交通专用短程通信系统信道特性仿真测试

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。

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