别为信号发送车辆和信号接收车辆运动引起的最大多普勒频移,
Figure BDA0002758609840000163
分别为LOS分量的水平离开角和水平到达角,c为光速,其值为3×108
一号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB1的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000164
式中:fS1为信号发送车辆端周围的散射体运动引起的多普勒频移,γS1为围绕信号发送车辆移动散射体的运动方向;fc为载波频率;
二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB2的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000165
式中,
Figure BDA0002758609840000166
为信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移,VS2为围绕信号接收车辆移动散射体的运动速度,γS2为围绕信号接收车辆移动散射体的运动方向;
静态单跳反射路径上的多普勒频移fSB3的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000167
双跳反射路径上的多普勒频移fDB的计算公式如下:
Figure BDA0002758609840000171
所述步骤(3)中时变时间自相关函数和时变空间互相关函数的计算步骤如下:
(3a)选取散射体数目N1=N2=N3=60,对于
Figure BDA0002758609840000172
采用修正的等面积修补MMEA进行角度参数的确定,对于
Figure BDA0002758609840000173
Figure BDA0002758609840000174
采用等体积法MEV进行角度的联合求解,其具体方法为:
Figure BDA0002758609840000175
Figure BDA0002758609840000176
式中,N1为位于一环上的散射体数目,N2为位于二环上的散射体数目,N3为椭圆柱上的静态散射体数目,
Figure BDA0002758609840000177
分别为角度
Figure BDA0002758609840000178
Figure BDA0002758609840000179
服从的分布,
Figure BDA00027586098400001710
Figure BDA00027586098400001711
Figure BDA00027586098400001712
Figure BDA00027586098400001713
联合分布的边缘概率密度函数,它们的表达式为:
Figure BDA00027586098400001714
Figure BDA00027586098400001715
Figure BDA0002758609840000181
Figure BDA0002758609840000182
式中,
Figure BDA0002758609840000183
Figure BDA0002758609840000184
代表
Figure BDA0002758609840000185
Figure BDA0002758609840000186
的角度均值,
Figure BDA0002758609840000187
代表
Figure BDA0002758609840000188
的角度均值,
Figure BDA0002758609840000189
Figure BDA00027586098400001810
代表控制
Figure BDA00027586098400001811
向相应的均值处集中程度的参数;通过求解微分方程即可分别得到N1、N2、N3个角度的仿真值;
(3b)仿真模型的信道冲击响应表示为:
Figure BDA00027586098400001812
式中,
Figure BDA00027586098400001813
为直视路径的信道冲击响应分量,
Figure BDA00027586098400001814
为单跳反射路径的信道冲击响应分量,I=3,
Figure BDA00027586098400001815
为双跳反射路径的信道冲击响应分量,其表达式分别为:
Figure BDA00027586098400001816
Figure BDA00027586098400001817
Figure BDA00027586098400001818
