16、车载环境无线通信系统优化分析

车载环境无线通信系统优化分析

1. 车载环境无线电规划

无线通信系统凭借高移动性和广泛覆盖的优势，在现代通信领域占据重要地位。然而，无线电波传播的特性既带来了灵活性，也带来了挑战。由于发射机到接收机链路的潜在损耗、信号的快速变化以及各种干扰源的影响，无线通信系统在性能上存在一定的脆弱性。

1.1 无线通信系统的发展需求

随着技术的发展，无线通信系统需要适应更多的同时连接、更高的传输速率和更低的传输延迟。在车载通信中，对最大可容忍延迟和系统整体可用性提出了更高的要求。这些参数直接影响服务质量（QoS）和用户体验质量（QoE），可以进一步细化为系统的关键性能指标（KPIs），如网络访问条件、移动性水平、延迟或可实现的传输比特率等。

1.2 网络规划与优化流程

为了部署和优化网络，需要进行一系列的规划和优化任务。网络规划和优化过程包括以下几个关键步骤：
1. 网络设计 ：进行初始流量映射、初始节点配置和粗略链路估计。
2. 网络部署 ：进行详细的覆盖/容量分析、特定节点配置和特定地点的部署。
3. 网络优化 ：进行KPI分析、参数配置和站点/节点修改。

下面是网络规划和优化过程的mermaid流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(网络设计):::process
    B --> C(网络部署):::process
    C --> D(网络优化):::process
    D --> E([结束]):::startend

1.3 覆盖/容量关系的确定

在网络规划和优化中，建立覆盖/容量关系是一个关键方面。这些关系决定了发射机 - 接收机的最大距离范围，受到链路路径损耗、移动性变化和干扰的影响。此外，自适应调制和编码方案以及其他无线电链路级功能也会影响接收机的灵敏度水平。

1.4 多目标优化问题

无线电网络规划和优化任务是多目标优化问题，可以优化范围扩展、能源消耗、访问速率、传输速率和延迟等多个元素。目前已经提出了多种方法来确定基站或中继站的位置，同时也考虑了不同的案例研究和条件，如多输入多输出（MIMO）系统的使用、基于呼叫跟踪信息的网络优化或超密集网络操作等。

1.5 车载环境的挑战

车载环境给网络规划和优化带来了额外的挑战，如高信道可变性、车辆的存在、特定的低延迟要求和大带宽要求。因此，准确的信道特征化对于提供节点范围、位置和配置的合理估计至关重要。

2. 车载通信链路参数设置

为了对不同类型的车载通信链路进行分析，考虑了车内和车外通信链路，并采用了不同的通信系统。以下是一些模拟参数的设置：

2.1 车内通信链路参数

系统	参数	值
Bluetooth Class 2	发射功率	4 dBm
	频率/比特率	2.4 GHz / 1 Mb/s
	天线辐射模式（RX, TX）/增益	全向/0 dB
	3D - RL：角分辨率/反射/衍射/立方体大小	1 度/6/是/0.1 m
	接收机灵敏度	-82 dBm
ZigBee 868	发射功率	13 dBm
	频率/比特率	868 MHz / 80 kb/s
	天线辐射模式（RX, TX）/增益	全向/0 dB
	3D - RL：角分辨率/反射/衍射/立方体大小	1 度/6/是/0.1 m
	接收机灵敏度	-106 dBm
ZigBee 915	发射功率	13 dBm
	频率/比特率	915 MHz / 250 kb/s
	天线辐射模式（RX, TX）/增益	全向/0 dB
	3D - RL：角分辨率/反射/衍射/立方体大小	1 度/6/是/0.1 m
	接收机灵敏度	-103 dBm
ZigBee 2400	发射功率	8 dBm
	频率/比特率	2.4 GHz / 250 kb/s
	天线辐射模式（RX, TX）/增益	全向/0 dB
	3D - RL：角分辨率/反射/衍射/立方体大小	1 度/6/是/0.1 m
	接收机灵敏度	-100 dBm

