CN113225711B - 一种隧道场景车对车mimo无线信道容量估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道场景车对车MIMO无线信道容量估计方法，包括：根据无线信号发送车辆、无线信号接收车辆、散射体之间的位置以及车身高度，建立隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道几何模型；计算所述车对车无线信道几何模型中的角度、信号反射路径长度和多普勒频移；生成隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道仿真模型，计算隧道场景车对车无线信道容量。本发明在生成的车对车信道仿真模型中添加了无线信号的水平地面反射路径，贴近于隧道环境下的无线信号真实传播特性，可用于隧道场景下的无线信道容量估计；本发明通过调节车对车仿真模型参数，可用于隧道场景下不同车流密度时的无线信道容量估计。

Description

一种隧道场景车对车MIMO无线信道容量估计方法

技术领域d

本发明涉及车对车无线通信技术领域，尤其是一种隧道场景车对车MIMO无线信道容量估计方法。

背景技术

随着第五代(fifth-generation,5G)移动通信网络的普及和车联网技术的快速发展，车对车(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估计信道中的统计特性具有重要意义，而信道建模是研究电平通过率、衰落持续时间、信道容量等信道统计特性的一种有效手段。

信道容量是通信系统能无差错传输信息的最大速率，是衡量通信系统性能优劣的重要指标，因此对于通信系统信道容量的准确估计受到了学者们的广泛关注。现有文献利用车对车信道模型估计通信系统的信道容量，但多数模型都仅适用于高速公路和城市街道两种典型通信场景，而对于隧道环境这种特殊场景的车对车信道模型的研究则较为缺乏，因此为了能够准确描述隧道场景的无线信号传输特性，从而对该场景下的通信系统信道容量进行准确评估，现有研究提出了适用于隧道场景下的车对车信道模型。但是现有车对车信道模型在刻画隧道场景下的无线信号传播路径时，都忽视了信号发送车辆和信号接收车辆位于同一水平面时的无线信号地面反射路径，即忽略了无线信号的水平地面反射，而实验表明当信号接收端和信号发送端位于同一平面时，无线信号仍然会存在一定量且不可忽视的地面反射分量，到目前为止，还没有一种车对车信道模型能够模拟两车处于同一水平面时的无线信号地面反射路径，这将会给隧道场景下的无线信道容量估计带来一定的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过引入无线信号水平地面反射路径，贴近于隧道环境下的无线信号真实传播特性的隧道场景车对车MIMO无线信道容量估计方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种隧道场景车对车MIMO无线信道容量估计方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)根据无线信号发送车辆、无线信号接收车辆、散射体之间的位置以及车身高度，建立隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道几何模型；

(2)计算所述车对车无线信道几何模型中的角度、信号反射路径长度和多普勒频移；

(3)生成隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道仿真模型，计算隧道场景车对车无线信道容量。

所述步骤(1)中隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道几何模型由两个2D圆环、一个3D半椭球体和一个3D椭圆柱构成，其中两个2D圆环的圆心分别代表无线信号发送车辆和无线信号接收车辆，无线信号发送车辆和无线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，无线信号发送车辆上的任意两根相邻全向天线的间距为δ_T，无线信号接收车辆上的任意两根相邻全向天线的间距为δ_R，两个2D圆环的圆心间的距离为D；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无线信号发送车辆周围的移动散射体，共有N₁个移动散射体分布在一号圆环上，第n₁个移动散射体表示为

二号圆环为围绕在无线信号接收车辆周围的移动散射体，共有N₂个移动散射体分布在二号圆环上，第n₂个移动散射体表示为

一号圆环的半径为R_T，二号圆环的半径为R_R，且满足D＞＞max{R_T,R_R}、min{R_T,R_R}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D半椭球体代表围绕无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的隧道上部弯曲墙壁，共有N₃个静态散射体分布在半椭球体上，第n₃个静态散射体表示为

