VANET网络中小尺度衰落信道仿真

2010年第12期，第43卷 通 信 技 术 Vol.43，No.12,2010 总第228期 Communications Technology No.228,TotallyVANET网络中小尺度衰落信道仿真熊 飚， 张小桥(南昌大学 计算机技术研究所，江西 南昌 330029)【摘 要】车载网络（VANET）是智能交通系统的核心部分，能够提高道路交通的安全性与高效性。

分析电波在VANET网络中的传播特点，着重分析该网络中双移动节点间的小尺度衰落信道，包括多普勒功率谱模型和用成型滤波器法仿真VANET 网络中小尺度衰落信道特性，给出经历该信道后接收信号的包络。

仿真结果表明，随着移动车辆速度比增大，接收信号衰落更深。

该结果对于VANET网络下无线多媒体业务性能评估有着重要的作用。

【关键词】车载网络；无线电波；小尺度衰落信道【中图分类号】TN929.25 【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2010)12-0056-02Simulation on Short-term Fading Channel for RadioLink between Dual Mobile Nodes in VANETXIONG Biao， ZHANG Xiao-qiao(School of Computer Institute, Nanchang University, Nanchang Jiangxi 330029, China)【Abstract】Vehicle Ad Hoc Network(VANET) is the key part of intelligent transportation system (ITS), which can improve the safety and effectiveness of road traffic. The paper analyzes the propagation performance of radio signal in VANET, with focus on the short-term fading channel for radio link between dual mobile nodes, including the Doppler spectrum model and the received-signal envelop under the short-term fading channel for radio link based on IFFT method. The simulation results show that, with the increasing speed of moving vehicle, the wireless channel becomes worse. The results could serve as a valuable reference for performance evaluation of wireless multi-media traffic in VANET.【key words】VANET; radio wave; short-term fading channel0 引言创造性的将移动自组网及无线传感器网络技术应用于车辆，使得传统的用于交通角色的车辆变成“智能终端”，即形成车载自组网。

V ANET网络是智能交通系统 (ITS )的核心部分，旨在提高道路交通的安全性与高效性，同时提高旅客出行的舒适性[1]，具有巨大的潜在商业价值。

在2003年ITU-T的汽车通信标准化会议上，各国专家提出车载自组网技术有望在2010年将交通事故引起的损失降低50%[2] 。

相比较于传统的无线蜂窝网络，V ANET网络具有无中心性、双高速移动节点和节点的移动模型可预见性等独特特点，使得V ANET网络的拓扑结构具有快速的动态变化性，这些导致V ANET网络运行环境更复杂，应用于V ANET网络的关键技术存在很大的难点，特别是在实现服务质量(QoS)和安全性方面。

关于V ANET网络技术的研究已经成为近十年的最热门的研究课题之一，然而对于研究V ANET网络首先需要解决的问题——无线电波在V ANET网络环境中的传播特点，并没有得到很好的研究。

首先，V ANET由于其自身独特特点（节点高速移动、拓扑结构快速动态变化和运行环境的更复杂性等）使得V ANET中的无线电波传播特性与传统无线蜂窝网络中的无线电波传播特性有所不同。

其次，通信过程是信号与噪声通过通信系统(无线传播环境)的过程，对通信过程的研究就离不开对无线传播环境中的无线电波传播特点的研究。

另一方面，文献[3]综合研究MANET物理层因素对其他各层的影响。

文献[4]具体研究了MANET物理层特性对MAC层的重要作用。

故对V ANET网络中电波传播特性的研究是很有必要的。

收稿日期：2010-04-22。

作者简介：熊 飚（1978-），男，学士，主要研究方向为计算机网络及短距无线通信；张小桥（1989-），学士，主要研究方向为无线电波传播及其工程应用。

5657现分析V ANET 网络中无线电波的传播特点，着重研究与节点移动有关的无线电波传播特性(小尺度衰落信道)。

1 VANET网络中无线电波的传播特点一般，由于大量的各种散射体(如：建筑物、树木、山丘以及行人等)，使得在无线通信系统中，发射节点发送的信号在到达接收节点之前会经历散射、绕射或者折射，即到达接收节点的信号是发送信号的副本叠加。

这些副本信号从不同的路径到达接收节点，具有随机的相位，所有具有不同随机相位的副本信号的叠加，导致接收信号的幅度发生了变化，即接收到的发送信号产生了衰落。

根据导致衰落的不同因素，无线传播信道被分为小尺度衰信道与大尺度衰落信道两种。

小尺度衰落描述短时间内接收信号幅度的快速变化，主要由于多径效应与多普勒效应导致，如：传统无线蜂窝网路中单移动节点导致的多普勒效应；大尺度衰落描述长时间内接收信号幅度的慢变化，包括发送-接收节点之间的距离导致图1 VANEET 网路场景在VANET 网络中图1给出典型城区环境下的一种简单VANET 网络场景图，发送车辆发送的信号在到达接收车辆之前同样会经历散射、绕射或者折射的作用，即电波在VANET 网络中同样会经历大尺度衰落与小尺度衰落。

