车联网C-V2X无线信道测量及建模研究2021.pdf

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1、 车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 2022021 1年7 7月 2/38 摘 要 无线信道模型为通信系统设计与优化、网络部署与规划的基础，在商用部署 C-V2X 通信系统网络之前，针对不同场景制定标准化的信道模型具有重大工程意义。因此，本白皮书针对车联网无线信道进行研究，旨在描述车联网无线传播特性，为网络规划/优化、实际部署、仿真研究等提供理论基础。本白皮书首先针对现有的 C-V2X 通信系统信道测量活动与标准化信道模型开展调研与分析，发现当前的信道模型并不适用于 LTE-V2X 通信系统；然后针对 LTE-V2X 通信系统标准搭建了信道测量系统，介绍了具体的数据处理流程和所提取的

2、信道特征参数；最后介绍了在高速、城区、隧道三种场景下针对 LTE-V2X 通信系统开展的实地信道测量工作，基于实际测量数据分析典型场景下LTE-V2X的无线信道传播特性。3/38 目 录 摘 要.2 目 录.3 1 范围.4 2 概述.4 2.1 车联网无线信道研究意义.4 2.2 车联网无线信道研究现状.5 3 车联网信道测量系统及流程.6 4 数据处理及信道特征参数提取.8 4.1 信道冲击响应提取.8 4.2 有效多径识别.9 4.3 大尺度衰落特性参数.10 4.4 小尺度衰落特性参数.10 5 测量场景及结果分析.12 5.1 高速道路.12 5.2 城区道路.18 5.3 隧道直道

3、.24 5.4 隧道弯道.29 6 总结总结.35 缩略语.36 参考文献.37 致谢.38 车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 4/38 1 范围 本白皮书介绍车联网无线信道测量及建模的研究，涉及车联网测量系统及测量流程、数据处理过程、信道特征参数提取、测量场景及结果分析。2 概述 2.1 车联网无线信道研究意义 车联网 C-V2X 是中国“新基建”的重要方向，C-V2X 已成为当前国际主流的车联网技术，并在中国快速发展。作为我国主导的核心技术，C-V2X 可加强我国在科技革新方面的核心竞争力，促进我国汽车产业快速转型，加快建设智慧城市与数字中国的步伐，保障国民生命财产安全，提高交通

4、效率，为我国打造绿色节能高效安全的智慧交通系统体系做出重大贡献。C-V2X 通信包含蜂窝通信（Uu 口）和直连通信（PC5 口）两种方式，其中蜂窝通信指V2X终端与移动蜂窝网之间的通信，即V2N通信；直连通信指V2X终端之间的直接通信，即 V2V/V2I 通信。从技术演进上，C-V2X 正逐渐从 LTE-V2X 向 NR-V2X 方向演进；从产业应用上，国内正在大力推动基于 LTE-V2X 的车联网解决方案的部署应用及商业化模式探索。信号在发射机天线发送后到达接收机天线所经历的通道就是无线信道，而无线通信正是利用电磁波信号在此通道的传播特性进行信息交换的一种通信方式，其特性决定了无线通信系统的

5、性能上限。信道建模就是在真实环境中探索和表征信道特性的过程，它可以揭示无线电波在不同场景中的传播方式。借助信道模型来了解信道的传播特性，可以为通信系统的设计和优化提供指导。因此信道建模是无线通信中最重要的研究方向之一，是评估、设计和部署任何无线通信系统的前提1。在部署 C-V2X 通信系统之前，必须对其进行链路级和系统级仿真验证。而仿真中所要用到的信道信息，需要依据实际场景开展专门的测量活动。因此发展 C-V2X 通信技术的首要工作，就是需要对其不同应用场景的信道特性开展研究工作2。与现有的蜂窝通信系统相比，C-V2X通信系统具有下述特点3-8：（1）新的工作频段。2018 年 11 月，工信