无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D半椭球体底面椭圆的两个焦点上，即两个2D圆环的圆心分别与3D半椭球体底面椭圆的两个焦点重合，3D半椭球体底面椭圆的焦距即无线信号发送车辆和无线信号接收车辆间的距离D，其半长轴、半短轴和半焦距分别用a、b、f表示，且满足D＝2f，min{a-f}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D椭圆柱代表围绕在无线信号发送车辆和无线信号接收车辆周围、与车身高度H₀相等的垂直隧道墙壁，无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点上，两个2D圆环的圆心分别与3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点重合，即3D椭圆柱顶面椭圆与3D半椭球体的底面椭圆相重合；二号圆环在3D椭圆柱底面椭圆上有一个半径为R_R的投影区域，共有N_G个地面有效散射体分布在该投影区域内上，第n_G个地面有效散射体表示为

无线信号由无线信号发送车辆直接到达无线信号接收车辆所经历的路径为直视路径LOS，路径长度记为ε_pq，直视路径从无线信号发送车辆出发的水平离开角和到达无线信号接收车辆的水平到达角分别记为

和

由无线信号发送车辆发出经过散射体

反射后到达无线信号接收车辆的路径为SB_i单跳反射路径，路径长度记为

SB_i单跳反射路径的水平离开角和水平到达角分别记为

SB₃单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为

SB_G单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为

由无线信号发送车辆发出先后经过散射体

和

两次反射后到达无线信号接收车辆的路径为DB双跳反射路径，路径长度记为

DB双跳反射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)计算车对车无线信道几何模型中的角度，所述角度包括SB₁单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB₂单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB₃单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB_G单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB₃单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角

SB_G单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角

对于水平到达角

和水平离开角

采用修正的等面积修补法进行计算，其具体方法为：

式中，

分别为

所对应的连续变量，

分别为连续变量

的均值，在隧道场景下将参数设置为

I₀(.)为第一类零阶贝塞尔函数；

和

分别为控制连续变量

向相应的均值

处集中程度的参数，在车对车无线信道几何模型中设置

和

的值越大，

则向相应的均值处的集中程度越高；

对于到达俯仰角

其计算公式为：

式中，β_m代表到达俯仰角

的最大值；

对于水平离开角

水平到达角

和离开俯仰角

其计算公式为：

式中，

为静态散射体

到信号发送车辆天线中心的距离，

为静态散射体

到信号接收车辆天线中心的距离，其计算公式为：

对于SB_G单跳反射路径的水平离开角

离开俯仰角

和到达俯仰角

先计算第n_G个地面有效散射体的所在地面散射半径

其计算公式为：

对于水平离开角

离开俯仰角

和到达俯仰角

其计算公式为：

(2b)计算车对车无线信道几何模型中的信号反射路径长度，所述信号反射路径包括直视路径、SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径、SB₃单跳反射路径、双跳反射路径和SB_G单跳反射路径；

对于直视路径长度：

ε_pq＝D-k_pδ_T cosθ_T+k_qδ_R cosθ_R

式中：

M_T和M_R分别为MIMO通信系统的无线信号发送车辆和无线信号接收车辆上的全向天线数，p和q为无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的第p根和第q根天线，θ_T和θ_R为无线信号接收车辆和无线信号发送车辆天线阵列水平倾角；

对于SB₁单跳反射路径长度：

式中：R_T和R_R分别为围绕无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的圆环半径，

为移动散射体

到无线信号接收车辆天线中心的距离：

对于SB₂单跳反射路径长度：

式中：

为移动散射体

到无线信号发送车辆天线中心的距离：

对于SB₃单跳反射路径长度：

式中，

为静态散射体

到无线信号接收车辆天线中心的距离：

为静态散射体

到无线信号发送车辆天线中心的距离：

对于双跳反射路径长度：

对于SB_G单跳反射路径长度：

式中，

分别表示无线信号发送车辆第p根天线在x、y、z坐标轴上的位置坐标，

分别表示无线信号接收车辆第q根天线在x、y、z坐标轴上的位置坐标：

表示地面散射体

在x、y、z坐标轴上的位置坐标：

(2c)计算车对车无线信道几何模型中的多普勒频移，多普勒频移包括无线信号接收车辆和无线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、SB₁单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、SB₂单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2、SB₃单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3、SB_G单跳反射路径上的多普勒频移f_SBG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：V_T和γ_T分别为无线信号发送车辆的速度大小和方向，V_R和γ_R分别为无线信号接收车辆的速度大小和方向f_Tm＝V_Tf_c/c、f_Rm＝V_Rf_c/c分别为无线信号发送车辆和无线信号接收车辆运动引起的最大多普勒频移，f_c为载波频率，