式中:c为光速,其值为3×108,且满足λ·fc=c,λ为载波波长,fc为载波频率;
Figure BDA0002758609840000191
为散射体与传播射线相互作用产生的相位偏移,它们相互独立且在[-π,π)上服从均匀分布;功率系数ηSBi(i∈{1,2,3})和ηDB分别代表着单跳分量和双跳分量占总功率值
Figure BDA0002758609840000192
的比例,并且满足ηSB1SB2SB3DB=1,在城市场景下可将功率系数设置为ηSB1=0.126,ηSB2=0.126,ηSB3=0.063,ηDB=0.685;在仿真实验中,通过对功率系数提前赋值来指明各个反射分量在总反射中的含量,从而表征在不同场景下的信道模型,在高车流密度场景下功率系数赋值时需满足ηSB3>max{ηSB1SB2}>ηDB,在低车流密度场景下功率系数赋值时需满足ηDB>max{ηSB1SB2SB3};
(3c)基于生成的非平稳车对车仿真模型,根据信道的冲击响应函数获得信道的时变空时互相关函数,再获得信道的时变时间自相关函数和时变空间互相关函数,信道的时变空时互相关函数表达式为:
Figure BDA0002758609840000193
式中:(·)*代表复共轭运算算子;E[·]代表统计期望运算算子;
当令仿真模型的时变空时相关函数中的天线阵元的间距δT、δR为0时,得到仿真模型的时变时间自相关函数,其表达式为:
Figure BDA0002758609840000194
当令时变空时相关函数中的时间间隔τ为0时,得到仿真模型的时变空间互相关函数,其表达式为:
Figure BDA0002758609840000195
所述步骤(4)具体包括以下步骤:
(4a)在信号发送车辆和信号接收车辆以任意速度和方向行驶过程中,实时计算车对车信道的时间自相关函数,将t不为0时得到的时间自相关函数与平稳状态下即初始时刻的时间自相关函数作差,捕捉到车辆运动时信道时间自相关函数的非平稳特征NWSSACF
Figure BDA0002758609840000201
式中:NWSSACF代表信道时间自相关函数的非平稳特征,t0代表初始时刻,即t0=0;
(4b)在信号接收车辆和信号发送车辆以任意速度和方向行驶过程中,实时计算车对车信道的空间互相关函数,将t不为0时得到的空间互相关函数与平稳状态下即初始时刻的空间互相关函数作差,捕捉到车辆运动时信道空间互相关函数的非平稳特征NWSSCCF
Figure BDA0002758609840000202
实施例一
本发明可用于提取收发车辆以任意方向运动时的V2V信道非平稳特征,从而刻画底层V2V传播信道特性,通过调节仿真模型中的参数,适用场景具备通用性和一般性;此外基于生成的V2V信道仿真模型,可以研究内各系统参数对信道特征的影响,如散射体运动速度、车辆行驶方向、车辆间初始距离;仿真模型中的相关参数设置如下:fc=5.9GHz,D0=1000m,a=665m,RT=RR=15m,θT=θR=π/4,
Figure BDA0002758609840000203
Figure BDA0002758609840000204
ηSB1=0.126,ηSB2=0.126,ηSB3=0.063,ηDB=0.685,
Figure BDA0002758609840000205
Figure BDA0002758609840000206
图2是本发明提出的三维非平稳V2V信道几何参考模型示意图,如图所示,模型由两个2D圆环和一个3D椭圆柱构成,其中两个2D圆环的圆心分别代表信号发送车辆和信号接收车辆,信号发送车辆和信号接收车辆的运动速度大小记为VT和VR,运动方向分别记为γT和γR,TP-TP’为信号发送车辆上的天线,天线角度为θT,Tq-Tq’为信号接收车辆上的天线,天线角度为θR,两个圆环圆心之间的距离为D0;所述两个2D圆环是指一号圆环和二号圆环,所述一号圆环为围绕在信号发送车辆周围的散射体,二环为围绕在信号接收车辆周围的散射体,一号圆环的半径为RT,二号圆环的半径为RR;3D椭圆柱代表围绕信号发送车辆和信号接收车辆的静态散射体,信号发送车辆和信号接收车辆分别位于椭圆柱底面椭圆的两个焦点上,即两个2D圆环的圆心分别与椭圆柱底面椭圆的两个焦点重合,椭圆柱底面椭圆的焦距即信号发送车辆和信号接收车辆间的初始距离D0,其半长轴、半短轴和半焦距分别用a、b、f表示;图中S(n3)代表静态散射体,h为静态散射体高度,εpn3n3q为静态反射路径的长度,
Figure BDA0002758609840000211
Figure BDA0002758609840000212
分别代表静态反射路径的水平离开角和离开仰角,
Figure BDA0002758609840000213
