CN114915360A - 一种车车宽带通信信道的三维建模方法 - Google Patents

一种车车宽带通信信道的三维建模方法 Download PDF

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CN114915360A CN202210491185.5A CN202210491185A CN114915360A CN 114915360 A CN114915360 A CN 114915360A CN 202210491185 A CN202210491185 A CN 202210491185A CN 114915360 A CN114915360 A CN 114915360A
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邓炳光
高俊
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Abstract

本发明公开了一种车车宽带通信信道的三维建模方法，属于通信技术领域。该方法提出一个三维宽带几何随机模型，由双球模型和多共焦半椭球体模型组成，它们分别用来表征车车通信环境中的动静散射体。信道冲激响应有视距分量、一次散射分量和二次散射分量。考虑到车车通信中收发端均处于快速移动，结合时变的链路长度和信号角度用于表征信道的非平稳性。通过调整模型参数，模型能够适用于不同的V2V通信场景，兼顾准确性、易用性和通用性。通过该方法可建立一个准确有效的车车无线信道模型，为设计、评估和优化车车通信系统提供理论支持。

Description

一种车车宽带通信信道的三维建模方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种车车宽带通信信道的三维建模方法。
背景技术
随着5G的正式商用，催生了一系列新产业、新应用的蓬勃发展。车车通信作为5G的新应用场景，在自动驾驶、快速预警、紧急制动、信息娱乐等方面具有重要应用价值。信道模型是车车无线通信系统设计的基础，其可有效模拟无线通信环境中的电磁波传播特性。并且它是调制、解调、均衡、编码等通信技术研发的前提，同时信道模型也是系统测试和性能评估的重要工具。
车车通信信道建模方法目前有三类，一是基于几何的确定性建模方法，该方法高度依赖通信环境的物理信息，精准度高，但计算复杂，只适用于小规模场景的建模。二是基于非几何的随机性建模方法，该方法灵活度高，但精度不足。三是基于几何的随机性建模方法，其结合了确定性建模的精准度和随机性建模的灵活性，因而广受关注。但是，现有几何随机模型大多聚焦于窄带车车通信信道，忽略了传输时延对信道统计特性的影响。然而，大多数用于车车通信的潜在传输方案均使用较大的带宽(例如IEEE 802.11p标准定义的75MHz带宽)，此时信号带宽大于相干带宽(通常为4-11MHz)，底层的V2V传输信道具有频率选择性。因此，对宽带信道的研究是必不可少的。同时，现有几何随机模型常用的双圆柱模型和椭圆柱模型都存在不同的缺陷，即双圆柱模型不能表征具有不同水平距离的动态车辆，椭圆柱模型不能表征不同垂直面上的静态散射体。另外，现有几何模型对V2V信道的非平稳性考虑得不够全面，要么仅考虑了时变的链路长度，要么仅考虑了时变的信号角度，这不能更加精确地反映真实情况。
发明内容
为针对上述不足，本发明提出一种基于几何的车车宽带通信信道的三维建模方法，结合双球模型和多共焦半椭球体模型，利用时变的链路长度和信号角度表征信道的非平稳性，能更加准确地描述车车信道的统计特性，为车车通信系统的设计与评估提供有效指导。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
1.建立车车宽带通信信道三维模型，具体包括：
(1)考虑一个多天线车车宽带通信系统，信号发射车用TV(transmit vehicle)表示，信号接收车用RV(receive vehicle)表示。
(2)该方法定以了一个双球体模型和多共焦半椭球体模型，并利用抽头延迟线结构进行建模。其中，双球模型用于表征V2V通信环境中的道路交通动态散射体，半椭球体模型用于表征路边环境静止散射体。每个半椭球体模型对应于TDL结构中的一个抽头，由于经过不同半椭球体的射线的路径长度不同，因此传播延迟也不同。分别将TV和RV侧的双球体模型定义为A和B，第一个半椭球体模型定义为Cl。设A的表面上分布有N1,1个有效散射体，第n1,1(n1,1＝1,2,...,N1,1)个记为
Figure BDA0003631898860000021
B的表面上分布有N1,2个有效散射体并且第n1,2(n1,2＝1,2,...,N1,2)个记为
Figure BDA0003631898860000022
C1的表面上分布有Nl,3个有效散射体并且第nl,3(nl,3＝1,2,...,Nl,3)个记为
Figure BDA0003631898860000023
(3)所提模型考虑了LoS分量、SB分量和DB分量。SB1,1分量表示由TV出发，经A到达RV的电波，SB1,2分量表示由TV出发，经B到达RV的电波，DB分量表示由TV出发，先后经过A和B到达RV的电波。SBl,3分量表示由TV出发，经Cl后到达RV的电波；DBl,1表示由TV出发，先后经过A和Cl到达RV的电波；DBl,2表示由TV出发，先后经过Cl和B到达RV的电波。
