CN112333671B - 一种车对车mimo信道的非平稳特征提取方法 - Google Patents

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M_T根和M_R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δ_T，信号接收车辆的天线阵元的间距为δ_R，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，二号圆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R_T，二号圆环的半径为R_R，且满足D₀＞＞max{R_T,R_R}、min{R_T,R_R}＞＞max{δ_T,δ_R}；

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{δ_T,δ_R}；

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

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

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ε_pqn1；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ε_pqn2；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ε_pqn3；各单跳路径的水平离开角和水平到达角分别记为

静态单跳反射路径的离开仰角和到达仰角分别记为

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ε_pqn1n2，双跳路径的水平离开角和水平到达角分别为

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V_T和γ_T，信号接收车辆的速度大小和方向分别为V_R和γ_R，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)：

式中：

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：

(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

时变水平离开角

以及时变离开仰角

对于SB₁单跳反射路径的时变水平到达角

和SB₂单跳反射路径的时变水平离开角

式中：

和

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

和时变离开仰角

式中：

为椭圆柱离心率的倒数值，

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：

式中：

M_T和M_R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，θ_T和θ_R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：

式中：R_T和R_R分别为围绕信号发送车辆和信号接收车辆的圆环半径，ε_n1(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：

对于二号圆环单跳反射路径长度：

式中：ε_n2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，

对于双跳反射路径：

对于静态单跳反射路径：

式中：

为散射体高度，l_T＝2a-l_R，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f_LOS、一号圆环单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2、静态单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3和双跳反射路径上的多普勒频移f_DB：

直视路径上的多普勒频移f_LOS的计算公式如下：

式中，

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，

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f_SB1的计算公式如下：

式中：f_S1为信号发送车辆端周围的散射体运动引起的多普勒频移，γ_S1为围绕信号发送车辆移动散射体的运动方向；f_c为载波频率；

二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2的计算公式如下：

式中，

为信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移，V_S2为围绕信号接收车辆移动散射体的运动速度，γ_S2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f_SB3的计算公式如下：

双跳反射路径上的多普勒频移f_DB的计算公式如下：

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

采用修正的等面积修补MMEA进行角度参数的确定，对于

和

采用等体积法MEV进行角度的联合求解，其具体方法为：

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，

分别为角度

和

服从的分布，

和

为

和

联合分布的边缘概率密度函数，它们的表达式为：

式中，

和

代表

和

的角度均值，

代表

的角度均值，

和

代表控制

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：

式中，

为直视路径的信道冲击响应分量，

为单跳反射路径的信道冲击响应分量，I＝3，

为双跳反射路径的信道冲击响应分量，其表达式分别为：

式中：c为光速，其值为3×10⁸，且满足λ·f_c＝c，λ为载波波长，f_c为载波频率；

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η_SBi(i∈{1,2,3})和η_DB分别代表着单跳分量和双跳分量占总功率值

的比例，并且满足η_SB1+η_SB2+η_SB3+η_DB＝1，在城市场景下将功率系数设置为η_SB1＝0.126，η_SB2＝0.126，η_SB3＝0.063，η_DB＝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η_SB3＞max{η_SB1,η_SB2}＞η_DB，在低车流密度场景下功率系数赋值时需满足η_DB＞max{η_SB1,η_SB2,η_SB3}；

(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：

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δ_T、δ_R为0时，得到仿真模型的时变时间自相关函数，其表达式为：

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：

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NWSS_ACF：

式中：NWSS_ACF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NWSS_CCF：

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M_T根和M_R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δ_T，信号接收车辆的天线阵元的间距为δ_R，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，二号圆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R_T，二号圆环的半径为R_R，且满足D₀＞＞max{R_T,R_R}、min{R_T,R_R}＞＞max{δ_T,δ_R}；

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{δ_T,δ_R}；

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

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

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ε_pqn1；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ε_pqn2；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ε_pqn3；各单跳路径的水平离开角和水平到达角分别记为

静态单跳反射路径的离开仰角和到达仰角分别记为

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ε_pqn1n2，双跳路径的水平离开角和水平到达角分别为