6、部为支持国内 V2X 行业，为其划分了 5905 MHz5925 MHz共计 20 MHz带宽的频谱9。相比于蜂窝通信系统，V2X通信系统的工作频段更高，波长更短，因此通信的范围将缩小，信号传播时更容易受到干扰。目前国内外对V2X 信道的研究多集中于 5.2 GHz5.9 GHz 频段，也有少量研究在 430 MHz、900 MHZ、车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 5/38 2.4 GHZ和毫米波频段10。（2）更低的发射天线安装位置。在蜂窝通信系统中，发射天线的安装位置一般远高于接收天线，这使信号可通过一定的角度向下覆盖，减少因遮挡物产生的功率衰减问题。在V2X 通信系统中，RS

7、U 一般安装在电警杆或灯杆上，距地面高度约 56m，远比蜂窝通信基站天线位置低。OBU天线一般装在汽车鲨鱼鳍处，距地面高度约 1.5m。因此信号在传播时极易受到遮挡，产生阴影衰落。（3）终端的高移动性。与蜂窝通信系统相比，C-V2X通信系统中接收机很少处于静止状态，连续的移动使信道不再具有广义平稳特性。此外在 V2V 通信系统中，还存在发射机与接收机的双移动特性。以上特性使得 C-V2X 的网络拓扑结构随时间发生剧烈变化，车辆间信道特性也随之变化。因此蜂窝通信系统中现有移动信道模型不再适用车联网场景。（4）易受周围环境的影响。C-V2X通信系统的信道特性受车辆周围环境特性以及典型交通特性的影响

8、很大。这就要求针对不同的交通场景，需要分别开展信道测量与信道特性的分析。依据车辆行驶过程中周围环境的特性，C-V2X 通信系统的交通场景可分为城区、郊区、乡村、高速公路、隧道、十字路口、停车场、立交桥以及斜坡等场景。其中城区、郊区、高速、隧道最为典型，为现阶段研究的热点场景，亦为未来 C-V2X 通信技术应用最为广泛的场景。以上综述了 C-V2X 通信系统相较于蜂窝通信系统的新特点，这些新特点将导致两者的信道特性存在差异。因此针对 C-V2X 通信系统内不同的应用场景，需要进行专门的信道测量活动11，以来准确描述 C-V2X 信道特性和建立 C-V2X信道模型。2.2 车联网无线信道研究现状

9、目前 3GPP、IEEE 以及 ETSI 标准组织均发布了有关 V2X 通信系统的信道模型（见表2-1）。IEEE 802.11p 工作组针对基于 DSRC，建立了 TDL 信道模型。但该模型仅支持单天线，且不能支持 V2I 信道。此外，3GPP 36.885 基于城区微蜂窝移动通信系统，分别针对链路级仿真与系统级仿真建立了 ITU-R IMT UMI与 Winner II-B1 model信道模型，其主要适用于蜂窝网络并不能准确描述 C-V2X 信道特性。3GPP 37.885 在 3GPP 36.885 的工作基础上，新增了 NLOS-V 传播环境下的信道模型，用于 NR-V2X 的仿真。

10、然而该模型是基于蜂窝通信系统信道模型的改进，仅支持高速和城区两种场景。ETSI于 2019年 4月发布有关智慧交通系统中多场景信道模型研究的报告，报告中的信道模型皆来源于 IEEE 和 3GPP 组织上述所定义的信道模型。车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 6/38 表 2-1 各标准化组织信道模型对比 标准组织 信道模型 特点 不足 IEEE IEEE 802.11p 路径损耗、阴影衰落、小尺度衰落、多谱勒扩展、时延扩展 模型为单天线模型，仅支持乡村、市区、十字路口以及高速公路场景，没有 V2I 信道模型 3GPP 3GPP TR36.885 路径损耗、阴影衰落、小尺度衰落、多谱勒扩