2.所提模型的复冲激响应可表示为：
Figure BDA0003631898860000024
其中，l和L表示抽头编号和抽头总数，hl,pq(t)为第l个抽头的复时变系数。
(1)第一抽头的复时变系数表示为：
Figure BDA0003631898860000025
Figure BDA0003631898860000031
Figure BDA0003631898860000032
(3)第l(l＞1)个抽头的复时变系数表示为：
Figure BDA0003631898860000033
Figure BDA0003631898860000034
Figure BDA0003631898860000035
其中，K为莱斯因子，λ为载波波长，εpq(t)、
Figure BDA0003631898860000036
Figure BDA0003631898860000037
分别为链路Tp→Tq、
Figure BDA0003631898860000038
Figure BDA0003631898860000039
Figure BDA00036318988600000310
的长度，
Figure BDA00036318988600000311
ηDB表示各散射分量占第一抽头散射功率中的比重，其总和为1。
Figure BDA00036318988600000312
表示各分量占第l(l＞1)个抽头总散射功率的比重，其总和为1。
Figure BDA00036318988600000313
表示LoS分量的出发/到达方位角，
Figure BDA00036318988600000314
表示LoS分量的出发/到达仰角；
Figure BDA0003631898860000041
和
Figure BDA0003631898860000042
分别表示由TV出发，到达散射体
Figure BDA0003631898860000043
的波的出发方位角和出发仰角；
Figure BDA0003631898860000044
和
Figure BDA0003631898860000045
分别表示经过散射体
Figure BDA0003631898860000046
到达RV的波的到达方位角和到达仰角。
3.由于收发端的快速运动，车车信道具有明显的非平稳性。非平稳特性意味着信道的冲激响应会随着时间的变化而变化，具体包括幅度、相位、延迟会发生相应的改变，最终反应在信道统计特性随时间的变化而变化，即时域非平稳性。所提模型的非平稳性用时变非平稳参数表征，具体包括：
(1)时变的链路长度，根据所提模型中确切的几何关系，利用余弦定理和小尺度假设，可以导出各链路的时变长度，可表示为：
Figure BDA0003631898860000047
Figure BDA0003631898860000048
Figure BDA0003631898860000049
Figure BDA00036318988600000410
Figure BDA00036318988600000411
Figure BDA00036318988600000412
Figure BDA00036318988600000413
Figure BDA00036318988600000414
Figure BDA00036318988600000415
Figure BDA00036318988600000416
Figure BDA00036318988600000417
其中，al(t)＝alD(t)/D，bl 2(t)＝al 2(t)-f2(t)，f(t)＝D(t)/2。
(2)时变的信号角度，根据所提模型中确切的几何关系，可表示为：
1)假设移动散射体同收发车具有相同的速度。因此，对于LoS，SB1,i(i＝1,2)和DB分量，其方位角和仰角均可视为是固定的。
2)DBl,1分量中，时变的角度为：
Figure BDA0003631898860000051
3)SBl,3(l＞1)分量中，时变的角度为：
Figure BDA0003631898860000052
4)DBl,2分量中，时变的角度为：
Figure BDA0003631898860000053
有益效果：本发明基于几何随机的方法，提出一个适用于车车宽带通信系统的信道模型。模型结合双球和多共焦半椭球体模型分别表征通信环境中的动静散射体。接收信号为视距分量、一次弹射分量和二次散射分量之和。考虑到收发端的快速运动，利用时变的链路长度和信号角度描述信道的非平稳特性。该模型可在实际车车通信场景下，建立一个可靠、高效的车车信道模型，为设计和优化车车通信系统提供有效指导。
附图说明
图1为双球模型的几何结构示意图；
图2为第一个半椭球体模型的几何结构示意图；
图3为第l(l＞1)个半椭球体模型的几何结构示意图。
具体实施方式
1.信道模型
本发明所提模型如图1-图3，建模方法具体为：
(1)考虑一个多天线车车宽带通信系统，信号发射车用TV(transmit vehicle)表示，信号接收车用RV(receive vehicle)表示。