2.2 车外通信链路参数

2.2.1 基础设施到车辆（I2V）链路

I2V 链路	参数	值
802.11p	发射功率/位置	0 dBm/路灯
	频率/比特率	5.9 GHz/1 - 27 Mb/s
	天线辐射模式（RX, TX）/增益	全向/0 dB
	3D - RL：角分辨率/反射/衍射/立方体大小	1 度/6/是/1 m
	接收机灵敏度	-100 dBm
5G - FR1	发射功率/位置	0 dBm /路灯
	频率/比特率	3.7 GHz / 1 Mb/s
	天线辐射模式（RX, TX）/增益	全向/0 dB
	3D - RL：角分辨率/反射/衍射/立方体大小	1 度 / 6 / 是 / 1 m
	接收机灵敏度	-100 dBm

2.2.2 车辆到车辆（V2V）链路

V2V 链路	参数	值
802.11p	发射功率/位置	0 dBm / 车顶车辆
	频率/比特率	5.9 GHz / 27 Mb/s
	天线辐射模式（RX, TX）/增益	全向/0 dB
	3D - RL：角分辨率/反射/衍射/立方体大小	1 度 / 6 / 是 / 1 m
	接收机灵敏度	-100 dBm

2.3 场景参考

参考	缩写	坐标 (x, y, z) m
主要大道	AV - 1/AV - 2	(x, 83, 0)/(x, 69, 0)
路灯发射机	TX1	(101.5, 63, 3.5)
汽车发射机	TX2	(80.5, 67.25, 1.5)
建筑物	B1, B2, B3, B4	不适用

通过这些参数的设置，可以对不同场景下的车载通信链路进行模拟和分析，为后续的覆盖/容量估计和性能评估提供基础。

3. 车外覆盖/容量分析

3.1 接收功率水平估计

为了进行覆盖/容量估计，对两种类型的车外通信链路（I2V和V2V）的接收功率水平进行了估计。模拟场景考虑了平均车辆密度为1辆车/528 m²，对应测试场景中有50辆车。

对于I2V通信链路，从位于街道附近路灯内的发射机进行发射，分别考虑了802.11p和未来5G系统在FR1（低于6 GHz频谱分配）频段的情况。结果显示，5G新无线电（5G - NR）的接收功率水平较高，因为其发射功率比802.11p高。一般来说，功率水平比灵敏度水平高出20 dB以上。在802.11p的情况下，由于较高的阴影效应，有一个特定位置的值处于阈值范围内。总体而言，AV - 2的功率值高于AV - 1，因为AV - 2中发射机与车辆的视距条件更频繁。

对于V2V通信链路，在城市环境场景中的结果表明，在发射机位置约70 m的平均距离内，接收功率水平远高于灵敏度阈值。但某些特定点由于非视距条件和多径分量的异相条件，出现了急剧衰落。

3.2 误码率（BER）估计

为了了解车载信道条件下接收功率水平变化对QoS的影响，根据收发器位置对不同线性径向的误码率（BER）进行了估计。干扰条件通过提供背景噪声谱功率密度值为 - 100 dBm/Hz来设置，调制方式设置为16正交幅度调制（QAM），初始传输速度为3 Mb/s。

结果表明，随着接收功率水平的增加，BER值降低，在发射机位置附近这种情况尤为明显。在自适应调制和编码方案中，进一步降低BER的要求将导致降低调制阶数。

3.3 郊区场景分析

在郊区场景中，I2V和V2V链路的接收功率水平分布也进行了研究。对于I2V链路，802.11p和5G - FR1系统的接收功率水平通常高于接收机灵敏度，在模拟场景边缘有超过20 dB的功率余量。5G - FR1的接收功率水平较高，因为其工作频率较低且配置设置不同。在特定距离（10、120、155和200 m）可以观察到接收功率水平的衰落，这是由于场景中多径分量的相位抵消求和导致的。AV - 2的接收功率水平平均高于AV - 1，因为视距条件出现的概率更高。