11、展、时延扩展、AOA、AOD、ZOA、ZOD 基于蜂窝通信系统信道模型的改进，仅支持高速和城区两种场景，未将V2V与V2I信道模型的特点区分出来 3GPP 3GPP TR37.885 路径损耗、阴影衰落、时延扩展、AOA、AOD、ZOA、ZOD 基于蜂窝通信系统信道模型的改进，仅支持高速和城区两种场景，未将V2V与V2I信道模型的特点区分出来 ETSI IEEE 802.11p 3GPP TR36.885 3GPP TR37.885 路径损耗、阴影衰落、小尺度衰落、多谱勒扩展、时延扩展、AOA、AOD、ZOA、ZOD 基于蜂窝通信系统信道模型的改进，信道场景不够丰富 综上，目前的V2X标准化信

12、道模型场景不够丰富，难以支撑V2X通信系统设计与网络部署验证，也未将V2V通信系统和V2I通信系统的信道模型区分出来。此外，现有 V2X信道的学术研究多集中在 V2V 信道15-17，而有关 V2I 信道的研究较少。但 V2I 通信系统不管是发射天线和接收天线的安装位置，还是在工作频段以及通信覆盖范围上都与蜂窝通信系统有所不同。可见，在实际环境中，V2V 和 V2I 的信道特性差异颇大。因此，需要补充对V2I通信系统中不同应用场景的信道特性研究。3 车联网信道测量系统及流程 图 3-1 为本项目组为开展信道测量所搭建的信道测量系统，包含矢量信号发生器、频谱分析仪、收发天线系统以及同步单元。本项

13、目组采用的是频域信道探测器，其核心部分包括发射端的矢量信号发生器 R&S SMW200A，以及接收端的频谱分析仪 R&S FSW 67。外场测量采用单发双收的模式，因为双接收天线在同一时刻经历深衰落的概率很小，可以获得比单天线质量更高的信号。每根天线的增益均为 6dBi，收端天线的间距为2，约为10cm。发端和收端各配备一台 GPS 授时铷钟，用于保证时钟同步。发射的激励信号是OFDM 符号，每个 OFDM 符号包含 2560 个子载波，每个 OFDM 符号的前后端各有 256 个补零子载波，即有效子载波个数为 2048，如图 3-2 所示。信道测量的频点、带宽和发射功率等符合基于LTE的车联

14、网无线通信技术 路侧设备技术要求 2018-0175T-YD 基于LTE车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 7/38 的车联网无线通信技术 终端设备技术要求 2018-0176T-YD 18-19。矢量信号发射器和功率放大器的发射功率为 21dBm，加上发射天线的增益 6dBi，发射端发射的总功率为 27dBm。具体的参数配置见表 3-1。铷钟矢量信号发生器发射天线铷钟接收天线频谱分析仪功率放大器发射端发射端接收端接收端 图 3-1 车联网信道测量系统 带外辐射带外辐射带内有效信号256个补零子载波2048个有效子载波256个补零子载波 图 3-2 多载波信号的频域分布 表 3-1 信

15、道测量参数配置 参数 配置 载波频率 5.9 GHz 带宽 20 MHz 发射功率 27 dBm 激励信号 OFDM 多载波探测信号 发射天线 全向天线 接收天线 全向天线 发射端天线的高度 2 m(V2V)/5m(V2I)接收端天线的高度 2 m SIMO 12 天线间隔 2 车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 8/38 信道测量的具体流程为：Step1：将收发端设备连接 GPS，实现时钟同步；Step2：利用 MATLAB生成多载波 OFDM 符号，并将 OFDM符号作为信道探测信号导入到矢量信号发生器中；Step3：在矢量信号发生器中设置发送频点与带宽，将探测信号上变频至车联网频