为直视路径的水平离开角和水平到达角，c为光速，其值为3×10⁸；

SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、f_SB2的计算公式如下：

式中：f_s1＝V_s1f_c/c、f_s2＝V_s2f_c/c分别为无线信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移，V_s1、V_s2为围绕无线信号发送车辆移动散射体和围绕无线信号接收车辆移动散射体的运动速度；

SB₃单跳反射路径、SB_G单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3、f_SBG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)具体包括以下步骤：

(3a)生成隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道仿真模型

它表示为一个M_R×M_T维度的矩阵，其中h_pq(t)为无线信号发送车辆第p个天线到无线信号接收车辆第q个天线之间的冲激响应，其表示为：

式中，

为直视路径的信道冲击响应分量，

为双跳反射路径的信道冲击响应分量，

分别为SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径的信道冲击响应分量，

分别为SB₃单跳反射路径、SB_G单跳反射路径的信道冲击响应分量，其表示式分别为：

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；E[]为统计期望算子；k为信道仿真模型的莱斯因子；功率系数

η_DB代表着SB_i冲激响应分量、SB_j冲激响应分量和DB冲激响应分量占总功率值

的比例，且满足

在低车流密度的隧道场景下将功率系数设置为

η_DB＝0.2；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，表征在不同车流密度的隧道场景下的信道模型，在高车流密度隧道场景下功率系数赋值时满足

在低车流密度隧道场景下功率系数赋值时满足

(3b)基于生成的隧道场景车对车无线信道仿真模型H(t)，计算隧道场景下的车对车MIMO实时无线信道容量capacity(t)：

式中：det(·)代表行列式算子，(·)^T代表矩阵转置算子，

为M_R维的单位矩阵，S为信噪比。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明在生成的车对车信道仿真模型中添加了无线信号的水平地面反射路径，贴近于隧道环境下的无线信号真实传播特性，可用于隧道场景下的无线信道容量估计；第二，本发明通过调节车对车仿真模型参数，可用于隧道场景下不同车流密度时的无线信道容量估计；第三，本发明中所生成的隧道环境车对车信道仿真模型丰富了信道模型库，可用于研究隧道环境下天线阵列参数对无线信道容量的影响，如天线单元间距、信噪比、天线单元数目。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2、图3均为隧道场景车对车信道几何模型示意图；

图4是通过本发明估算的隧道场景下两车相距10m时的无线信道容量示意图；

图5是通过本发明估算的隧道场景下两车相距15m时的无线信道容量示意图；

图6是隧道场景下不同天线单元间距时的无线信道容量示意图；

图7是隧道场景下不同信噪比时的无线信道容量示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种隧道场景车对车MIMO无线信道容量估计方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)根据无线信号发送车辆、无线信号接收车辆、散射体之间的位置以及车身高度，建立隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道几何模型；

(2)计算所述车对车无线信道几何模型中的角度、信号反射路径长度和多普勒频移；

(3)生成隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道仿真模型，计算隧道场景车对车无线信道容量。

所述步骤(1)中隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道几何模型由两个2D圆环、一个3D半椭球体和一个3D椭圆柱构成，其中两个2D圆环的圆心分别代表无线信号发送车辆和无线信号接收车辆，无线信号发送车辆和无线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，无线信号发送车辆上的任意两根相邻全向天线的间距为δ_T，无线信号接收车辆上的任意两根相邻全向天线的间距为δ_R，两个2D圆环的圆心间的距离为D；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无线信号发送车辆周围的移动散射体，共有N₁个移动散射体分布在一号圆环上，第n₁个移动散射体表示为

二号圆环为围绕在无线信号接收车辆周围的移动散射体，共有N₂个移动散射体分布在二号圆环上，第n₂个移动散射体表示为

一号圆环的半径为R_T，二号圆环的半径为R_R，且满足D＞＞max{R_T,R_R}、min{R_T,R_R}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D半椭球体代表围绕无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的隧道上部弯曲墙壁，共有N₃个静态散射体分布在半椭球体上，第n₃个静态散射体表示为