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V_T和γ_T，信号接收车辆的速度大小和方向分别为V_R和γ_R，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)：

式中：

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：

(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

时变水平离开角

以及时变离开仰角

对于SB₁单跳反射路径的时变水平到达角

和SB₂单跳反射路径的时变水平离开角

式中：

和

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

和

)：

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

代表

角度概率密度函数中的均值，用

代表控制

集中程度的参数；

对于SB₃单跳反射路径的时变水平离开角

和时变离开仰角

式中：

为椭圆柱离心率的倒数值，

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：

式中：

β₀∈[-π/2,π/2)，

和

分别代表水平角

和仰角

的角度均值，

为控制角度

集中于角度均值

程度的参数，当

时，

的角度分布趋向于各向同性，随着k值的增加，

角度的分布方向不断向均值

处集中，当

时，

角度的分布方向完全集中在均值

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：

式中：

M_T和M_R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，θ_T和θ_R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：

式中：R_T和R_R分别为围绕信号发送车辆和信号接收车辆的圆环半径，ε_n1(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：

对于二号圆环单跳反射路径长度：

式中：ε_n2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，

对于双跳反射路径：

对于静态单跳反射路径：

式中：

为散射体高度，l_T＝2a-l_R，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f_LOS、一号圆环单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2、静态单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3和双跳反射路径上的多普勒频移f_DB：

直视路径上的多普勒频移f_LOS的计算公式如下：

式中，

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，

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f_SB1的计算公式如下：

式中：f_S1为信号发送车辆端周围的散射体运动引起的多普勒频移，γ_S1为围绕信号发送车辆移动散射体的运动方向；f_c为载波频率；

二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2的计算公式如下：

式中，

为信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移，V_S2为围绕信号接收车辆移动散射体的运动速度，γ_S2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f_SB3的计算公式如下：

双跳反射路径上的多普勒频移f_DB的计算公式如下：

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

采用修正的等面积修补MMEA进行角度参数的确定，对于

和

采用等体积法MEV进行角度的联合求解，其具体方法为：

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，

分别为角度

和

服从的分布，

和

为

和

联合分布的边缘概率密度函数，它们的表达式为：

式中，

和

代表

和

的角度均值，

代表

的角度均值，

和

代表控制

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：

式中，

为直视路径的信道冲击响应分量，

为单跳反射路径的信道冲击响应分量，I＝3，

为双跳反射路径的信道冲击响应分量，其表达式分别为：

式中：c为光速，其值为3×10⁸，且满足λ·f_c＝c，λ为载波波长，f_c为载波频率；

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η_SBi(i∈{1,2,3})和η_DB分别代表着单跳分量和双跳分量占总功率值

的比例，并且满足η_SB1+η_SB2+η_SB3+η_DB＝1，在城市场景下将功率系数设置为η_SB1＝0.126，η_SB2＝0.126，η_SB3＝0.063，η_DB＝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η_SB3＞max{η_SB1,η_SB2}＞η_DB，在低车流密度场景下功率系数赋值时需满足η_DB＞max{η_SB1,η_SB2,η_SB3}；

(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：

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δ_T、δ_R为0时，得到仿真模型的时变时间自相关函数，其表达式为：

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：

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NWSS_ACF：

式中：NWSS_ACF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NWSS_CCF：

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：f_c＝5.9GHz，D₀＝1000m，a＝665m，R_T＝R_R＝15m，θ_T＝θ_R＝π/4，

η_SB1＝0.126，η_SB2＝0.126，η_SB3＝0.063，η_DB＝0.685，

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V_T和V_R，运动方向分别记为γ_T和γ_R，T_P-T_P’为信号发送车辆上的天线，天线角度为θ_T，T_q-T_q’为信号接收车辆上的天线，天线角度为θ_R，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R_T，二号圆环的半径为R_R；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，ε_pn3+ε_n3q为静态反射路径的长度，