16、点通过功率放大器和发射天线发出;Step4：接收端天线将接收到含有信道信息的探测信号传输给频谱仪，频谱仪设置接收频点与采样频率，将探测信号下变频为基带信号，以 I/Q模式保存数据。4 数据处理及信道特征参数提取 在对 LTE-V2X 通信系统中各场景进行信道测量后，利用 MATLAB 平台对测量得到的含有信道信息的数据处理并提取信道的参数。整个信道参数的处理与提取流程见图 4-1，主要的步骤包括信道冲激响应的提取与有效多径的识别，本小节将分别对其展开说明。实测数据离线数据保存同步系统响应消除信道冲激响应粗同步精同步大尺度衰落小尺度衰落在线数据观察路径损耗阴影衰落多径数目时延扩展莱斯K因子多普勒

17、特征 图 4-1 车联网信道测量数据处理流程 4.1 信道冲击响应提取 在完成测量活动后，从信道测量的数据中提取信道冲击响应（Channel Impulse Response，CIR）是数据分析的首要步骤，正确提取信道冲激响应决定了此后获得信道特征参数的准确性和可靠性。采集的原始数据为中频信号的数据。需要通过下变频和低通滤波车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 9/38 变为基带信号，利用基带信号与发射的 OFDM 信号滑动相关得到原始的 CIR。为了对抗信道冲激响应的能量泄漏问题，本项目组对原始的 CIR 进行了粗同步、精同步以及添加窗函数的处理。首先，进行粗同步寻找 OFDM 帧开头

18、，然后进行精同步，修正相位偏差，最终通过 LS信道估计的方法，就可以得到信道频域响应，之后对频域加汉宁窗，最后通过傅里叶反变换得到时域上的信道冲击响应：2()0(,)()(),=DLjft tlllh ta t et(1)其中，表示时间；表示时延；为可分辨的多径数目；()la t为第径的幅度，由路径损耗和阴影衰落决定；()为多普勒频移；()lt为第径的时延。4.2 有效多径识别 在获得 CIR 后，需要进行有效多径的识别，本项目组进行的有效多径的识别包括去噪和多径搜索两个步骤。通常实测的 CIR 包含有效的多径分量和无效的噪声分量，为了提高信道特征参数的估计精度，需要设定合适的门限阈值来区分多

19、径分量和噪声分量。对于噪声门限，如果采用一个固定的常数值，则在信噪比较低或噪声波动较大的情况下，会影响判决的准确性。因此，本项目组采用一种动态噪声门限13计算方法确定信道冲激响应数据的噪声门限，如图 4-2 所示。对于多径功率低于噪声门限的多径抽头，则对其进行迫零。图 4-2 一个快照内的信道数据与噪声门限 在确定噪声门限之后，采用局部最大值法确定多径分量，即高于判决门限以上的，并非全是多径信号，仅认为峰值出现的位置是多径的位置，为了降低“虚检”和“漏检”的概率，通过三个参数识别多径分量。第一个参数为噪声门限，去掉噪声门限以下的噪声分量后，被噪声门限划分的一组连续采样点为一个分量区域。一个分量

20、区域内，每个峰值均有可能是信号分量，通过搜索噪声以上的峰值，确定第二个参数为峰值功率及其位置。第三个参数是最大功率差P，表示最小可接受的峰值和相邻波谷之间的功率差值，由此判定峰值是车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 10/38 否为噪声产生的“毛刺”。通过对测量得到的 CIR 进行去噪和多径搜索的操作，就可以利用提取到的多径分量来分析 V2X多个场景的大尺度衰落特性和小尺度衰落特性。4.3 大尺度衰落特性参数 大尺度衰落特性对分析 V2X 信道的可用性、无线网络的规划、优化以及干扰分析都十分重要。大尺度衰落特性参数包括路径损耗和阴影衰落。由于测量得到的 CIR 既包含大尺度信息又包含小

