公路隧道場景下V2V信道測量及特性分析

曾莉

摘要 為探索公路隧道運行環境下V2V信道受車輛衍射、隧道內壁反射、附屬設施布置密集影響下的傳播特性，文章在可視距（LOS）、部分視距（OLOS）、不可視距（NLOS）場景下利用寬帶信道探測器并使用5.2 GHz的載波頻率和帶寬，對隧道內V2V信道展開測量。根據實測數據，構建起不同場景下接收信號幅值衰落分布及路徑損耗模型，對V2V信道衰落特性展開分析。結果顯示，NLOS場景下陰影衰落和路徑損耗指數均較大，其接收信號幅度衰落服從瑞利分布，均方根延遲擴展符合對數正態分布，NLOS場景的時域彌散也更大。

關鍵詞 隧道；場景；V2V信道；測量；特性

中圖分類號 U453文獻標識碼 B文章編號 2096-8949（2024）06-0025-03

0 引言

在建設智慧交通的過程中，車聯網發揮著關鍵性作用，通過人、車、路、環境之間的有機結合，提升交通運行的安全性與效率性。隨著隧道建設規模的擴大，隧道場景下車輛對車輛（Vehicle-to-vehicle，V2V）的通信便成為智慧交通的重要組成部分。所以，深入研究隧道場景下V2V信道特性對于建設智慧交通具有積極意義。傳統的信道模型對V2V信道并不適用，該文主要在5.2 GHz頻段下展開隧道環境V2V信道測量，并根據交通運行實際，將測量分成可視距（LOS）、部分視距（OLOS）、不可視距（NLOS）等類型，展開大小尺度衰落特性分析和模型構建，為公路隧道場景下V2V信道測量、道路信息高質量傳遞及智慧交通建設提供參考。

1 通信場景及仿真環境

隧道結構屬于內部墻壁粗糙、空間有限的狹長形半封閉空間，其結構內部電波傳播過程會受到隧道尺寸、截面形狀、收發距離、附屬設施、地質條件[1]等的影響。為此，在構建隧道信道模型時，必須保證通信場景。

與蜂窩網絡相比，V2V具有高移動性和無線信道時變性，廣義平穩性較差。場景、天線及頻段部署、車輛等均為V2V通信的影響因素。高速公路隧道中收發車輛和周圍行車均處于不斷變化狀態，對電磁信道的影響較大。考慮OLOS部分視距場景較為接近現實，故該場景細分十分必要，也為無線系統開發提供了良好的仿真環境。

2 信道測量

2.1 測量環境

測量活動在某高速公路K441+058～K443+011樁號段的隧道中展開，該隧道長1.953 km，寬2×14 m，高4.8 m，為單向雙車道結構，其中包括2個標準寬度的行車道和1個應急車道，隧道為矩形斷面。該隧道周圍樹木、車流量、交通標示、漸變側墻等散射體眾多，增大了測量信道的復雜性。

V2V信道測量的移動端為1輛越野車和1輛廂式貨車；RUSK-DLR寬帶信號探測器設備主要為德國進口，用于信道時頻域特性測量。車身長4.866 m，寬

1.984 m，高1.977 m的奔馳越野車為發射端搭載平臺；車身長5.37 m，寬1.928 m，高1.88 m的奔馳廂式貨車為接收端搭載平臺。在以上發射車和接收車車頂固定放置收發全向天線和傳感器，車內配置收發設備和攝像頭等。施測期間，接收車始終運行于信號發射車前方，兩車行駛速度均應控制在10～20 m/s范圍內，因路況等方面的影響，發射車和接收車間的實際距離實時變動。

為保證各時刻天線位置均能被準確獲取，在以上測試車輛上均加裝GNSS接收器，以展開GPS衛星信號的實時接收。以上定位技術的信號傳輸在隧道內部運行環境下存在滯后性，故在測試車輛上同時搭載LIDAR激光雷達及MTI-G-710跟蹤單元，在確保公路隧道內信息平穩收發的同時，還能展開隧道內部運行特征數據的測量及記錄，對隧道內車輛進行定位。

在施測過程開始前還應進行時鐘校對，以保證IMU單元時鐘和GPS時鐘運行的同步性；此后對公路隧道內車輛的行進速度、運行狀態等展開測量。考慮IMU單元具備測量誤差累積屬性，為保證測值準確，還應借助激光雷達展開測試過程及結果監督。

2.2 發射機與接收機間的測量場景

2.2.1 LOS場景

即收發車間無視線阻礙，分量主要表現為直射類型。此次檢測過程中總共選取45 s數據，通過比較該場景下兩車運行速度（見表1）可以看出，接收機運行速度始終保持在15.5～18 m/s之間，而發射機運行速度則維持在14～19.2 m/s之間。整個場景運行期間，接收機始終位于發射機正前方。

2.2.2 OLOS場景

即收發車輛間存在部分視線阻礙，具體而言，試驗過程中，通過在收發車間設置一輛車身長4.658 m，寬1.884 m，高1.685 m的小型車輛并以S線路運行，以模擬視線部分受阻的動態運行情形。根據該場景速度變化情況（見表2）可以看出，接收機和發射機運行速度分別在13.4～15.2 m/s和10～13.5 m/s之間，發射機速度始終小于接收機，且兩車距離不斷拉大。