无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D半椭球体底面椭圆的两个焦点上，即两个2D圆环的圆心分别与3D半椭球体底面椭圆的两个焦点重合，3D半椭球体底面椭圆的焦距即无线信号发送车辆和无线信号接收车辆间的距离D，其半长轴、半短轴和半焦距分别用a、b、f表示，且满足D＝2f，min{a-f}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D椭圆柱代表围绕在无线信号发送车辆和无线信号接收车辆周围、与车身高度H₀相等的垂直隧道墙壁，无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点上，两个2D圆环的圆心分别与3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点重合，即3D椭圆柱顶面椭圆与3D半椭球体的底面椭圆相重合；二号圆环在3D椭圆柱底面椭圆上有一个半径为R_R的投影区域，共有N_G个地面有效散射体分布在该投影区域内上，第n_G个地面有效散射体表示为

无线信号由无线信号发送车辆直接到达无线信号接收车辆所经历的路径为直视路径LOS，路径长度记为ε_pq，直视路径从无线信号发送车辆出发的水平离开角和到达无线信号接收车辆的水平到达角分别记为

和

由无线信号发送车辆发出经过散射体

反射后到达无线信号接收车辆的路径为SB_i单跳反射路径，路径长度记为

SB_i单跳反射路径的水平离开角和水平到达角分别记为

SB₃单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为

SB_G单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为

由无线信号发送车辆发出先后经过散射体

和

两次反射后到达无线信号接收车辆的路径为DB双跳反射路径，路径长度记为

DB双跳反射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)计算车对车无线信道几何模型中的角度，所述角度包括SB₁单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB₂单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB₃单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB_G单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB₃单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角

SB_G单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角

对于水平到达角

和水平离开角

采用修正的等面积修补法进行计算，其具体方法为：

式中，

分别为

所对应的连续变量，

分别为连续变量

的均值，在隧道场景下将参数设置为

I₀(.)为第一类零阶贝塞尔函数；

和

分别为控制连续变量

向相应的均值

处集中程度的参数，在车对车无线信道几何模型中设置

和

的值越大，

则向相应的均值处的集中程度越高；

对于到达俯仰角

其计算公式为：

式中，β_m代表到达俯仰角

的最大值；

对于水平离开角

水平到达角

和离开俯仰角

其计算公式为：

式中，

为静态散射体

到信号发送车辆天线中心的距离，

为静态散射体

到信号接收车辆天线中心的距离，其计算公式为：

对于SB_G单跳反射路径的水平离开角

离开俯仰角

和到达俯仰角

先计算第n_G个地面有效散射体的所在地面散射半径

其计算公式为：

对于水平离开角

离开俯仰角

和到达俯仰角

其计算公式为：

(2b)计算车对车无线信道几何模型中的信号反射路径长度，所述信号反射路径包括直视路径、SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径、SB₃单跳反射路径、双跳反射路径和SB_G单跳反射路径；

对于直视路径长度：

ε_pq＝D-k_pδ_T cosθ_T+k_qδ_R cosθ_R

式中：

M_T和M_R分别为MIMO通信系统的无线信号发送车辆和无线信号接收车辆上的全向天线数，p和q为无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的第p根和第q根天线，θ_T和θ_R为无线信号接收车辆和无线信号发送车辆天线阵列水平倾角；

对于SB₁单跳反射路径长度：

式中：R_T和R_R分别为围绕无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的圆环半径，

为移动散射体

到无线信号接收车辆天线中心的距离：

对于SB₂单跳反射路径长度：

式中：

为移动散射体

到无线信号发送车辆天线中心的距离：

对于SB₃单跳反射路径长度：

式中，

为静态散射体

到无线信号接收车辆天线中心的距离：

为静态散射体

到无线信号发送车辆天线中心的距离：

对于双跳反射路径长度：

对于SB_G单跳反射路径长度：

式中，

分别表示无线信号发送车辆第p根天线在x、y、z坐标轴上的位置坐标，

分别表示无线信号接收车辆第q根天线在x、y、z坐标轴上的位置坐标：

表示地面散射体

在x、y、z坐标轴上的位置坐标：

(2c)计算车对车无线信道几何模型中的多普勒频移，多普勒频移包括无线信号接收车辆和无线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、SB₁单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、SB₂单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2、SB₃单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3、SB_G单跳反射路径上的多普勒频移f_SBG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：V_T和γ_T分别为无线信号发送车辆的速度大小和方向，V_R和γ_R分别为无线信号接收车辆的速度大小和方向；f_Tm＝V_Tf_c/c、f_Rm＝V_Rf_c/c分别为无线信号发送车辆和无线信号接收车辆运动引起的最大多普勒频移，f_c为载波频率，