21、尺度信息，因此为了消除小尺度衰落带来的影响，i时刻的接收功率()RxPi由所有多径功率之和的滑动平均来计算：()()121,d,+=LSk WRxLSk iPih kW(2)其中，LSW表示平均窗的长度。本白皮书采用的是文献14中建议的20作为提取大尺度数据的平均窗长。基于发射功率和接收功率，可以计算得到传播的路径损耗。本白皮书书采用的是对数阴影模型来分析 V2I及 V2V信道的路径损耗和阴影衰落特性：0SF010 lg,=+dPLAnXd(3)其中，PL为路径损耗，单位为dB；d为接收端和发射端之间的实际距离；0d表示天线远场的参考距离，本文中为 10 m；0A表示0d处的路径损耗；n表示路

22、径损耗指数，它决定了路径损耗随距离变化的快慢；通过实测数据与对数距离模型的RMSE拟合，可以得到0A和n；SFX为阴影衰落，由实测路损值与拟合值的差值计算得到,阴影衰落是满足均值为 0，标准差为SFX的正态分布。4.4 小尺度衰落特性参数 小尺度衰落特性则对传输技术的选择、数字接收机的设计和物理层优化至关重要。小尺度衰落特性参数包括：功率延迟分布、均方根时延扩展、莱斯 K 因子、多普勒功率谱以及均方根多普勒扩展。无线信道的时间色散特性通常采用功率延迟分布表征。功率延迟分布（Power Delay Profile,PDP）可以通过对离散化的信道冲激响应(,)h k进行统计得到，为信道冲激响应的功

23、率的平均结果：121(,)(,),+=avi Wik iavPDP th kW (4)其中，avW表示平均窗的长度，avW的取值需使信道满足广义平稳（Wide Sense Stationary，车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 11/38 WSS）的条件，本文取值是，约为 1 米。在多径传播条件下，由于各条多径的传播时长不同，导致接收端的信号在时延域上产生色散。一般用时延扩展来刻画信号在时延域上的色散程度，该参数对于载波调制具有重要的影响。常用的 RMS 时延扩展表示：22=()(),EE(5)其中，E为数学期望符号，2()E和2()E由下式计算：22()()()kkkkkPP=，E

24、(6)()()()kkkkkPP=，E(7)其中，()kP表示时延k上抽头的功率，由式(5)-式(7)可知，当只有 1 条有效径时，为0。莱斯 K 因子用来衡量直射径与散射径强度大小的重要参数，通常用直射强度比上其他多径分量强度来表示。K 因子估计采用经典的二阶矩和四阶矩查表法。莱斯分布的表达式为：22242242242,+=K（10）其中，22=)（E r，44=)（E r，r为 CIR 的幅值。由于多普勒效应，使得信道对信号在频率上造成色散。频率色散在频域上表现为时间选择性衰落，时间选择性即时变性。信道的快速变化会造成信号失真，这是由于发送信号还在传输的过程中，传输信道的特征已经发生了变化

25、。无线信道的频率色散特性通常利用多普勒功率谱表征。不同的入射角产生不同的多普勒频移，因此所有的多径分量的叠加就形成了多普勒功率谱。多普勒功率谱可由信道冲激响应的自相关函数的离散傅里叶变换计算得到:()()()1,+=+FFTm WFFTk mDPSD mh khkm WF(11)其中，v表示多普勒频偏，F表示 DFT 运算；()表示共轭运算；FFTW为 DFT 窗的长度，这里，DFT 窗的长度为 64 个快照的长度。多普勒扩展是由于发生频率漂移现象的多径信号叠加在一起造成信号在频域的扩展，从而形成多普勒功率谱。多普勒扩展是 V2X无线信道最重要的特征，它能够准确描述 V2X信道中多径的时变特征

26、，通常用均方根多普勒扩展v参数来表征：20车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 12/38 ()()()()22vvvvvDPSD v vDPSD v vDPSD vDPSD v=(12)5 测量场景及结果分析 5.1 高速道路 高速道路场景的测试地点位于上海市临港智能网联汽车综合测试示范区，测试路段全长约 500m。在高速道路场景中，V2I 发射端天线架设到路侧，高度与旁边的红绿灯一致，此时天线高度约为 5m。该场景下，车辆以静止状态加速到 40 km/h，再匀速行驶。测量时车辆均由远处驶向发端，再远离发端。接收端天线都架设到车辆顶部的中间位置，距离地面的高度约为 2m。此外，发射端天