2.2.3 NLOS場景

即收發車間的視線完全受阻，通過在收發車間設置1輛3.0～3.5 m高的大型貨車以及與OLOS場景相同型號的2輛小型車輛，貨車及小型車輛在隧道內始終保持直線行駛，以模擬這種情況。考慮貨車高度較大，后方發射車在隧道內運行期間可視距完全被遮擋。根據該場景下的速度變換測值（見表3），接收機和發射機速度分別為12～13.5 m/s和17.5～22.5 m/s，兩車距離不斷增大。

2.3 數據預處理

2.3.1 數據存儲

包括信道傳遞函數、功率、GPGGA等在內的V2V信道數據以.DLR1_DISK文件形式存儲，必須通過ruskimport_64工具包獲取信道信息，并以.mat文件存儲。信道傳輸函數頻移則通過MATLAB軟件實現，進而展開逆傅里葉變換[2]，得出信道沖擊響應并保存。

V2V信道慣導數據通常以.mat文件存儲，此后由MT manager軟件處理后導出.txt和.kmz格式文件，將兩類不同格式文件分別導入MATLAB軟件和google earth軟件，進而得出不同方向運行速度、加速度、經緯度等信息以及收發車輛運行軌跡。

2.3.2 無線信號傳播距離計算

收發天線距離可通過經緯度、時延估計、慣導計算等方法[3]確定。其中，慣導數據中旋轉矩陣最為重要。為展開收發兩端位置的預測，各時刻加速度應為前一時刻加速度和旋轉矩陣之積；各時刻速度為前一時刻速度和該時刻加速度的積分求和。根據當前時刻加速度與上一時刻速度，便可求得當前方向的速度。根據上述三個方向的速度和，便可得出收發端速度；再結合距離與速度差在單位時間內積分求和，便得出收發端距離。

發射機發出的無線信號到達并被接收機接收存在一定時延，其間的傳播距離為傳播時延和光速的乘積[4]，公式表示如下：

dtr=τlos·c （1）

式中，dtr——無線信號傳播距離（m）；τlos——LOS視距下傳播時延（s）；c——光速，取3×108 m/s。

根據式（1）進行該隧道一個檢測段落無線信號收發距離計算。根據結果，延時估計得到的收發距離與SAGE估計基本一致，但與實際收發距離存在5 m的差距。通過幾種方法的結合應用，可得出隧道內收發兩端的具體距離。

2.3.3 數據預處理

通過動態選擇噪聲閾值的操作進行信道沖激響應相關數據預處理，此類技術對于V2V傳輸情境下的終端移動特征較為適應；同時，能確保借助時變閾值處理時變信道過程及結果的合理性，對于移動終端處于公路隧道等噪聲波動較大場景的情形亦適用。根據信道沖激響應變化趨勢可以看出，低于信道沖激響應噪聲門限的值將被系統自動界定為噪聲。故信道沖擊響應變動趨勢線中僅前2 μs的數據對于信道測量特性分析過程有用。

2.3.4 坐標系轉換及歸一化處理

進行收發信號距離求解時，必須將GNSS接收的經緯度坐標轉換成ECEF地心地固坐標，地心地固坐標系以地球質心為原點而構建，在后續建模過程中必須借助坐標中心的自定義將ECEF坐標系轉換成ENU局部站點坐標系。

V2V信道分析時，必須應用Z-score方法或最大最小值方法展開數據歸一化處理。Z-score歸一化方法主要將樣本數據標準化處理，使其服從標準正態分布，得出歸一化結果；而最大最小值歸一化則通過系列處理將數據范圍限定在0～1之間。

3 信道特征分析

隧道場景下V2V信道傳播受環境、車流量影響較大，故通過時變信道脈沖響應展開描述。此處分別對大尺度路徑損耗、陰影衰落以及小尺度幅值衰落和均方根時延擴展展開分析。

3.1 大尺度路徑損耗及陰影衰落特征分析

3.1.1 路徑損耗特征

根據LOS場景下發射功率和距離的關系，收發兩車間的距離先增大后減小，兩車距離在16～35 m之間；接收功率則在43～28 dBm之間變化。根據LOS場景下對數距離路徑損耗擬合結果可知，由于隧道內波導效應的存在，隨著對數距離的縮短，與之相對應的接收功率速度表現出顯著減緩趨勢。故在距離相同時，自由空間路徑損耗比隧道內路徑損耗大3 dB；對數距離模型與ABG模型擬合出的LOS場景下數據路徑損耗指數為1.265 2，陰影衰落最大似然估計值為1.315 5 dB。

根據OLOS場景下發射功率和距離的關系，收發車間的距離在動態運行過程中始終呈增大趨勢，兩車距離最大達到105 m；接收功率則表現出相應減小的局面，取值主要位于?55～?35 dBm區間。應用ABG模型和Log-Distance損耗模型展開隧道內運行路徑損耗指數計算，結果為1.302 1，相對應的陰影衰落標準差取1.889 1 dB。由此可見，對于公路隧道場景中距離相同的情況，自由空間損耗明顯超出隧道內損耗。

