17、车载及系统间无线通信分析

车载及系统间无线通信分析

1. 车载覆盖/容量分析

为了提供车辆上下文感知环境，可以部署特定的车载通信网络，主要基于无线传感器网络标准和无线局域网标准。在这种情况下，必须考虑车辆内部的特定特征，如内部形态和车辆构造中使用的材料。此外，通过应用全体积模拟技术，可以确定合适的收发器位置，以提高覆盖/容量关系。

为了深入了解车载通信特性，采用3D - RL技术对不同类型的车辆和无线系统进行了模拟。考虑到车辆室内环境的特定特征，如座椅、扶手、门、窗或仪表盘的位置等，实现了完整的车辆模型。所考虑的无线系统包括ZigBee（@868 MHz、@915 MHz、@2.4 GHz）和蓝牙。

• 轿车模拟分析
  • 两人在前排座位情况 ：首先分析的车辆是一辆传统轿车，车载发射器位于仪表盘上部。重新创建了完整的车辆模型，包括前排座位上的两个人体模型。对于位于相对Y = 1.2 m和Y = 2.8 m的线性径向，ZigBee和蓝牙2类设备的接收功率水平结果显示，在低于1 m的区域（对应车辆从前部到仪表盘的外部部分），接收功率水平有显著损失。两条径向的结果也不同，因为场景是非对称的，散射体和阻碍无线链路的元素分布不同。车辆模型还考虑了不可见元素，如发动机组，在模拟的车辆模型中，发动机组在驾驶员一侧分布更多。在接收功率水平方面，工作在868和915 MHz的系统与工作在2.4 GHz的ZigBee和蓝牙相比，具有更高的值。在车辆驾驶舱内，ZigBee的接收功率水平比接收器灵敏度高40 dB以上，蓝牙约高20 dB。
  • 四人乘坐情况 ：模拟了相同的轿车环境，但增加了乘客数量，前排和后排各有两名用户。对于蓝牙和ZigBee设备，Y = 1.2 m和Y = 2.8 m径向的结果与两人在前排座位的情况趋势相似，但由于车辆驾驶舱内用户密度增加，损失略高。

车辆类型	用户数量	接收功率损失区域	不同频率接收功率比较	驾驶舱内接收功率与灵敏度差值
轿车	2人	低于1 m的车辆前部到仪表盘外部部分	868和915 MHz高于2.4 GHz	ZigBee > 40 dB，蓝牙约20 dB
轿车	4人	与2人情况类似	868和915 MHz高于2.4 GHz	损失略高于2人情况

• 公交车模拟分析
  • 模拟场景 ：模拟了城市运输公交车的场景，考虑了两种不同的公交车模型，刚性（单舱）和铰接式（双舱）。径向线位于公交车的中心位置，对应相对坐标Y = 1.4 m。考虑了低用户密度和高用户密度的占用情况。
  • 结果分析 ：结果表明，用户密度和公交车结构在公交车环境内接收功率水平的分布中起着关键作用。在高用户密度情况下，非视距传播条件更为普遍，增加了阴影效应，从而增加了路径损耗值。在某些点上，低用户密度和高用户密度在路径损耗估计方面的差异超过40 dB。铰接式公交车由于车辆尺寸较大和场景中存在更多散射体，损失更高。在铰接式公交车的中后部，考虑单个发射器时，覆盖/容量关系无法满足。可以采用分布式无线传感器网络方法，或者在不支持网状网络的情况下，采用小区致密化方法，在场景中设置多个发射设备。

graph LR
    A[公交车模拟] --> B[刚性公交车]
    A --> C[铰接式公交车]
    B --> B1[低用户密度]
    B --> B2[高用户密度]
    C --> C1[低用户密度]
    C --> C2[高用户密度]
    B1 --> B3[接收功率分布]
    B2 --> B4[接收功率分布]
    C1 --> C5[接收功率分布]
    C2 --> C6[接收功率分布]

• 火车车厢模拟分析
  • 模拟设置 ：为了分析火车车厢的通信环境，对火车车厢模型进行了详细建模，发射器位于车厢天花板的中心，以实现视距链路条件的最佳近似。考虑了工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz的ZigBee设备以及蓝牙2类发射器。
  • 结果分析 ：模拟结果显示，与城市公交车相比，用户密度对火车车厢内通信的影响要小得多。这是因为用户通常处于坐姿，如果发射器位于火车天花板上，一般与发射器具有视距条件。但在评估通过人体区域网络进行的用户间通信时，用户的存在对路径损耗估计仍有很大影响。

2. 系统间操作的考虑

合作通信可以通过不同的机制实现，主要基于系统间的流量卸载，通过系统内或系统间的切换来实现。根据覆盖/容量条件，特别是在小区边缘或高度可变衰落的关键操作条件下，可以在系统之间适当地交换流量。相应的覆盖范围由接收器灵敏度阈值决定，该阈值随自适应多速率和编码参数而变化，一般来说，提高传输速度会降低接收器灵敏度，从而减小覆盖半径。