和

分别代表静态反射路径的水平离开角和离开仰角，

和

分别代表静态反射路径的水平到达角和到达仰角；ε_pq为直视路径的长度，

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，ε_pn1+ε_n1q为一号圆环反射路径的长度，

和

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，ε_pn2+ε_n2q为二号圆环反射路径的长度，

和

分别代表二号圆环反射路径的水平离开角和水平到达角；ε_pn1+ε_n1,n2+ε_n2q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V_T×t，信号接收车辆移动距离为V_R×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γ_T＝γ_S1＝π/4，γ_R＝γ_S2＝π/6，V_T＝V_S1＝29m/s，V_R＝V_S2＝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(γ_T＝0°，γ_R＝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(γ_T＝45°，γ_R＝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 (1)

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；

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M_T根和M_R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δ_T，信号接收车辆的天线阵元的间距为δ_R，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，二号圆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R_T，二号圆环的半径为R_R，且满足D₀＞＞max{R_T,R_R}、min{R_T,R_R}＞＞max{δ_T,δ_R}；

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{δ_T,δ_R}；

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

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

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ε_pqn1；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ε_pqn2；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ε_pqn3；各单跳路径的水平离开角和水平到达角分别记为

静态单跳反射路径的离开仰角和到达仰角分别记为

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ε_pqn1n2，双跳路径的水平离开角和水平到达角分别为

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V_T和γ_T，信号接收车辆的速度大小和方向分别为V_R和γ_R，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)：

式中：

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：

(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

时变水平离开角

以及时变离开仰角

对于SB₁单跳反射路径的时变水平到达角

和SB₂单跳反射路径的时变水平离开角

式中：

和

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

和时变离开仰角

式中：

为椭圆柱离心率的倒数值，

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：

式中：

M_T和M_R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，θ_T和θ_R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：

式中：R_T和R_R分别为围绕信号发送车辆和信号接收车辆的圆环半径，ε_n1(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：

对于二号圆环单跳反射路径长度：

式中：ε_n2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，

对于双跳反射路径：

对于静态单跳反射路径：

式中：

为散射体高度，l_T＝2a-l_R，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f_LOS、一号圆环单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2、静态单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3和双跳反射路径上的多普勒频移f_DB：

直视路径上的多普勒频移f_LOS的计算公式如下：

式中，

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，

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f_SB1的计算公式如下：

式中：f_S1为信号发送车辆端周围的散射体运动引起的多普勒频移，γ_S1为围绕信号发送车辆移动散射体的运动方向；f_c为载波频率；

二号圆环单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2的计算公式如下：

式中，

为信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移，V_S2为围绕信号接收车辆移动散射体的运动速度，γ_S2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f_SB3的计算公式如下：

双跳反射路径上的多普勒频移f_DB的计算公式如下：

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

采用修正的等面积修补MMEA进行角度参数的确定，对于

和

采用等体积法MEV进行角度的联合求解，其具体方法为：

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，

分别为角度

和

服从的分布，

和

为

和

联合分布的边缘概率密度函数，它们的表达式为：

式中，

和

代表

和

的角度均值，

代表

的角度均值，

和

代表控制

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：

式中，

为直视路径的信道冲击响应分量，

为单跳反射路径的信道冲击响应分量，I＝3，

为双跳反射路径的信道冲击响应分量，其表达式分别为：

式中：c为光速，其值为3×10⁸，且满足λ·f_c＝c，λ为载波波长，f_c为载波频率；

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η_SBi(i∈{1,2,3})和η_DB分别代表着单跳分量和双跳分量占总功率值

的比例，并且满足η_SB1+η_SB2+η_SB3+η_DB＝1，在城市场景下将功率系数设置为η_SB1＝0.126，η_SB2＝0.126，η_SB3＝0.063，η_DB＝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η_SB3＞max{η_SB1,η_SB2}＞η_DB，在低车流密度场景下功率系数赋值时需满足η_DB＞max{η_SB1,η_SB2,η_SB3}；

(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：

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δ_T、δ_R为0时，得到仿真模型的时变时间自相关函数，其表达式为：

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：

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NWSS_ACF：

式中：NWSS_ACF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NWSS_CCF：

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