由NLOS場景下發射功率和距離的動態關系可知，信號收發車間的距離始終減小，兩車距離在最小達到220 m；接收功率則在?63～?50 dBm之間變化。按照與OLOS場景下相同的分析思路所得到的ABG模型和Log-Distance損耗模型路徑損耗指數為1.521 3，陰影衰落標準差則按照2.209 8 dB取值。

綜上，NLOS場景下路徑損耗指數比其余場景大，但比自由空間路徑損耗指數小，主要原因在于公路隧道內波導效應造成路徑損耗增長速率的減緩；ABG模型與對數距離模型擬合效果基本一致。

3.1.2 陰影衰落

通過對不同場景下陰影衰落概率密度的比較，NLOS場景陰影衰落標準差比LOS場景和OLOS場景大1.0 dB和0.5 dB；三種場景下陰影衰落實測數據概率密度擬合較好，且LOS場景陰影衰落幅值最高，NLOS場景陰影衰落范圍最廣。由此表明，大貨車在公路隧道內部運行期間所引起的路徑損耗和陰影衰落最為明顯，但由于隧道環境中波導效應的存在，LOS場景、OLOS場景及NLOS場景下陰影衰落的差距并無自由空間環境下明顯。

3.2 小尺度幅值分布及時延擴展特征分析

3.2.1 幅值擬合分布

在展開信道小尺度幅值衰落分析前必須對接收信號幅值進行歸一化處理，去除大尺度效應。V2V信道中WSS窗口大小主要受收發車測量間隔和運行速度的影響，故結合車輛運行速度，將歸一化窗口設計為350個連續樣本施測。采用Nakagami-m、Weibull、Rayleigh、萊斯、對數正態、正態分布等進行V2V信道小尺度幅值衰落特性描述，并得出相應的擬合結果。

檢驗統計量按照式（2）[5]確定：

（2）

式中，ρ——檢驗統計量，取值介于0～1之間，且越小越好；——上確界；——樣本累積分布函數；F（x）——服從理論分布樣本的累積分布函數。

根據擬合優度結果，LOS場景下正態與萊斯分布對接收信號擬合效果較好，Rayleigh分布的檢驗統計量值最大，擬合效果不良。OLOS場景下萊斯和Weibull分布的接收信號幅值擬合效果好，而對數正態分布擬合效果差。NLOS場景下Rayleigh和Nakagami-m的接收信號幅值擬合效果好，對數正態分布擬合效果差。

3.2.2 均方根時延擴展

時域彌散主要因傳播環境改變及多徑到達時間的不同而引起。時域彌散會引起無線信號碼間干擾，造成測距誤差。接收路徑功率可通過功率時延譜描述。根據三種場景下功率時延譜檢測結果，LOS場景主路徑始終存在，時延隨著收發車距離的縮小而減小；OLOS和NLOS場景下主路徑微弱，接收功率強度相對較小。可見，大型車輛等障礙物使接收信號明顯降低。隧道內靜止的散射體會釋放高延遲信號反射徑；與信號收發車保持相對速度的其余通信車輛還會引起平行分量。

時域彌散特征可通過RMSDS定量分析。根據各信道脈沖響應RMSDS累積分布函數，三種場景下均方根時延擴展均值分別為65.649 8 ns、166.066 7 ns、505.992 5 ns。

4 結論

該文主要依托公路隧道工程實際，對隧道場景下V2V通信大尺度和小尺度衰落特征展開研究，根據實測結果構建起LOS、OLOS、NLOS場景下路徑損耗模型，主要得出以下結論：NLOS場景路徑損耗指數比其余兩個場景大，但因隧道內波導效應，三種場景下路徑損耗指數均比自由空間小。NLOS場景下大客車引起的陰影衰落達到2 dB，而其余場景下陰影衰落基本一致，意味著信號遮擋車輛尺寸對陰影衰落變化有較大影響。小尺寸擬合中NLOS場景接收功率服從瑞利分布，其余場景接收功率則服從萊斯分布。車輛遮擋引起的時域彌散仍較大。

參考文獻

[1]何亦昕， 王大偉， 黃方慧， 等. 空地協同車聯網V2I與V2V混合傳輸機制設計[J]. 移動通信， 2022（6）： 24-30.

[2]鄧炳光， 秦啟航， 孟凡軍. 隧道場景下非平穩多簇V2V信道建模與分析[J]. 無線電工程， 2022（8）： 1361-1367.

[3]李一兵， 王寧馨， 呂威. 蜂窩車聯網中基于服務異構性的V2V通信資源分配算法研究[J]. 電子與信息學報， 2023

（1）： 235-242.

[4]宋吉婷， 王威， 孫郁哲， 等. 矩形隧道下存在車輛遮擋的V2V信道測量與分析[J]. 哈爾濱工業大學學報， 2022（5）： 117-123.

[5]唐登洪， 席曉莉， 范倩瑩. 基于隧道多散射信道的車載通信系統建模[J]. 電子學報， 2021（5）： 887-893.