交通专用短程通信系统信道特性仿真测试.doc

交通专用短程通信系统信道特性仿真测试 殷晓敏1金婕1孙玲1，2 (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)） 【摘要】专用短程通信协议（DSRC）为实现对车辆的实时、动态和智能化管理提供了技术规范，是智能交通系统（ITS）的核心技术之一。本文基于基带信号产生和信道仿真仪器N5106A、矢量信号发生器E4438C和信号分析仪N9020A等Angilent测试仪模拟真实环境因素，讨论了面向DSRC通信的信道模拟和测试平台，结果表明在类似的信道作用下，信号接收质量存在一定的随机性，在帧结构的保护时隙范围之内，可以通过均衡消除延时的影响。为ITS系统的设计提供了参考。 关键词智能交通；交通专用短程通信；信道仿真 基金项目：南通大学自然科学项目（13Z021）。 作者简介：殷晓敏（1984），女，汉族，南通大学，助理研究员，主要研究方向射频微波测试。 金婕（1978），女，汉族，南通大学，助理研究员，主要研究方向为通信算法与数字集成电路设计。 孙玲（1976），女，汉族，南通大学，副教授，主要研究方向为射频集成电路设计与测试技术。 0引言 近年来，智能运输系统（ITS：IntelligentTransportationSystem）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：DedicatedShortRangeCommunications）系统3-4。自xx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AgilentN5106A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。 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。 用于DSRC技术的频率资源共有75MHz，划分成7个10MHz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5.85.9GHz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20MHz的信道使用，但其通信的优先级别要低些。使用10MHz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。 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。 .1仿真测试平台结构 基于AgilentN5106A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、PureDoppler、Rician、Suzuki等，多普勒功率谱频谱形状有classical3db，classical6db，flat，rounded，jakeclassical和jakerounded。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（DigitalBus）传输。 测试系统如图2所示。首先使用Agilent的N7617BSignalStudio软件生成符合IEEE802.11p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DigitalBus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。 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。 参考文献 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,xx 2H.D.Lee,M.G.Kim,C.H.Kim,S.Hong.ATemperature-IndependentTransmitterICfor5.8-GHzDSRCApplicationsJ.IEEETransactionsonRegularPapers:CircuitsandSystemsI,xx6(55):1733-1741. 3RobertoA.U.,GulielmoA.M.Wave:atutorialJ.IEEECommunicationsMagazine,xx,47:126-133. 4陈联连,孙玲.基于开关电容阵列的5.8GHz全集成LC压控振荡器设计J.微电子学与计算机,xx,29(5):152-155. 5IntelligentTransportationSystemsCommittee.IEEETrial-UseStandardforWirelessAessinVehicularEnvironments(WAVE),xxS. 6IEEEP802.11p/D5.0,Nov.xx,Part11:WirelessLANMediumAessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)Specifications,Amendment7:WirelessAessinVehicularEnvironments(WAVE)S. 7IEEEStd.802.11-xx,Part11:WirelessLANMediumAessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)Specifications,IEEEStd.802.11,xxS.（下转第27