交通專用短程通信系統信道特性仿真測試

殷曉敏 金 婕 孫 玲，2

(1.南通大學江蘇省專用集成電路設計重點實驗室，江蘇 南通226019；2.中國科學院計算技術研究所計算機體系結構國家重點實驗室，中國 北京100190)）

0 引言

近年來，智能運輸系統（ITS：Intelligent Transportation System）已成為世界交通運輸領域發(fā)展的重要方向和前沿研究課題[1-2]。ITS系統的核心技術之一就是適用于交通領域車路信息交換的短程通信（DSRC：Dedicated Short Range Communications）系統[3-4]。 自 2007 年以來，國際標準化組織陸續(xù)發(fā)布了面向ITS應用的車用電子無線通信標準體系[5-7]，在IEEE802.11a的基礎上形成針對車載通信特殊環(huán)境的IEEE802.11p標準[8]。

由于在高速移動的車載環(huán)境下，車車（VTV：Vehicle-to-Vehicle）通信信道是非靜止信道，因此，DSRC通信信道不僅具有傳統蜂窩系統的特點，更具有其特殊性。針對交通專用短程通信系統特點，建立準確的信道模型對于系統仿真來說是十分重要的。本文基于Agilent N5106A基帶信號發(fā)生器與信道仿真器，搭建了面向DSRC通信信道的測試平臺。

1 DSRC系統概述

DSRC是ITS系統一種高效的無線通信機制，目前主要應用于ITS中的不停車收費（ETC）和道路口的車輛信息采集。相比于Wi-Fi、WiMAX等無線通信技術，DSRC在數據傳輸速率、延遲時間、通信距離和移動性等特性方面有比較折衷的考慮，并且具有支持雙向傳輸、點對點、點對多點通信等特點，表1給出了DSRC技術與它們的特性比較[9-10]。

表1 DSRC技術和Wi-Fi、WiMAX的比較

用于DSRC技術的頻率資源共有75 MHz，劃分成7個10 MHz的信道，如圖1所示。其中，中間的信道用于控制信道，發(fā)送廣播消息或者控制信令；第一個信道分別用于碰撞避免、車間通信等；最后一個信道用于長距離、大功率的通信；頻率最低的5MHz作安全空白，剩下的4個信道為服務信道。由圖可見，802.11p的物理層的工作在5.8～5.9GHz附近，還保留了用于服務的信道；相鄰的兩個信道通過協商后可以當作一個20 MHz的信道使用，但其通信的優(yōu)先級別要低些。使用10 MHz較小的帶寬,一方面是為了增加在車載環(huán)境下對多徑傳播的抗衰弱能力，減少了多普勒的散射效應，另一方面增加的警戒間隔也減少了多路徑傳輸所造成的碼間干擾。

圖1 DSRC頻率劃分

2 信道特性仿真

通信系統的信號傳輸質量與信道的性能密切相關，與光纖等有線信道相比，無線信道處于開放的電磁環(huán)境中，更容易受到衰落、干擾、噪聲等多種因素的影響。而DSRC通信信道除了具有一般無線信道的特征外，還存在快速移動等特有情況。典型的DSRC通信有路車通信(R2V)和車車通信(V2V)兩種方式。R2V是指車輛和路邊設備進行通信，屬于移動設備和固定設備的通信過程。V2V是指車輛和車輛之間進行通信，屬于移動設備之間的通信。充分掌握DSRC系統無線信道的特征，可以為提出改善系統通信質量的技術方案提供參考，從而保證R2V和V2V通信的可靠性。

2.1 仿真測試平臺結構

基于Agilent N5106A基帶信號發(fā)生器與信道仿真器搭建的面向DSRC通信信道的仿真測試系統如圖2所示。N5106A具有120MHz的調制帶寬，能夠模擬各種通信信道。本儀器配備了8路實時衰落仿真器，支持的信道衰落類型包括Rayleigh、Pure Doppler、Rician、Suzuki等， 多普勒功率譜頻譜形狀有 classical 3db，classical 6db，flat，rounded，jake classical和jake rounded。由圖2可見，該系統還包括了一臺矢量信號發(fā)生器E4438C和一臺信號分析儀N9020A，E4438C和N5106A之間的控制信號通過LAN口連接，數據信號通過數據總線（Digital Bus）傳輸。

表2 DSRC系統信道模型

圖2 DSRC信道仿真測試系統

測試系統如圖2所示。首先使用Agilent的N7617B Signal Studio軟件生成符合IEEE 802.11p協議的理想基帶信號數據文件，該數據文件經過N5106A產生基帶信號，并通過信道模擬器得到包含信道特性的基帶信號。N5106A產生的信號通過Digital Bus輸入信號發(fā)生器E4438C，由該儀器將基帶信號調制到5.9GHz的載波上，經過射頻輸出端輸出到信號分析儀N9020A進行分析。

2.2 仿真測試實例

DSRC系統信道模型如表2所示。圖3至圖6給出了不同信道條件下信號的測試結果。其中，圖3為信號通過白噪聲信道后產生的星座圖，其中EVM（誤差向量幅度）為-27.62dB，CPE（同相位誤差）為0.903%rms。由于車車通信，可能存在直射路徑，因此圖4給出了信號經過信道3模型，即在單徑萊斯分布的作用下，多普勒頻移為1345Hz，路徑損耗為-14.2dB，K因子為5.7時的測試結果，結果表明，此時EVM上升為-3.047dB，CPE上升為6.938%rms，說明在該種信道作用下，信號的接收質量顯著下降。圖5給出了信號經過信道7模型，即在單徑瑞利衰落，多普勒頻移為1522Hz，路徑損耗為-27.9dB時的測試結果，此時，EVM為-16.791dB，CPE為5.542%rms。圖6給出了信號經過信道11模型，即信號在單徑瑞利衰落，多普勒頻移為1562Hz，路徑損耗為-27.9dB時的測試結果，圖中EVM為-16.065dB，CPE為1.455%rms。比較圖5和圖6，說明了在類似的信道作用下，信號接收質量存在一定的隨機性。另外，這兩條路徑的延時分別為400ns和700ns，在幀結構的保護時隙范圍之內，因此可以通過均衡消除延時的影響。

圖3 白噪聲信道測試結果

圖4 信道3測試結果

圖5 信道7測試結果

圖6 信道11測試結果

3 小結

本文搭建了面向DSRC應用的無線信道仿真和測試系統，介紹了系統的工作流程和測試方法，根據DSRC信道模型，給出4種典型信道的測試結果。本文工作為ITS系統設計提供了參考。

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