车联网信道与物理振动

车联网信道与物理振动总结

核心内容

本研究由中国信息通信研究院的周峰、韩明超、孙国良、汲书强等人开展，聚焦于车联网通信性能受车体振动影响的物理建模与实测分析。重点探讨了车辆在行驶过程中因机械振动引起的电波传播特性变化，特别是在多径传播环境下的影响。

主要观点

1. 车联网通信性能的制约因素

• 车联网的通信性能主要受到电波传播环境的影响。
• 车体振动是行驶过程中不可避免的现象，会对无线信号的传播路径和接收质量产生显著影响。

2. 天线安装方式

• 自动驾驶汽车的车顶电子舱可能是未来车联网天线的安装部位之一。
• 实测场景在中国信通院进行，为研究提供了实际数据支持。

3. 振动对多径传播的影响

• 车体振动导致天线位移，进而影响多径的传播距离和相位。
• 每个多径的水平角度和俯仰角度的功率分布满足特定的分布函数：
  • 水平角度：$f_{\varphi}\left[P(\varphi)\right] = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma_{\varphi}}\exp \left(-\frac{\left|\varphi - \mu_{\varphi}\right|^2}{2\sigma_{\varphi}^2}\right)$
  • 俯仰角度：$f_{\theta}\left[P(\theta)\right] = \frac{1}{2\sigma_{0}}\exp \left(-\frac{\left|\theta - \mu_{0}\right|}{\sigma_{0}}\right)$

4. 多径位移与相位变化

• 车体振动引起的位移量可表示为：
  $$
  \left{
  \begin{array}{l}
  \Delta x _ {0} (t) = \frac {a _ {x 1}}{\left(2 \pi f _ {v}\right) ^ {2}} \left[ \cos p _ {x 1} - \cos \left(2 \pi f _ {v} t + p _ {x 1}\right) \right] + \frac {a _ {x 2}}{\left(4 \pi f _ {v}\right) ^ {2}} \left[ \cos p _ {x 2} - \cos \left(4 \pi f _ {v} t + p _ {x 2} \right) \right] \
  \Delta y _ {0} (t) = \frac {a _ {y 1}}{\left(2 \pi f _ {v}\right) ^ {2}} \left[ \cos p _ {y 1} - \cos \left(2 \pi f _ {v} t + p _ {y 1} \right) \right] + \frac {a _ {y 2}}{\left(4 \pi f _ {v}\right) ^ {2}} \left[ \cos p _ {y 2} - \cos \left(4 \pi f _ {v} t + p _ {y 2} \right) \right] \
  \Delta z _ {0} (t) = \frac {a _ {z 1}}{\left(2 \pi f _ {v}\right) ^ {2}} \left[ \cos p _ {z 1} - \cos \left(2 \pi f _ {v} t + p _ {z 1} \right) \right] + \frac {a _ {z 2}}{\left(4 \pi f _ {v}\right) ^ {2}} \left[ \cos p _ {z 2} - \cos \left(4 \pi f _ {v} t + p _ {z 2} \right) \right]
  \end{array}
  \right.
  $$
• 每个镜像反射的位移量为：
  $$
  \left{
  \begin{array}{l}
  \Delta x_{i}(t) = Sx_{i}\Delta x_{0}(t) \
  \Delta y_{i}(t) = Sy_{i}\Delta y_{0}(t) \
  \Delta z_{i}(t) = Sz_{i}\Delta z_{0}(t)
  \end{array}
  \right.
  $$
  其中 $Sx_i, Sy_i, Sz_i$ 为二值随机序列（{-1, 1}）。

5. 传播距离变化与相位函数

• 振动引起的传播距离变化量为：
  $$
  \Delta d _ {i} (t) = \sqrt {\left[ x _ {i} + \Delta x _ {i} (t) \right] ^ {2} + \left[ y _ {i} + \Delta y _ {i} (t) \right] ^ {2} + \left[ z _ {i} + \Delta z _ {i} (t) \right] ^ {2}} - d _ {i}
  $$
• 多径的相位随时间变化的函数为：
  $$
  Ph _ {i} (t) = Ph0 _ {i} + \frac {2 \pi \Delta d _ {i} (t)}{\lambda}
  $$

6. 接收矢量幅度与传输损耗

• 多径叠加后，接收端的归一化接收矢量幅度为：
  $$
  M _ {r} (t) = \sum_ {i = 0} ^ {N _ {\text {path}}} M _ {i} \exp \left[ j Ph _ {i} (t) \right]
  $$
• 传输损耗随时间的变化为：
  $$
  \operatorname {Loss} (t) [ d B ] = - \left{PW _ {0} [ d B ] + 2 0 \lg \left| M _ {r} (t) \right| \right}
  $$

7. 振动引起的传输损耗分布

• 振动导致的传输损耗分布区间宽度为：
  $$
  W I D T H _ {l o s s - M} (d B) = \frac {2 W _ {\max}}{\pi} \arctan \left(\frac {k _ {w} r _ {d}}{\lambda}\right)
  $$
• 传输损耗序列在一个周期内的标准差为：
  $$
  \mathrm {S T D} _ {\text {loss - M}} (d B) = \frac {2 S _ {\max}}{\pi} \arctan \left(\frac {k _ {s} r _ {d}}{\lambda}\right)
  $$

关键信息

• 振动影响：车体振动会导致多径传播路径的变化，进而影响信号的接收质量和通信性能。
• 物理建模：通过建立位移函数和相位变化函数，对振动引起的信号衰落进行了建模。
• 实测支持：研究结合了实际测试数据，验证了理论模型的适用性。
• 应用场景：研究适用于高频车联网通信（如30GHz频段），对自动驾驶和智能交通系统具有重要参考价值。

图像说明

• 图像展示了车联网天线可能的安装位置和中国信通院实测场景。
• 时域曲线图展示了天线振动引起信号衰落的变化趋势。
• 分布宽度和标准差的图像反映了振动对传输损耗的影响程度。