Figure BDA0002758609840000214
分别代表静态反射路径的水平到达角和到达仰角;εpq为直视路径的长度,
Figure BDA0002758609840000215
分别代表直视路径的水平离开角和水平到达角。
图3是本发明提出的三维非平稳V2V信道几何参考模型俯视图及其非平稳特性示意图,如图所示S(n1)代表围绕在信号发送车辆周围的移动散射体,εpn1n1q为一号圆环反射路径的长度,
Figure BDA0002758609840000216
Figure BDA0002758609840000217
分别代表一号圆环反射路径的水平离开角和水平到达角;S(n2)代表围绕在信号接收车辆周围的移动散射体,εpn2n2q为二号圆环反射路径的长度,
Figure BDA0002758609840000218
Figure BDA0002758609840000219
分别代表二号圆环反射路径的水平离开角和水平到达角;εpn1n1,n2n2q为双跳反射路径的长度;在经过时间t后,信号发送车辆移动距离为VT×t,信号接收车辆移动距离为VR×t,由于信号接收车辆和信号发送车辆的运动,两车之间的时变距离为D(t)。
图4是通过本发明在0~10S内,提取的V2V信道时间自相关函数的非平稳特征,图5是通过本发明在0~10S内,提取的V2V信道空间互相关函数的非平稳特征,此时的仿真模型参数设置为γT=γS1=π/4,γR=γS2=π/6,VT=VS1=29m/s,VR=VS2=10m/s,仿真结果表明,信道的时间自相关函数和空间互相关函数的非平稳性随时间不断增强,这表明本发明可以捕捉信道的非平稳特征。
图6是通过本发明所提取的信道时间自相关函数t=5s时的非平稳特征,并且比较了在不同时刻信号接收车辆和信号发送车辆车辆运动方向对V2V信道时间自相关特性的影响,结果表明在相同的行驶方向条件下,不同时刻信道的时间自相关函数明显分离,表明本发明可以在信号接收车辆和信号发送车辆以任意方向和速度值运动时提取信道中时间自相关函数的非平稳特征;此外还可以发现,随着信号接收车辆和信号发送车辆运动方向的改变,信道的自相关特性也随之改变,在非平稳状态下(t=5s),当两车以完全相对方向(γT=0°,γR=180°)运动时,信道获得最高的时间自相关性,当信号接收车辆背离信号发送车辆运动(γT=45°,γR=30°)且随时间推移二者距离逐渐增大时,信道获得最低的时间自相关性,这表明本发明还可用于分析收端运动方向对V2V信道时间自相关特性的影响。
图7是通过本发明所提取的信道空间互相关函数t=5s时的非平稳特征,并且比较了在不同时刻信号接收车辆和信号发送车辆的车辆运动方向对V2V信道空间互相关特性的影响,仿真结果表明在不同的时刻下,信道的空间互相关函数完全分离,这表明本发明可以在信号接收车辆和信号发送车辆的以任意方向和速度值运动时提取信道中空间互相关函数的非平稳特征;此外从图中可以发现,不同运动方向下的空间互相关函数在t=0s时完全重合,而在t=5s时显著受到运动方向的影响,这表明传统的广义平稳信道无法捕捉信号接收车辆和信号发送车辆的运动方向变化对信道空时相关特性的影响,而本发明则可以铺捉到这种影响。
综上所述,本发明在生成的非平稳车对车仿真模型的基础上,能够避免受到车辆运动方向的限制,提取收发车辆以任意方向和速度运行时信道的非平稳特征;本发明中所生成的非平稳车对车仿真模型丰富了车对车信道模型库,可用于研究一般场景下系统参数对信道特性的影响,如散射体运动速度、车辆行驶方向、车辆间初始距离。

Claims (5)

1.一种车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法,其特征在于:该方法包括下列顺序的步骤:
(1)根据信号发送车辆、信号接收车辆和散射体的位置建立车对车信道参考模型;
(2)基于车对车参考模型中的几何关系,计算信道中信号发送车辆和信号接收车辆的时变直线距离、时变莱斯因子、时变角度、时变反射路径长度和时变多普勒频移;
(3)生成非平稳车对车信道仿真模型,推导仿真信道的时变时间自相关函数和时变空间互相关函数;
(4)提取车辆运动时的信道非平稳特征。
2.根据权利要求1所述的车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法,其特征在于:所述步骤(1)具体是指:
车对车信道参考模型由两个2D圆环和一个3D椭圆柱构成,其中,两个2D圆环的圆心分别代表信号发送车辆和信号接收车辆,信号发送车辆和信号接收车辆上分别配备有MT根和MR根全向天线,且全向天线呈均匀线性阵列分布,信号发送车辆的天线阵元的间距为δT,信号接收车辆的天线阵元的间距为δR,信号发送车辆和信号接收车辆之间的初始距离为D0;所述两个2D圆环是指一号圆环和二号圆环,所述一号圆环为围绕在信号发送车辆周围的散射体,二环为围绕在信号接收车辆周围的散射体,一号圆环的半径为RT,二号圆环的半径为RR,且满足D0>>max{RT,RR}、min{RT,RR}>>max{δTR};
3D椭圆柱代表围绕信号发送车辆和信号接收车辆的静态散射体,信号发送车辆和信号接收车辆分别位于椭圆柱底面椭圆的两个焦点上,即两个2D圆环的圆心分别与椭圆柱底面椭圆的两个焦点重合,椭圆柱底面椭圆的焦距即信号发送车辆和信号接收车辆间的初始距离D0,其半长轴、半短轴和半焦距分别用a、b、f表示,且满足D0=2f,min{a-f}>>max{δTR};
无线信号由信号发送车辆直接到达信号接收车辆所经历的路径为直视路径LOS,路径长度记为
Figure FDA0002758609830000021
直视路径从信号发送车辆出发的水平离开角和到达信号接收车辆的水平到达角分别记为
Figure FDA0002758609830000022
由信号发送车辆发出经过一号圆环上移动散射体反射后到达信号接收车辆的路径为一号圆环单跳反射路径SB1,路径长度记为εpqn1;由信号发送车辆发出经过二号圆环上移动散射体反射后到达信号接收车辆的路径为二号圆环单跳反射路径SB2,路径长度记为εpqn2;由信号发送车辆发出经过椭圆柱上静态散射体反射后到达信号接收车辆的路径为静态单跳反射路径SB3,路径长度记为εpqn3;各单跳路径的水平离开角和水平到达角分别记为
Figure FDA0002758609830000023
静态单跳反射路径的离开仰角和到达仰角分别记为
Figure FDA0002758609830000024
由信号发送车辆发出先后经过一号圆环和二号圆环上移动散射体两次反射后到达信号接收车辆的路径为双跳反射路径DB,路径长度记为εpqn1n2,双跳路径的水平离开角和水平到达角分别为
Figure FDA0002758609830000025
3.根据权利要求1所述的车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法,其特征在于:所述步骤(2)具体包括以下步骤:
(2a)信号发送车辆的速度大小和方向分别为VT和γT,信号接收车辆的速度大小和方向分别为VR和γR,计算信号发送车辆和信号接收车辆之间的时变直线距离D(t):
Figure FDA0002758609830000026
式中:
Figure FDA0002758609830000027
Figure FDA0002758609830000028
t表示信号接收车辆和信号发送车辆的行驶时间,D0表示信号接收车辆和信号发送车辆之间的初始距离;
(2b)计算信道的时变莱斯因子K:
Figure FDA0002758609830000031
(2c)计算时变角度,时变角度包括由散射体运动引起的时变水平到达角
Figure FDA0002758609830000032
时变水平离开角
Figure FDA0002758609830000033
以及时变离开仰角
Figure FDA0002758609830000034
对于SB1单跳反射路径的时变水平到达角
Figure FDA0002758609830000035
和SB2单跳反射路径的时变水平离开角
Figure FDA0002758609830000036
Figure FDA0002758609830000037
Figure FDA0002758609830000038
式中:
Figure FDA0002758609830000039
Figure FDA00027586098300000310
分别为SB1单跳反射路径的离开角和SB2单跳反射路径的到达角;
对于SB3单跳反射路径的时变水平离开角
Figure FDA00027586098300000311
和时变离开仰角
Figure FDA00027586098300000312
Figure FDA00027586098300000313
Figure FDA00027586098300000314
式中:
Figure FDA00027586098300000315
为椭圆柱离心率的倒数值,
Figure FDA00027586098300000316
分别为SB3单跳反射路径的到达水平角和到达仰角;
(2d)所述时变反射路径长度包括直视路径长度、一号圆环单跳反射路径长度、二号圆环单跳反射路径长度、双跳反射路径和静态单跳反射路径;
对于直视路径长度:
Figure FDA0002758609830000041
式中:
Figure FDA0002758609830000042