为直视路径的水平离开角和水平到达角，c为光速，其值为3×10⁸；

SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、f_SB2的计算公式如下：

式中：f_s1＝V_s1f_c/c、f_s2＝V_s2f_c/c分别为无线信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移，V_s1、V_s2为围绕无线信号发送车辆移动散射体和围绕无线信号接收车辆移动散射体的运动速度；

SB₃单跳反射路径、SB_G单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3、f_SBG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)具体包括以下步骤：

(3a)生成隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道仿真模型

它表示为一个M_R×M_T维度的矩阵，其中h_pq(t)为无线信号发送车辆第p个天线到无线信号接收车辆第q个天线之间的冲激响应，其表示为：

式中，

为直视路径的信道冲击响应分量，

为双跳反射路径的信道冲击响应分量，

分别为SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径的信道冲击响应分量，

分别为SB₃单跳反射路径、SB_G单跳反射路径的信道冲击响应分量，其表示式分别为：

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；E[]为统计期望算子；k为信道仿真模型的莱斯因子；功率系数

η_DB代表着SB_i冲激响应分量、SB_j冲激响应分量和DB冲激响应分量占总功率值

的比例，且满足

在低车流密度的隧道场景下将功率系数设置为

η_DB＝0.2；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，表征在不同车流密度的隧道场景下的信道模型，在高车流密度隧道场景下功率系数赋值时满足

在低车流密度隧道场景下功率系数赋值时满足

(3b)基于生成的隧道场景车对车无线信道仿真模型H(t)，计算隧道场景下的车对车MIMO实时无线信道容量capacity(t)：

式中：det(·)代表行列式算子，(·)^T代表矩阵转置算子，

为M_R维的单位矩阵，S为信噪比。

实施例一

本发明可用于隧道场景下的车对车MIMO无线信道容量估计，从而了解隧道场景下的底层传播信道特性，对无线通信系统的性能进行评估，通过调节仿真模型中的参数，适用交通环境具备多样性；此外基于生成的车对车无线信道仿真模型，可以研究隧道场景下天线阵列参数对无线信道容量的影响，如天线单元间距、信噪比、天线单元数目；仿真模型中的相关参数设置如下：f_c＝5.9GHz，V_T＝V_R＝10m/s，γ_T＝γ_R＝0°，θ_T＝θ_R＝π/4，

k＝2.8，

η_DB＝0.2；

N₁＝N₂＝N₃＝N_G＝40。

图2、图3是本发明提出的隧道场景车对车信道几何模型示意图，其中图2显示了无线信号的直视路径和SB₃单跳反射路径，图3显示了无线信号的SB₁、SB₂单跳反射路径、双跳反射路径和地面反射路径。

如图2、3所示，模型由两个2D圆环、一个3D半椭球体和一个3D椭圆柱构成，其中两个2D圆环的圆心分别代表无线信号发送车辆和无线信号接收车辆，无线信号发送车辆和无线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，两个圆环圆心间的距离为D；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无线信号发送车辆周围的移动散射体，共有N₁个移动散射体分布在一号圆环上，第n₁(n₁＝1,2,...,N₁)个移动散射体表示为

二号圆环为围绕在无线信号接收车辆周围的移动散射体，共有N₂个移动散射体分布在二号圆环上，第n₂(n₂＝1,2,...,N₂)个移动散射体表示为

一号圆环的半径为R_T，二号圆环的半径为R_R；3D半椭球体代表围绕无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的隧道上部弯曲墙壁，共有N₃个静态散射体分布在3D半椭球上，第n₃(n₃＝1,2,...,N₃)个静态散射体表示为

