曾莉

摘要 為探索公路隧道運行環(huán)境下V2V信道受車輛衍射、隧道內(nèi)壁反射、附屬設(shè)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(nèi)V2V信道展開測量。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，構(gòu)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(jié)果顯示，NLOS場景下陰影衰落和路徑損耗指數(shù)均較大，其接收信號幅度衰落服從瑞利分布，均方根延遲擴(kuò)展符合對數(shù)正態(tài)分布，NLOS場景的時域彌散也更大。

關(guān)鍵詞 隧道；場景；V2V信道；測量；特性

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

0 引言

在建設(shè)智慧交通的過程中，車聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，通過人、車、路、環(huán)境之間的有機(jī)結(jié)合，提升交通運行的安全性與效率性。隨著隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)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(shè)智慧交通具有積極意義。傳統(tǒng)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(huán)境V2V信道測量，并根據(jù)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(gòu)建，為公路隧道場景下V2V信道測量、道路信息高質(zhì)量傳遞及智慧交通建設(shè)提供參考。

1 通信場景及仿真環(huán)境

隧道結(jié)構(gòu)屬于內(nèi)部墻壁粗糙、空間有限的狹長形半封閉空間，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部電波傳播過程會受到隧道尺寸、截面形狀、收發(fā)距離、附屬設(shè)施、地質(zhì)條件[1]等的影響。為此，在構(gòu)建隧道信道模型時，必須保證通信場景。

與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，V2V具有高移動性和無線信道時變性，廣義平穩(wěn)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(fā)車輛和周圍行車均處于不斷變化狀態(tài)，對電磁信道的影響較大。考慮OLOS部分視距場景較為接近現(xiàn)實，故該場景細(xì)分十分必要，也為無線系統(tǒng)開發(fā)提供了良好的仿真環(huán)境。

2 信道測量

2.1 測量環(huán)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(jié)構(gòu)，其中包括2個標(biāo)準(zhǔn)寬度的行車道和1個應(yīng)急車道，隧道為矩形斷面。該隧道周圍樹木、車流量、交通標(biāo)示、漸變側(cè)墻等散射體眾多，增大了測量信道的復(fù)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(shè)備主要為德國進(jìn)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(fā)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(fā)射車和接收車車頂固定放置收發(fā)全向天線和傳感器，車內(nèi)配置收發(fā)設(shè)備和攝像頭等。施測期間，接收車始終運行于信號發(fā)射車前方，兩車行駛速度均應(yīng)控制在10～20 m/s范圍內(nèi)，因路況等方面的影響，發(fā)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(zhǔn)確獲取，在以上測試車輛上均加裝GNSS接收器，以展開GPS衛(wèi)星信號的實時接收。以上定位技術(shù)的信號傳輸在隧道內(nèi)部運行環(huán)境下存在滯后性，故在測試車輛上同時搭載LIDAR激光雷達(dá)及MTI-G-710跟蹤單元，在確保公路隧道內(nèi)信息平穩(wěn)收發(fā)的同時，還能展開隧道內(nèi)部運行特征數(shù)據(jù)的測量及記錄，對隧道內(nèi)車輛進(jìn)行定位。

在施測過程開始前還應(yīng)進(jìn)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(nèi)車輛的行進(jìn)速度、運行狀態(tài)等展開測量?？紤]IMU單元具備測量誤差累積屬性，為保證測值準(zhǔn)確，還應(yīng)借助激光雷達(dá)展開測試過程及結(jié)果監(jiān)督。

2.2 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間的測量場景

2.2.1 LOS場景

即收發(fā)車間無視線阻礙，分量主要表現(xiàn)為直射類型。此次檢測過程中總共選取45 s數(shù)據(jù)，通過比較該場景下兩車運行速度（見表1）可以看出，接收機(jī)運行速度始終保持在15.5～18 m/s之間，而發(fā)射機(jī)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(jī)始終位于發(fā)射機(jī)正前方。