MT和MR为MIMO通信系统的信号发送车辆和信号接收车辆天线数,p和q为信号发送车辆和信号接收车辆的第p根和第q根天线,θT和θR为信号接收车辆和信号发送车辆天线阵列水平倾角;
对于一号圆环单跳反射路径长度:
Figure FDA0002758609830000043
式中:RT和RR分别为围绕信号发送车辆和信号接收车辆的圆环半径,εn1(t)为围绕信号发送车辆圆环上的散射体到信号接收车辆的距离:
Figure FDA0002758609830000044
对于二号圆环单跳反射路径长度:
Figure FDA0002758609830000045
式中:εn2为围绕信号接收车辆圆环上的散射体到信号发送车辆的距离,
Figure FDA0002758609830000046
对于双跳反射路径:
Figure FDA0002758609830000047
对于静态单跳反射路径:
Figure FDA0002758609830000048
式中:
Figure FDA0002758609830000051
Figure FDA0002758609830000052
为散射体高度,lT=2a-lR,b为椭圆柱的半短轴,a为椭圆柱的半长轴,f为椭圆的半焦距;
(2e)计算时变多普勒频移,时变多普勒频移包括信号接收车辆和信号发送车辆和移动散射体运动引起的直视路径上的多普勒频移fLOS、一号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB1、二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB2、静态单跳反射路径上的多普勒频移fSB3和双跳反射路径上的多普勒频移fDB
直视路径上的多普勒频移fLOS的计算公式如下:
Figure FDA0002758609830000053
式中,
Figure FDA0002758609830000054
分别为信号发送车辆和信号接收车辆运动引起的最大多普勒频移,
Figure FDA0002758609830000055
分别为LOS分量的水平离开角和水平到达角,c为光速,其值为3×108
一号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB1的计算公式如下:
Figure FDA0002758609830000056
式中:fS1为信号发送车辆端周围的散射体运动引起的多普勒频移,γS1为围绕信号发送车辆移动散射体的运动方向;fc为载波频率;
二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移fSB2的计算公式如下:
Figure FDA0002758609830000057
式中,
Figure FDA0002758609830000058
为信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移,VS2为围绕信号接收车辆移动散射体的运动速度,γS2为围绕信号接收车辆移动散射体的运动方向;
静态单跳反射路径上的多普勒频移fSB3的计算公式如下:
Figure FDA0002758609830000061
双跳反射路径上的多普勒频移fDB的计算公式如下:
Figure FDA0002758609830000062
4.根据权利要求1所述的车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法,其特征在于:所述步骤(3)中时变时间自相关函数和时变空间互相关函数的计算步骤如下:
(3a)选取散射体数目N1=N2=N3=60,对于
Figure FDA0002758609830000063
采用修正的等面积修补MMEA进行角度参数的确定,对于
Figure FDA0002758609830000064
Figure FDA0002758609830000065
采用等体积法MEV进行角度的联合求解,其具体方法为:
Figure FDA0002758609830000066
Figure FDA0002758609830000067
式中,N1为位于一环上的散射体数目,N2为位于二环上的散射体数目,N3为椭圆柱上的静态散射体数目,
Figure FDA0002758609830000068
分别为角度
Figure FDA0002758609830000069
Figure FDA00027586098300000610
服从的分布,
Figure FDA00027586098300000611
Figure FDA00027586098300000612