无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D半椭球体底面椭圆的两个焦点上，即两个2D圆环的圆心分别与3D半椭球体底面椭圆的两个焦点重合，3D半椭球体底面椭圆的焦距即无线信号发送车辆和无线信号接收车辆间的距离D，其半长轴、半短轴和半焦距分别用a、b、f表示；3D椭圆柱代表围绕在无线信号发送车辆和无线信号接收车辆周围、与车身高度H₀相等的垂直隧道墙壁，无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点上，两个2D圆环的圆心分别与3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点重合，即3D椭圆柱顶面椭圆与3D半椭球体的底面椭圆相重合；二号圆环在3D椭圆柱底面椭圆上有一个半径为R_R的投影区域，共有N_G个地面有效散射体分布在该投影区域内上，第n_G(n_G＝1,2,...,N_G)个地面有效散射体表示为

无线信号由信号发送车辆直接到达无线信号接收车辆所经历的路径为直视路径LOS，路径长度记为ε_pq，直视路径从无线信号发送车辆出发的水平离开角和到达无线信号接收车辆的水平到达角分别记为

和

由无线信号发送车辆发出经过散射体

反射后到达无线信号接收车辆的路径为SB_i(i＝1,2,3,G)单跳反射路径，路径长度记为

SB_i(i＝1,2,3,G)单跳反射路径的水平离开角和水平到达角分别记为

SB₃单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为

SB_G单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为

由无线信号发送车辆发出先后经过散射体

和

两次反射后到达无线信号接收车辆的路径为DB双跳反射路径，路径长度记为

DB双跳反射路径的水平离开角和水平到达角分别为

图4是通过本发明在1s时间内，估算的隧道场景下两车相距10m时的实时信道容量和平均信道容量，此时的仿真模型参数设置为M_T＝M_R＝2，b＝99m，γ_T＝γ_R＝0°；D＝10m，R_T＝R_R＝3m，δ_T/λ＝δ_R/λ＝0.5，SNR＝20dB；仿真结果表明，隧道场景下两车相距10m时的实时信道容量围绕平均信道容量上下波动，1s时间内的平均信道容量为9.457bit/s/Hz，与相同参数条件下的实测数据9.28bit/s/Hz基本一致，表明本发明提出的无线信道容量的估计方法的准确性与实用性。

图5是通过本发明在1s时间内，估算的隧道场景下两车相距15m时的实时信道容量和平均信道容量，此时的仿真模型参数设置为M_T＝M_R＝2，b＝99m，γ_T＝γ_R＝0°；D＝15m，R_T＝R_R＝3m，δ_T/λ＝δ_R/λ＝0.5，SNR＝20dB；仿真结果表明，1s时间内的平均信道容量为9.501bit/s/Hz，与相同参数条件下的实测数据9.27bit/s/Hz基本一致，表明本发明提出的无线信道容量的估计方法的准确性与实用性。

图6是通过本发明在不同天线单元间距时估计的1s时间内隧道场景平均信道容量，并且比较了在不同信噪比下的信道容量，此时的仿真模型参数设置为M_T＝M_R＝2，b＝99m，γ_T＝γ_R＝0°；D＝300m，R_T＝R_R＝5m，δ_T/λ＝δ_R/λ＝2，SNR＝17dB；仿真结果表明，平均信道容量随着天线单元间距的增大而呈现上升趋势，但是当天线单元间距增大的一定值后，信道容量将基本保持稳定，不再随单元间距的增大而上升；此外还可以发现，随着信噪比的增加，无线信道容量将显著上升，这意味着在信噪比较大时增加信号的接收和发送天线数量，可以明显提高系统的整体性能，这也进一步表明Massive MIMO系统将会是未来车对车通信系统设计和性能改善的重要组成部分。

综上所述，本发明在生成的车对车信道仿真模型中添加了无线信号的水平地面反射路径，贴近于隧道环境下的无线信号真实传播特性，可用于隧道场景下的无线信道容量估计；本发明中所生成的隧道环境车对车信道仿真模型丰富了信道模型库，可用于研究隧道环境下天线阵列参数对无线信道容量的影响，如天线单元间距、信噪比、天线单元数目。

Claims (1)