(2)方法定以了一个双球体模型和多共焦半椭球体模型，并利用抽头延迟线结构进行建模。其中，双球模型用于表征V2V通信环境中的道路交通动态散射体，半椭球体模型用于表征路边环境静止散射体。每个半椭球体模型对应于TDL结构中的一个抽头，由于经过不同半椭球体的射线的路径长度不同，因此传播延迟也不同。分别将TV和RV侧的双球体模型定义为A和B，第一个半椭球体模型定义为Cl。设A的表面上分布有N1,1个有效散射体，第n1,1(n1,1＝1,2,...,N1,1)个记为
Figure BDA0003631898860000061
B的表面上分布有N1,2个有效散射体并且第n1,2(n1,2＝1,2,...,N1,2)个记为
Figure BDA0003631898860000062
C1的表面上分布有Nl,3个有效散射体并且第nl,3(nl,3＝1,2,...,Nl,3)个记为
Figure BDA0003631898860000063
(3)所提模型考虑了LoS分量、SB分量和DB分量。SB1,1分量表示由TV出发，经A到达RV的电波，SB1,2分量表示由TV出发，经B到达RV的电波，DB分量表示由TV出发，先后经过A和B到达RV的电波。SBl,3分量表示由TV出发，经Cl后到达RV的电波；DBl,1表示由TV出发，先后经过A和Cl到达RV的电波；DBl,2表示由TV出发，先后经过Cl和B到达RV的电波。
2.所提模型的复冲激响应
所提模型的复冲激响应为各抽头冲激响应的叠加：
Figure BDA0003631898860000071
其中，l和L表示抽头编号和抽头总数，hl,pq(t)为第l个抽头的复时变系数。(1)第一抽头的复时变系数表示为：
Figure BDA0003631898860000072
Figure BDA0003631898860000073
Figure BDA0003631898860000074
(2)第l(l＞1)个抽头的复时变系数表示为：
Figure BDA0003631898860000075
Figure BDA0003631898860000076
Figure BDA0003631898860000077
其中，K为莱斯因子，λ为载波波长，εpq(t)、
Figure BDA0003631898860000081
Figure BDA0003631898860000082
分别为链路Tp→Tq、
Figure BDA0003631898860000083
Figure BDA0003631898860000084
Figure BDA0003631898860000085
的长度，
Figure BDA0003631898860000086
ηDB表示各散射分量占第一抽头散射功率中的比重，其总和为1。
Figure BDA0003631898860000087
表示各分量占第l(l＞1)个抽头总散射功率的比重，其总和为1。
Figure BDA0003631898860000088
表示LoS分量的出发/到达方位角，
Figure BDA0003631898860000089
表示LoS分量的出发/到达仰角；
Figure BDA00036318988600000810
和
Figure BDA00036318988600000811
分别表示由TV出发，到达散射体
Figure BDA00036318988600000812
的波的出发方位角和出发仰角；
Figure BDA00036318988600000813
和
Figure BDA00036318988600000814
分别表示经过散射体
Figure BDA00036318988600000815
到达RV的波的到达方位角和到达仰角。
3.信道非平稳性描述
所提模型的非平稳性用时变非平稳参数表征，具体包括：
(1)时变的链路长度，根据所提模型中确切的几何关系，利用余弦定理和小尺度假设，可以导出各链路的时变长度，可表示为：
Figure BDA00036318988600000816
Figure BDA00036318988600000817
Figure BDA00036318988600000818
Figure BDA00036318988600000819
Figure BDA00036318988600000820
Figure BDA00036318988600000821
Figure BDA00036318988600000822
Figure BDA00036318988600000823
Figure BDA00036318988600000824
Figure BDA00036318988600000825
Figure BDA00036318988600000826
其中，al(t)＝alD(t)/D，bl 2(t)＝al 2(t)-f2(t)，f(t)＝D(t)/2。
(2)时变的信号角度，根据所提模型中确切的几何关系，可表示为：
1)假设移动散射体同收发车具有相同的速度。因此，对于LoS，SB1,i(i＝1,2)和DB分量，其方位角和仰角均可视为是固定的。
2)SBl,3(l＞1)分量中，时变的角度为：
Figure BDA0003631898860000091
3)DBl,1分量中，时变的角度为：
Figure BDA0003631898860000092
4)DBl,2分量中，时变的角度为：
Figure BDA0003631898860000093

