交通专用短程通信系统信道特性仿真测试

2015-01-02 02:42殷晓敏
科技视界 2015年1期
关键词:基带信道多普勒

殷晓敏 金 婕 孙 玲,2

(1.南通大学江苏省专用集成电路设计重点实验室,江苏 南通226019;2.中国科学院计算技术研究所计算机体系结构国家重点实验室,中国 北京100190))

0 引言

近年来,智能运输系统(ITS:Intelligent Transportation System)已成为世界交通运输领域发展的重要方向和前沿研究课题[1-2]。ITS系统的核心技术之一就是适用于交通领域车路信息交换的短程通信(DSRC:Dedicated Short Range Communications)系统[3-4]。 自 2007 年以来,国际标准化组织陆续发布了面向ITS应用的车用电子无线通信标准体系[5-7],在IEEE802.11a的基础上形成针对车载通信特殊环境的IEEE802.11p标准[8]。

由于在高速移动的车载环境下,车车(VTV:Vehicle-to-Vehicle)通信信道是非静止信道,因此,DSRC通信信道不仅具有传统蜂窝系统的特点,更具有其特殊性。针对交通专用短程通信系统特点,建立准确的信道模型对于系统仿真来说是十分重要的。本文基于Agilent N5106A基带信号发生器与信道仿真器,搭建了面向DSRC通信信道的测试平台。

1 DSRC系统概述

DSRC是ITS系统一种高效的无线通信机制,目前主要应用于ITS中的不停车收费(ETC)和道路口的车辆信息采集。相比于Wi-Fi、WiMAX等无线通信技术,DSRC在数据传输速率、延迟时间、通信距离和移动性等特性方面有比较折衷的考虑,并且具有支持双向传输、点对点、点对多点通信等特点,表1给出了DSRC技术与它们的特性比较[9-10]。

表1 DSRC技术和Wi-Fi、WiMAX的比较

用于DSRC技术的频率资源共有75 MHz,划分成7个10 MHz的信道,如图1所示。其中,中间的信道用于控制信道,发送广播消息或者控制信令;第一个信道分别用于碰撞避免、车间通信等;最后一个信道用于长距离、大功率的通信;频率最低的5MHz作安全空白,剩下的4个信道为服务信道。由图可见,802.11p的物理层的工作在5.8~5.9GHz附近,还保留了用于服务的信道;相邻的两个信道通过协商后可以当作一个20 MHz的信道使用,但其通信的优先级别要低些。使用10 MHz较小的带宽,一方面是为了增加在车载环境下对多径传播的抗衰弱能力,减少了多普勒的散射效应,另一方面增加的警戒间隔也减少了多路径传输所造成的码间干扰。

图1 DSRC频率划分

2 信道特性仿真

通信系统的信号传输质量与信道的性能密切相关,与光纤等有线信道相比,无线信道处于开放的电磁环境中,更容易受到衰落、干扰、噪声等多种因素的影响。而DSRC通信信道除了具有一般无线信道的特征外,还存在快速移动等特有情况。典型的DSRC通信有路车通信(R2V)和车车通信(V2V)两种方式。R2V是指车辆和路边设备进行通信,属于移动设备和固定设备的通信过程。V2V是指车辆和车辆之间进行通信,属于移动设备之间的通信。充分掌握DSRC系统无线信道的特征,可以为提出改善系统通信质量的技术方案提供参考,从而保证R2V和V2V通信的可靠性。

2.1 仿真测试平台结构

基于Agilent N5106A基带信号发生器与信道仿真器搭建的面向DSRC通信信道的仿真测试系统如图2所示。N5106A具有120MHz的调制带宽,能够模拟各种通信信道。本仪器配备了8路实时衰落仿真器,支持的信道衰落类型包括Rayleigh、Pure Doppler、Rician、Suzuki等, 多普勒功率谱频谱形状有 classical 3db,classical 6db,flat,rounded,jake classical和jake rounded。由图2可见,该系统还包括了一台矢量信号发生器E4438C和一台信号分析仪N9020A,E4438C和N5106A之间的控制信号通过LAN口连接,数据信号通过数据总线(Digital Bus)传输。

表2 DSRC系统信道模型

图2 DSRC信道仿真测试系统

测试系统如图2所示。首先使用Agilent的N7617B Signal Studio软件生成符合IEEE 802.11p协议的理想基带信号数据文件,该数据文件经过N5106A产生基带信号,并通过信道模拟器得到包含信道特性的基带信号。N5106A产生的信号通过Digital Bus输入信号发生器E4438C,由该仪器将基带信号调制到5.9GHz的载波上,经过射频输出端输出到信号分析仪N9020A进行分析。

2.2 仿真测试实例

DSRC系统信道模型如表2所示。图3至图6给出了不同信道条件下信号的测试结果。其中,图3为信号通过白噪声信道后产生的星座图,其中EVM(误差向量幅度)为-27.62dB,CPE(同相位误差)为0.903%rms。由于车车通信,可能存在直射路径,因此图4给出了信号经过信道3模型,即在单径莱斯分布的作用下,多普勒频移为1345Hz,路径损耗为-14.2dB,K因子为5.7时的测试结果,结果表明,此时EVM上升为-3.047dB,CPE上升为6.938%rms,说明在该种信道作用下,信号的接收质量显著下降。图5给出了信号经过信道7模型,即在单径瑞利衰落,多普勒频移为1522Hz,路径损耗为-27.9dB时的测试结果,此时,EVM为-16.791dB,CPE为5.542%rms。图6给出了信号经过信道11模型,即信号在单径瑞利衰落,多普勒频移为1562Hz,路径损耗为-27.9dB时的测试结果,图中EVM为-16.065dB,CPE为1.455%rms。比较图5和图6,说明了在类似的信道作用下,信号接收质量存在一定的随机性。另外,这两条路径的延时分别为400ns和700ns,在帧结构的保护时隙范围之内,因此可以通过均衡消除延时的影响。

图3 白噪声信道测试结果

图4 信道3测试结果

图5 信道7测试结果

图6 信道11测试结果

3 小结

本文搭建了面向DSRC应用的无线信道仿真和测试系统,介绍了系统的工作流程和测试方法,根据DSRC信道模型,给出4种典型信道的测试结果。本文工作为ITS系统设计提供了参考。

[1]王笑京,沈鸿飞,马林,等,编.中国智能交通系统发展战略[M].人民交通出版社,2006

[2]H.D.Lee,M.G.Kim,C.H.Kim,S.Hong.A Temperature-Independent Transmitter IC for 5.8-GHz DSRC Applications[J].IEEE Transactions on Regular Papers:Circuits and Systems I,2008 6(55):1733-1741.

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