1.一种隧道场景车对车MIMO无线信道容量估计方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：

(1)根据无线信号发送车辆、无线信号接收车辆、散射体之间的位置以及车身高度，建立隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道几何模型；

(2)计算所述车对车无线信道几何模型中的角度、信号反射路径长度和多普勒频移；

(3)生成隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道仿真模型，计算隧道场景车对车无线信道容量；

所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(2a)计算车对车无线信道几何模型中的角度，所述角度包括SB₁单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB₂单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB₃单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB_G单跳反射路径的水平离开角和水平到达角

SB₃单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角

SB_G单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角

对于水平到达角

和水平离开角

采用修正的等面积修补法进行计算，其具体方法为：

式中，

分别为

所对应的连续变量，

分别为连续变量

的均值，在隧道场景下将参数设置为

I₀(.)为第一类零阶贝塞尔函数；

和

分别为控制连续变量

向相应的均值

处集中程度的参数，在车对车无线信道几何模型中设置

和

的值越大，

则向相应的均值处的集中程度越高；

对于到达俯仰角

其计算公式为：

式中，β_m代表到达俯仰角

的最大值；

对于水平离开角

水平到达角

和离开俯仰角

其计算公式为：

式中，

为静态散射体

到信号发送车辆天线中心的距离，

为静态散射体

到信号接收车辆天线中心的距离，其计算公式为：

对于SB_G单跳反射路径的水平离开角

离开俯仰角

和到达俯仰角

先计算第n_G个地面有效散射体的所在地面散射半径

其计算公式为：

对于水平离开角

离开俯仰角

和到达俯仰角

其计算公式为：

(2b)计算车对车无线信道几何模型中的信号反射路径长度，所述信号反射路径包括直视路径、SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径、SB₃单跳反射路径、双跳反射路径和SB_G单跳反射路径；

对于直视路径长度：

ε_pq＝D-k_pδ_Tcosθ_T+k_qδ_Rcosθ_R

式中：

M_T和M_R分别为MIMO通信系统的无线信号发送车辆和无线信号接收车辆上的全向天线数，p和q为无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的第p根和第q根天线，θ_T和θ_R为无线信号接收车辆和无线信号发送车辆天线阵列水平倾角；

对于SB₁单跳反射路径长度：

式中：R_T和R_R分别为围绕无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的圆环半径，

为移动散射体

到无线信号接收车辆天线中心的距离：

对于SB₂单跳反射路径长度：

式中：

为移动散射体

到无线信号发送车辆天线中心的距离：

对于SB₃单跳反射路径长度：

式中，

为静态散射体

到无线信号接收车辆天线中心的距离：

为静态散射体

到无线信号发送车辆天线中心的距离：

对于双跳反射路径长度：

对于SB_G单跳反射路径长度：

式中，

分别表示无线信号发送车辆第p根天线在x、y、z坐标轴上的位置坐标，

分别表示无线信号接收车辆第q根天线在x、y、z坐标轴上的位置坐标：

表示地面散射体

在x、y、z坐标轴上的位置坐标：

(2c)计算车对车无线信道几何模型中的多普勒频移，多普勒频移包括无线信号接收车辆和无线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、SB₁单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、SB₂单跳反射路径上的多普勒频移f_SB2、SB₃单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3、SB_G单跳反射路径上的多普勒频移f_SBG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：V_T和γ_T分别为无线信号发送车辆的速度大小和方向，V_R和γ_R分别为无线信号接收车辆的速度大小和方向；f_Tm＝V_Tf_c/c、f_Rm＝V_Rf_c/c分别为无线信号发送车辆和无线信号接收车辆运动引起的最大多普勒频移，f_c为载波频率，

为直视路径的水平离开角和水平到达角，c为光速，其值为3×10⁸；

SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径上的多普勒频移f_SB1、f_SB2的计算公式如下：

式中：f_s1＝V_s1f_c/c、f_s2＝V_s2f_c/c分别为无线信号接收车辆周围的散射体运动引起的多普勒频移，V_s1、V_s2为围绕无线信号发送车辆移动散射体和围绕无线信号接收车辆移动散射体的运动速度；