2.2.2 OLOS場景

即收發(fā)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(fā)車間設(shè)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(tài)運行情形。根據(jù)該場景速度變化情況（見表2）可以看出，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)運行速度分別在13.4～15.2 m/s和10～13.5 m/s之間，發(fā)射機(jī)速度始終小于接收機(jī)，且兩車距離不斷拉大。

2.2.3 NLOS場景

即收發(fā)車間的視線完全受阻，通過在收發(fā)車間設(shè)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(nèi)始終保持直線行駛，以模擬這種情況?？紤]貨車高度較大，后方發(fā)射車在隧道內(nèi)運行期間可視距完全被遮擋。根據(jù)該場景下的速度變換測值（見表3），接收機(jī)和發(fā)射機(jī)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(shù)據(jù)預(yù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)存儲

包括信道傳遞函數(shù)、功率、GPGGA等在內(nèi)的V2V信道數(shù)據(jù)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(shù)頻移則通過MATLAB軟件實現(xiàn)，進(jìn)而展開逆傅里葉變換[2]，得出信道沖擊響應(yīng)并保存。

V2V信道慣導(dǎo)數(shù)據(jù)通常以.mat文件存儲，此后由MT manager軟件處理后導(dǎo)出.txt和.kmz格式文件，將兩類不同格式文件分別導(dǎo)入MATLAB軟件和google earth軟件，進(jìn)而得出不同方向運行速度、加速度、經(jīng)緯度等信息以及收發(fā)車輛運行軌跡。

2.3.2 無線信號傳播距離計算

收發(fā)天線距離可通過經(jīng)緯度、時延估計、慣導(dǎo)計算等方法[3]確定。其中，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)中旋轉(zhuǎn)矩陣最為重要。為展開收發(fā)兩端位置的預(yù)測，各時刻加速度應(yīng)為前一時刻加速度和旋轉(zhuǎn)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(jù)當(dāng)前時刻加速度與上一時刻速度，便可求得當(dāng)前方向的速度。根據(jù)上述三個方向的速度和，便可得出收發(fā)端速度；再結(jié)合距離與速度差在單位時間內(nèi)積分求和，便得出收發(fā)端距離。

發(fā)射機(jī)發(fā)出的無線信號到達(dá)并被接收機(jī)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(jù)式（1）進(jìn)行該隧道一個檢測段落無線信號收發(fā)距離計算。根據(jù)結(jié)果，延時估計得到的收發(fā)距離與SAGE估計基本一致，但與實際收發(fā)距離存在5 m的差距。通過幾種方法的結(jié)合應(yīng)用，可得出隧道內(nèi)收發(fā)兩端的具體距離。

2.3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過動態(tài)選擇噪聲閾值的操作進(jìn)行信道沖激響應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)處理，此類技術(shù)對于V2V傳輸情境下的終端移動特征較為適應(yīng)；同時，能確保借助時變閾值處理時變信道過程及結(jié)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(jù)信道沖激響應(yīng)變化趨勢可以看出，低于信道沖激響應(yīng)噪聲門限的值將被系統(tǒng)自動界定為噪聲。故信道沖擊響應(yīng)變動趨勢線中僅前2 μs的數(shù)據(jù)對于信道測量特性分析過程有用。

2.3.4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及歸一化處理

進(jìn)行收發(fā)信號距離求解時，必須將GNSS接收的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成ECEF地心地固坐標(biāo)，地心地固坐標(biāo)系以地球質(zhì)心為原點而構(gòu)建，在后續(xù)建模過程中必須借助坐標(biāo)中心的自定義將ECEF坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成ENU局部站點坐標(biāo)系。