然而，由于VANET 网络中具有双高速移动的节点，即发送节点与接收节点同时导致多普勒效应，使得VANET 网络中的多普勒效应不同于传统无线蜂窝网络中单移动节点导致的多普勒效应。

Akki 和 Haber [5-6]研究了二维散射环境下双移动节点导致的多普勒效应，假设发送节点发送的信号与接收节点接收到的信号符合一种“双环”模型，研究结果表明，双移动节点导致的多普勒功率谱与传统无线蜂窝网路中单移动节点导致的多普勒功率谱具有很大的差别。

文献[7]中分析了三维开阔区域中V ANET 网络双移动节点间的多普勒功率谱模型，依据图2所示的坐标系统，给出了多普勒功率()S H υ的解析表达式：2()H HS υσ， (1)其中，1d f 为发送节点导致的最大多普勒频移；α为接收节点车辆速度与发送节点车辆速度之比(21V V )，即双移动车辆速度比；()2π2()(,)(,)d 1,2i i i i ii i i i iq Fp i ϑϕϑϑϕϑϕϕ==∫，其中(,)i i i F ϑϕ为天线的辐射函数。

图2 车辆坐标系统2 VANET网络中小尺度衰落信道分析这里依据文献[7]中的多普勒功率谱表达式，采用成型滤波器法仿真双移动节点链路的多普勒功率谱，分析VANET 网路中的小尺度衰落信道，仿真框图如图3所示。

假设发送节点导致的最大多普勒频移为130d f =Hz ，双移动车辆都配备半波偶极子全向天线且天线方向垂直于车辆。

图4给出不同α值条件下，接收信号包络的曲线图，其中横坐标表示时间，单位s ，纵坐标表示接收信号包络，单位dB 。

立复高斯样12x jx =+图3 成型滤波器法仿真框分析图4可知，随着双移动车辆之间的相对速度增大，发送信号在到达接收节点之前经历的衰落更严重，当双移动节点速度比为1α=时，接收信号包络在[-16,-40]dB 之间，而当0.2α=时，接收信号包络在[-22,-50]dB 之间。

由此可以得出，节点移动导致的多普勒效应是所有移动节点导致的多普勒效应的综合，即要考虑所有移动节点的多普勒效应，而非取节点的相对速度导致的多普勒效应。

t /s (a) a=1t /s (b) a=0.5t /s (c) a=0.2图4 不同α值条件下接收信号包络（下转第60页）60ownohter phs (1)P SIR I I I Nβα=−+++。

(2) 使用标准给出的数值要求对干扰因子I PHS 进行分析，按PHS 空中接口协议（RCR STD28）V4.0标准，PHS 基站带外杂散辐射标准：251 nW/1 MHz≌-36 dBm/1 MHz=-35 dBm/1.28 MHz。

(3) ≌表示nW 与dBm 之间的等效，假设1 900.15 MHz 中心频率被PHS 系统占用，TD-SCDMA 系统占用了1 880～1 900 MHz 频段，中国通信标准化协会(CCSA)TC5 WG1频谱子工作组确定的TD-SCDMA 系统宏小区对PHS 系统间共存的研究方法中规定PHS 邻道泄漏功率为：2△f 的频带内泄漏功率小于 800 nW；3△f 的频带内泄漏功率小于250 nW，其中△f 表示PHS 系统带宽。

由此得到两种情况：第一种为最差情况，既要考虑杂散干扰又要考虑邻频干扰；第二种由于邻道泄漏值小于杂散干扰值，所以仅取杂散干扰值[6]。

取1 898.5 MHz 为分隔点（PHS 的3倍频干扰在一个TD 带宽内，3倍频以外的干扰就当作杂散干扰进行处理）。

1 898.55～1 900 MHz 之间，为TD 系统受到干扰的最差情况为-28.6 dBm，这个频段既要考虑杂散干扰又要考虑邻频干扰，因为核心频段内的杂散功率是 1.28×251 nW/MHz，即321.28 nW(为-35 dBm)，而最差的邻道泄漏，即中心频率在1900.15 MHz 的频率产生的泄漏计算后得到的功率为800 nW+250 nW 即1 050 W 为（-29.8 dBm）。

邻道泄漏值大于杂散干扰值，所以在这个频段必须同时考虑邻道泄漏这种情况。

1 880～1 898.55 MHz 只考虑杂散干扰-35 dBm。

对于 1 880～1 898.55 MHz 之间的频段，如考虑邻道泄漏，计算邻道功率为250 nW，其值小于杂散干扰值321.28 nW。