对于V2V通信链路，郊区场景的结果与城市场景类似，但平均接收功率水平略高，因为场景中的杂波水平较低。需要注意的是，快速衰落分量在该场景中非常重要，因为车辆（收发器天线的位置和金属结构）在V2V通信链路的传播条件中起着关键作用。

通过BER估计可以看到对QoS指标的影响，模拟考虑了背景噪声水平为 - 100 dBm/Hz，采用16 - QAM调制方案。结果显示，在发射机节点附近BER值较低，这是由于这些位置的信噪比更高。V2V链路的BER值平均较低，因为与I2V情况相比，总体接收功率水平更高，尽管存在更多的遮挡和非视距传播条件。

3.4 信噪比（SNR）分布

覆盖/容量关系的变化主要由衰落条件的变化和干扰水平的增加引起，这直接影响信噪比（SNR）的值，进而影响最大可实现的传输速度。为了了解场景对无线链路的影响，给出了城市和郊区场景的SNR分布。

结果是通过确定性3D - RL模拟获得的，考虑了场景中元素的体积和频率色散材料参数的全部复杂性。结果是针对所有潜在的收发器位置获得的，但为了清晰起见，特别针对特定的切割平面进行了展示。

在城市场景中，对于I2V通信802.11p链路，考虑了不同的干扰条件，背景干扰谱功率密度值分别为 - 70、 - 90和 - 110 dBm/Hz。可以看到，根据收发器位置的损耗和背景干扰条件，SNR值在发射机附近趋于改善，道路上的SNR值通常更高，因为视距条件的比例更高。5G - FR1通信链路也得到了类似的结果。

模拟结果是针对整个模拟场景获得的，因此也可以研究收发器高度位置变化的影响。分别提取了道路AV - 1和AV - 2中间位置的不同垂直平面。结果显示，SNR值随高度变化，在发射机位置附近值更高。值得注意的是，收发器位置的空间偏移会导致SNR值发生5 - 10 dB的显著变化，这在选择基础设施节点的潜在位置时可能起着重要作用。

对于V2V通信链路，考虑了背景干扰谱功率密度水平从 - 70、 - 90和 - 110 dBm/Hz的变化。水平和垂直平面的结果表明，收发器的相对位置以及相应的背景干扰水平对SNR分布有很大影响，从而影响预期的系统性能。

以下是不同场景和链路类型的性能总结表格：
| 场景 | 链路类型 | 接收功率特点 | BER特点 | SNR特点 |
| — | — | — | — | — |
| 城市 | I2V（802.11p） | 部分位置受阴影影响，AV - 2总体高于AV - 1 | 随接收功率增加而降低 | 发射机附近和道路上较高 |
| 城市 | I2V（5G - FR1） | 整体高于802.11p | 随接收功率增加而降低 | 发射机附近和道路上较高 |
| 城市 | V2V（802.11p） | 70m内高于阈值，特定点衰落 | 随接收功率增加而降低 | - |
| 郊区 | I2V（802.11p） | 高于灵敏度，特定距离衰落，AV - 2高于AV - 1 | 发射机附近较低 | 发射机附近和道路上较高 |
| 郊区 | I2V（5G - FR1） | 高于802.11p，特定距离衰落，AV - 2高于AV - 1 | 发射机附近较低 | 发射机附近和道路上较高 |
| 郊区 | V2V（802.11p） | 平均高于城市场景 | 发射机附近较低 | - |

下面是整个分析流程的mermaid流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(设置参数):::process
    B --> C(接收功率估计):::process
    C --> D(BER估计):::process
    D --> E(SNR估计):::process
    E --> F([结束]):::startend

综上所述，车载环境下无线通信系统的优化需要综合考虑多种因素，包括发射功率、频率、调制方式、场景特点等。通过对覆盖/容量关系、接收功率水平、误码率和信噪比等指标的分析，可以为网络规划和优化提供有力的依据，以满足车载通信对低延迟、高带宽和高可靠性的要求。