SB₃单跳反射路径、SB_G单跳反射路径上的多普勒频移f_SB3、f_SBG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(1)中隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道几何模型由两个2D圆环、一个3D半椭球体和一个3D椭圆柱构成，其中两个2D圆环的圆心分别代表无线信号发送车辆和无线信号接收车辆，无线信号发送车辆和无线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，无线信号发送车辆上的任意两根相邻全向天线的间距为δ_T，无线信号接收车辆上的任意两根相邻全向天线的间距为δ_R，两个2D圆环的圆心间的距离为D；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无线信号发送车辆周围的移动散射体，共有N₁个移动散射体分布在一号圆环上，第n₁个移动散射体表示为

二号圆环为围绕在无线信号接收车辆周围的移动散射体，共有N₂个移动散射体分布在二号圆环上，第n₂个移动散射体表示为

一号圆环的半径为R_T，二号圆环的半径为R_R，且满足D＞＞max{R_T,R_R}、min{R_T,R_R}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D半椭球体代表围绕无线信号发送车辆和无线信号接收车辆的隧道上部弯曲墙壁，共有N₃个静态散射体分布在半椭球体上，第n₃个静态散射体表示为

无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D半椭球体底面椭圆的两个焦点上，即两个2D圆环的圆心分别与3D半椭球体底面椭圆的两个焦点重合，3D半椭球体底面椭圆的焦距即无线信号发送车辆和无线信号接收车辆间的距离D，其半长轴、半短轴和半焦距分别用a、b、f表示，且满足D＝2f，min{a-f}＞＞max{δ_T,δ_R}；

3D椭圆柱代表围绕在无线信号发送车辆和无线信号接收车辆周围、与车身高度H₀相等的垂直隧道墙壁，无线信号发送车辆和无线信号接收车辆分别位于3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点上，两个2D圆环的圆心分别与3D椭圆柱顶面椭圆的两个焦点重合，即3D椭圆柱顶面椭圆与3D半椭球体的底面椭圆相重合；二号圆环在3D椭圆柱底面椭圆上有一个半径为R_R的投影区域，共有N_G个地面有效散射体分布在该投影区域内上，第n_G个地面有效散射体表示为

无线信号由无线信号发送车辆直接到达无线信号接收车辆所经历的路径为直视路径LOS，路径长度记为ε_pq，直视路径从无线信号发送车辆出发的水平离开角和到达无线信号接收车辆的水平到达角分别记为

和

由无线信号发送车辆发出经过散射体

反射后到达无线信号接收车辆的路径为SB_i单跳反射路径，路径长度记为ε_pqni；SB_i单跳反射路径的水平离开角和水平到达角分别记为

SB₃单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为

SB_G单跳反射路径的离开俯仰角和到达俯仰角分别记为

由无线信号发送车辆发出先后经过散射体

和

两次反射后到达无线信号接收车辆的路径为DB双跳反射路径，路径长度记为

DB双跳反射路径的水平离开角和水平到达角分别为

所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3a)生成隧道场景下含有无线信号水平地面反射路径的车对车无线信道仿真模型

它表示为一个M_R×M_T维度的矩阵，其中h_pq(t)为无线信号发送车辆第p个天线到无线信号接收车辆第q个天线之间的冲激响应，其表示为：

式中，

为直视路径的信道冲击响应分量，

为双跳反射路径的信道冲击响应分量，

分别为SB₁单跳反射路径、SB₂单跳反射路径的信道冲击响应分量，

分别为SB₃单跳反射路径、SB_G单跳反射路径的信道冲击响应分量，其表示式分别为：

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；E[]为统计期望算子；k为信道仿真模型的莱斯因子；功率系数

η_DB代表着SB_i冲激响应分量、SB_j冲激响应分量和DB冲激响应分量占总功率值

的比例，且满足

在低车流密度的隧道场景下将功率系数设置为

η_DB＝0.2；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，表征在不同车流密度的隧道场景下的信道模型，在高车流密度隧道场景下功率系数赋值时满足

在低车流密度隧道场景下功率系数赋值时满足

(3b)基于生成的隧道场景车对车无线信道仿真模型H(t)，计算隧道场景下的车对车MIMO实时无线信道容量capacity(t)：

式中：det(·)代表行列式算子，(·)^T代表矩阵转置算子，

为M_R维的单位矩阵，S为信噪比。

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