V2V信道分析時，必須應(yīng)用Z-score方法或最大最小值方法展開數(shù)據(jù)歸一化處理。Z-score歸一化方法主要將樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，得出歸一化結(jié)果；而最大最小值歸一化則通過系列處理將數(shù)據(jù)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(huán)境、車流量影響較大，故通過時變信道脈沖響應(yīng)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(kuò)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(jù)LOS場景下發(fā)射功率和距離的關(guān)系，收發(fā)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(jù)LOS場景下對數(shù)距離路徑損耗擬合結(jié)果可知，由于隧道內(nèi)波導(dǎo)效應(yīng)的存在，隨著對數(shù)距離的縮短，與之相對應(yīng)的接收功率速度表現(xiàn)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(nèi)路徑損耗大3 dB；對數(shù)距離模型與ABG模型擬合出的LOS場景下數(shù)據(jù)路徑損耗指數(shù)為1.265 2，陰影衰落最大似然估計值為1.315 5 dB。

根據(jù)OLOS場景下發(fā)射功率和距離的關(guān)系，收發(fā)車間的距離在動態(tài)運行過程中始終呈增大趨勢，兩車距離最大達(dá)到105 m；接收功率則表現(xiàn)出相應(yīng)減小的局面，取值主要位于?55～?35 dBm區(qū)間。應(yīng)用ABG模型和Log-Distance損耗模型展開隧道內(nèi)運行路徑損耗指數(shù)計算，結(jié)果為1.302 1，相對應(yīng)的陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)損耗。

由NLOS場景下發(fā)射功率和距離的動態(tài)關(guān)系可知，信號收發(fā)車間的距離始終減小，兩車距離在最小達(dá)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(shù)為1.521 3，陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差則按照2.209 8 dB取值。

綜上，NLOS場景下路徑損耗指數(shù)比其余場景大，但比自由空間路徑損耗指數(shù)小，主要原因在于公路隧道內(nèi)波導(dǎo)效應(yīng)造成路徑損耗增長速率的減緩；ABG模型與對數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(nèi)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(huán)境中波導(dǎo)效應(yīng)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(huán)境下明顯。

3.2 小尺度幅值分布及時延擴(kuò)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(jìn)行歸一化處理，去除大尺度效應(yīng)。V2V信道中WSS窗口大小主要受收發(fā)車測量間隔和運行速度的影響，故結(jié)合車輛運行速度，將歸一化窗口設(shè)計為350個連續(xù)樣本施測。采用Nakagami-m、Weibull、Rayleigh、萊斯、對數(shù)正態(tài)、正態(tài)分布等進(jìn)行V2V信道小尺度幅值衰落特性描述，并得出相應(yīng)的擬合結(jié)果。

檢驗統(tǒng)計量按照式（2）[5]確定：

（2）

式中，ρ——檢驗統(tǒng)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(shù)；F（x）——服從理論分布樣本的累積分布函數(shù)。

根據(jù)擬合優(yōu)度結(jié)果，LOS場景下正態(tài)與萊斯分布對接收信號擬合效果較好，Rayleigh分布的檢驗統(tǒng)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(shù)正態(tài)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(shù)正態(tài)分布擬合效果差。

3.2.2 均方根時延擴(kuò)展

時域彌散主要因傳播環(huán)境改變及多徑到達(dá)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(jù)三種場景下功率時延譜檢測結(jié)果，LOS場景主路徑始終存在，時延隨著收發(fā)車距離的縮小而減??；OLOS和NLOS場景下主路徑微弱，接收功率強(qiáng)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(nèi)靜止的散射體會釋放高延遲信號反射徑；與信號收發(fā)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(jù)各信道脈沖響應(yīng)RMSDS累積分布函數(shù)，三種場景下均方根時延擴(kuò)展均值分別為65.649 8 ns、166.066 7 ns、505.992 5 ns。

4 結(jié)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(jù)實測結(jié)果構(gòu)建起LOS、OLOS、NLOS場景下路徑損耗模型，主要得出以下結(jié)論：NLOS場景路徑損耗指數(shù)比其余兩個場景大，但因隧道內(nèi)波導(dǎo)效應(yīng)，三種場景下路徑損耗指數(shù)均比自由空間小。NLOS場景下大客車引起的陰影衰落達(dá)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(xiàn)

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