Figure FDA00027586098300000613
Figure FDA00027586098300000614
联合分布的边缘概率密度函数,它们的表达式为:
Figure FDA0002758609830000071
Figure FDA0002758609830000072
Figure FDA0002758609830000073
Figure FDA0002758609830000074
式中,
Figure FDA0002758609830000075
Figure FDA0002758609830000076
代表
Figure FDA0002758609830000077
Figure FDA0002758609830000078
的角度均值,
Figure FDA0002758609830000079
代表
Figure FDA00027586098300000710
的角度均值,
Figure FDA00027586098300000711
Figure FDA00027586098300000712
代表控制
Figure FDA00027586098300000713
向相应的均值处集中程度的参数;通过求解微分方程即可分别得到N1、N2、N3个角度的仿真值;
(3b)仿真模型的信道冲击响应表示为:
Figure FDA00027586098300000714
式中,
Figure FDA00027586098300000715
为直视路径的信道冲击响应分量,
Figure FDA00027586098300000716
为单跳反射路径的信道冲击响应分量,I=3,
Figure FDA00027586098300000717
为双跳反射路径的信道冲击响应分量,其表达式分别为:
Figure FDA0002758609830000081
Figure FDA0002758609830000082
Figure FDA0002758609830000083
式中:c为光速,其值为3×108,且满足λ·fc=c,λ为载波波长,fc为载波频率;
Figure FDA0002758609830000084
为散射体与传播射线相互作用产生的相位偏移,它们相互独立且在[-π,π)上服从均匀分布;功率系数ηSBi(i∈{1,2,3})和ηDB分别代表着单跳分量和双跳分量占总功率值
Figure FDA0002758609830000085
的比例,并且满足ηSB1SB2SB3DB=1,在城市场景下可将功率系数设置为ηSB1=0.126,ηSB2=0.126,ηSB3=0.063,ηDB=0.685;在仿真实验中,通过对功率系数提前赋值来指明各个反射分量在总反射中的含量,从而表征在不同场景下的信道模型,在高车流密度场景下功率系数赋值时需满足ηSB3>max{ηSB1SB2}>ηDB,在低车流密度场景下功率系数赋值时需满足ηDB>max{ηSB1SB2SB3};
(3c)基于生成的非平稳车对车仿真模型,根据信道的冲击响应函数获得信道的时变空时互相关函数,再获得信道的时变时间自相关函数和时变空间互相关函数,信道的时变空时互相关函数表达式为:
Figure FDA0002758609830000091
式中:(·)*代表复共轭运算算子;E[·]代表统计期望运算算子;
当令仿真模型的时变空时相关函数中的天线阵元的间距δT、δR为0时,得到仿真模型的时变时间自相关函数,其表达式为:
Figure FDA0002758609830000092
当令时变空时相关函数中的时间间隔τ为0时,得到仿真模型的时变空间互相关函数,其表达式为:
Figure FDA0002758609830000093
5.根据权利要求1所述的车对车MIMO信道的非平稳特征提取方法,其特征在于:所述步骤(4)包括以下步骤:
(4a)在信号发送车辆和信号接收车辆以任意速度和方向行驶过程中,实时计算车对车信道的时间自相关函数,将t不为0时得到的时间自相关函数与平稳状态下即初始时刻的时间自相关函数作差,捕捉到车辆运动时信道时间自相关函数的非平稳特征NWSSACF
Figure FDA0002758609830000094
式中:NWSSACF代表信道时间自相关函数的非平稳特征,t0代表初始时刻,即t0=0;
(4b)在信号接收车辆和信号发送车辆以任意速度和方向行驶过程中,实时计算车对车信道的空间互相关函数,将t不为0时得到的空间互相关函数与平稳状态下即初始时刻的空间互相关函数作差,捕捉到车辆运动时信道空间互相关函数的非平稳特征NWSSCCF
Figure FDA0002758609830000095
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