• 误码率（BER）分析
  • 城市场景 ：对于802.11p，考虑正交频分复用（QFDM）QAM调制方案，将传输速率从3 Mb/s变化到9 Mb/s、18 Mb/s和27 Mb/s。结果表明，随着传输速率要求的提高，BER值增加，在覆盖边缘的值较低，因为接收功率水平降低。如预期的那样，车与基础设施（I2V）的BER值低于车与车（V2V）的BER值，因为I2V情况下的视距链路条件更好，平均接收功率水平更高。
  • 郊区场景 ：对郊区场景中的I2V和V2V通信链路进行了相同的分析。与城市场景相比，I2V和V2V通信链路的BER值总体较低，特别是I2V，因为散射体密度较低，链路可见性增加，阻碍减少。

场景类型	通信类型	传输速率与BER关系	I2V与V2V BER比较
城市场景	I2V和V2V	传输速率增加，BER增加，覆盖边缘BER低	I2V < V2V
郊区场景	I2V和V2V	传输速率增加，BER增加，总体BER低于城市场景	I2V < V2V

• 通信链路维持机制 ：从上述结果可知，通信质量水平强烈依赖于车辆的位置以及周围环境的配置。为了维持通信链路，根据特定的质量指标，如所需的传输速率、BER或BLER/FER（块错误率/帧错误率），可以采用系统内和系统间的合作机制。例如，城市V2V的BER阈值和接收功率水平演变表明，随着传输速率的降低，满足所需BER值的距离增加。根据这些过渡点，可以调整自适应编码方案等机制，并进行覆盖估计，以合理规划场景。如果需要更高的传输速度，则应采用更高的节点密度或其他机制，如定向波束。

车载及系统间无线通信分析

3. 不同场景下通信性能总结与对比

为了更清晰地了解不同车辆场景下的通信性能，下面对轿车、公交车和火车车厢的模拟结果进行总结对比。

车辆类型	影响接收功率的主要因素	高用户密度影响程度	覆盖/容量问题及解决方案
轿车	车辆内部非对称结构、发动机组等不可见元素	有一定影响，接收功率损失略增加	部分区域接收功率有损失，可通过合理放置收发器改善
公交车	用户密度、公交车结构	影响显著，路径损耗差异超40 dB	高用户密度和铰接式公交车存在覆盖/容量不满足情况，可采用分布式无线传感器网络或小区致密化方法
火车车厢	用户坐姿与发射器的视距条件	影响较小	一般情况下通信受用户密度影响小，但用户间通信受影响大

graph LR
    A[不同车辆场景] --> B[轿车]
    A --> C[公交车]
    A --> D[火车车厢]
    B --> B1[内部结构影响]
    B --> B2[用户密度有一定影响]
    C --> C1[用户密度和结构影响大]
    C --> C2[覆盖/容量问题突出]
    D --> D1[视距条件影响大]
    D --> D2[用户间通信受影响]

4. 系统间操作的关键要点与应用建议

系统间操作在无线通信中起着至关重要的作用，以下是一些关键要点和应用建议：

• 关键要点

  1. 流量卸载机制 ：通过系统内或系统间的切换实现流量卸载，能在关键操作条件下合理分配流量。
  2. 覆盖范围与灵敏度 ：覆盖范围由接收器灵敏度阈值决定，传输速度与接收器灵敏度成反比。
  3. 误码率与传输速率 ：传输速率增加会导致误码率上升，不同场景和通信类型的误码率表现不同。

• 应用建议

  1. 根据场景调整传输速率 ：在城市场景中，由于散射体多、干扰大，可适当降低传输速率以降低误码率；在郊区场景中，可根据需求适当提高传输速率。
  2. 采用合作机制 ：为了维持通信链路的质量，应采用系统内和系统间的合作机制，如自适应编码方案。
  3. 考虑最坏情况进行规划 ：在部署网络节点时，要考虑高用户密度等最坏情况，进行合理的无线电规划分析。

关键要点	具体内容
流量卸载机制	系统内或系统间切换实现流量卸载
覆盖范围与灵敏度	覆盖范围由接收器灵敏度决定，传输速度影响灵敏度
误码率与传输速率	传输速率增加，误码率上升

应用建议	适用场景
调整传输速率	城市场景降低速率，郊区场景按需提高速率
采用合作机制	维持通信链路质量
考虑最坏情况规划	部署网络节点时考虑高用户密度等情况

5. 总结

通过对车载覆盖/容量的分析以及系统间操作的研究，我们了解到不同车辆场景下的通信性能受到多种因素的影响，包括车辆内部结构、用户密度、传输速率等。在实际应用中，需要根据具体场景和需求，合理选择无线通信系统和部署方案，采用系统间的合作机制，以确保通信的质量和稳定性。同时，考虑到最坏情况进行规划，能够更好地应对各种复杂的通信环境，提高无线通信系统的性能和可靠性。