Claims (6)

1.一种车车宽带通信信道的三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：结合双球模型和多共焦半椭球体模型构建车车三维宽带非平稳信道模型，包括：
(1)考虑一个多天线车车宽带通信系统，信号发射车用TV(transmit vehicle)表示，信号接收车用RV(receive vehicle)表示。
(2)本方法定义了一个双球体模型和多共焦半椭球体模型，并利用抽头延迟线结构进行建模。其中，双球模型用于表征V2V通信环境中的道路交通动态散射体，半椭球体模型用于表征路边环境静止散射体。每个半椭球体模型对应于抽头延迟线(tapped delay line，TDL)结构中的一个抽头(Tap)，由于经过不同半椭球体的射线的路径长度不同，因此传播延迟也不同。分别将TV和RV侧的双球体模型定义为A和B，第一个半椭球体模型定义为Cl。设A的表面上分布有N1,1个有效散射体，第n1,1(n1,1＝1,2,...,N1,1)个记为
Figure FDA0003631898850000011
B的表面上分布有N1,2个有效散射体并且第n1,2(n1,2＝1,2,...,N1,2)个记为
Figure FDA0003631898850000012
C1的表面上分布有Nl,3个有效散射体并且第nl,3(nl,3＝1,2,...,Nl,3)个记为
Figure FDA0003631898850000013
(3)所提模型考虑了视距(line of sight，LoS)分量、一次散射(single bounced，SB)分量和二次散射(double bounced，DB)分量。SB1,1分量表示由TV出发，经A到达RV的电波，SB1,2分量表示由TV出发，经B到达RV的电波，DB分量表示由TV出发，先后经过A和B到达RV的电波。SBl,3分量表示由TV出发，经Cl后到达RV的电波；DBl,1表示由TV出发，先后经过A和Cl到达RV的电波；DBl,2表示由TV出发，先后经过Cl和B到达RV的电波。
步骤二：计算所提模型的复信道脉冲响应。
步骤三：计算所提模型的时变非平稳参数。
2.根据权利要求1所述的一种车车宽带通信信道的三维建模方法，其特征在于，所述步骤一构建的三维车车宽带信道模型，结合了双球模型和多共焦半椭球体模型，使用双球模型表征动态散射体，使用半椭球体模型表征静止散射体。
3.根据权利要求2所述的一种车车宽带通信信道的三维建模方法，其特征在于，信道冲激响应为各抽头冲激响应之和。
(1)发端第p根天线与收端第q根天线间的冲激响应h(t,τ)可表示为：
Figure FDA0003631898850000021
其中，l和L表示抽头编号和抽头总数，hl,pq(t)为第l个抽头的复时变系数。
(2)第一抽头的复时变系数是LoS分量，SB分量和DB分量的叠加，可分别表示为：
Figure FDA0003631898850000022
Figure FDA0003631898850000023
Figure FDA0003631898850000024
(3)第l(l＞1)个抽头的复时变系数是SB分量和DB分量的叠加，可分别表示为：
Figure FDA0003631898850000025
Figure FDA0003631898850000031
Figure FDA0003631898850000032
其中，K为莱斯因子，λ为载波波长，εpq(t)、
Figure FDA0003631898850000033
Figure FDA0003631898850000034
分别为链路Tp→Tq、
Figure FDA0003631898850000035
Figure FDA0003631898850000036
的长度，
Figure FDA0003631898850000037
ηDB表示各散射分量占第一抽头散射功率中的比重，其总和为1。
Figure FDA0003631898850000038
表示各分量占第l(l＞1)个抽头总散射功率的比重，其总和为1。
Figure FDA0003631898850000039
表示LoS分量的出发/到达方位角，
Figure FDA00036318988500000310
表示LoS分量出发/到达仰角；
Figure FDA00036318988500000311
和
Figure FDA00036318988500000312
分别表示由TV出发，到达散射体
Figure FDA00036318988500000313
的波的出发方位角和出发仰角；
Figure FDA00036318988500000314
和
Figure FDA00036318988500000315
分别表示经过散射体
Figure FDA00036318988500000316
到达RV的波的到达方位角和到达仰角。
4.根据权利要求1所述的一种车车宽带通信信道的三维建模方法，其特征在于，所述不做3中时变非平稳参数包括时变的链路长度和时变的信号角度。
5.根据权利要求4所述的一种车车宽带通信信道的三维建模方法，其特征在于，根据所提模型中确切的几何关系，利用余弦定理和小尺度假设，可以导出各链路的时变长度，可表示为：
Figure FDA00036318988500000317
Figure FDA00036318988500000318
Figure FDA00036318988500000319
Figure FDA0003631898850000041
Figure FDA0003631898850000042
Figure FDA0003631898850000043
Figure FDA0003631898850000044
Figure FDA0003631898850000045
Figure FDA0003631898850000046
Figure FDA0003631898850000047
Figure FDA0003631898850000048
其中，al(t)＝alD(t)/D，bl 2(t)＝al 2(t)-f2(t)，f(t)＝D(t)/2。
6.根据权利要求4所述的一种车车宽带通信信道的三维建模方法，其特征在于，根据所提模型中确切的几何关系，利用余弦定理和小尺度假设，可导出各信号的时变角度，可表示为：
(1)假设移动散射体同收发车具有相同的速度。因此，对于LoS，SB1,i(i＝1,2)和DB分量，其方位角和仰角均可视为是固定的。
(2)SBl,3(l＞1)分量中，时变的角度为：
Figure FDA0003631898850000049
(3)DBl,1分量中，时变的角度为：
Figure FDA0003631898850000051
(4)DBl,2分量中，时变的角度为：
Figure FDA0003631898850000052
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