27、线和接收端天线的方向都是垂直于地面的。可以很明显的看到，信号在传输过程中，没有明显的遮挡区域，因此都属于视距传输。Tx（a）V2I 高速道路场景 （b）V2I 车辆行驶轨迹 图 5-1 V2I高速道路测量场景及车辆行驶轨迹 V2V测试包含2组测试，第1组是对向测试，如图5-2(a)(b)所示，第2组是同向测试，如图 5-2(c)(d)所示。对向测试中，车辆分别从相距 600 米的初始位置对向行驶，相遇后再远离；同向测试中，发射端车辆与接收端车辆一前一后以相同速度匀速行驶，两车起点的距离约为 20 米。由于两车同向行驶过程中，车辆始终保持 2030 米的距离，两车之间的距离变化范围较小，因此对于

28、 V2V 同向行驶场景，本项目组只关注其小尺度衰落特性。发射端和接收端的天线都架设到了车辆顶部的位置，距离地面约为 2 米，且天线方向均垂直于地面。与 V2I一样，信号在传输过程中均无明显的遮挡区域，因此都属于 LOS 传输。车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 13/38 （a）V2V 对向行驶场景 （b）V2V对向行驶车辆行驶轨迹 （c）V2V 同向行驶场景 （d）V2V同向行驶车辆行驶轨迹 图 5-2 V2V高速道路测量场景及车辆行驶轨迹 图 5-3 为高速场景 V2I和 V2V场景大尺度衰落特性统计分析及建模结果。图 5-3(a)(c)中 x 轴为对数距离，y 轴为路径损耗，图

29、5-3(b)(d)为阴影衰落的实测值和正态拟合。具体的大尺度衰落参数见表 5-1。WINNER II D2a 模型为蜂窝通信中常用的信道模型，因此我们将 WINNER II D2a 模型与高速道路场景的 V2I及 V2V进行对比。由表 5-1 可知，WINNER II D2a模型的路损指数小于本项目组测得的 V2I、V2V的路损指数。这是由于传统蜂窝网络中基站架设的高度约为 1035 米，发端周围没有明显的散射体，而 V2I 天线高度约为 46米，一般架设到电警杆或者灯杆上，V2V 天线高度约为 2 米，一般架设到车顶，因此 V2V发射的信号受到发端周围散射体的影响最大，V2I次之，这也导致

30、V2I 及 V2V 信道的路损指数大于同场景的蜂窝网络模型的路损指数。由此可得，传统蜂窝网络模型并不适用于描传统蜂窝网络模型并不适用于描述述 V2X 通信的大尺度衰落特性通信的大尺度衰落特性。车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 14/38 （a）V2I 路径损耗 （b）V2I阴影衰落 （c）V2V路径损耗 （d）V2V阴影衰落 图 5-3 高速道路场景的 V2V/V2I 大尺度衰落特性 表 5-1 高速道路场景的大尺度衰落参数值 场景场景 路损因子路损因子n 截距截距0A 标准差标准差 V2IV2I 2.1782 68.1594 2.7362 V2VV2V 2.2602 69.9847

31、 2.85 WINNER II D2aWINNER II D2a 2.15 67.16 4 基于公式(4)可以得到高速场景下 V2I 及 V2V 的 PDP，如图 5-4 可得，车辆行驶过程中随着接收端靠近发射端，最强径的传播时延逐渐减小，而其功率则明显增大。此外，对比图 5-4(a)和(b)可得，与 V2I 场景相比，V2V 场景中的多径分量（Multipath Component，MPC）更多，这是因为 V2V 场景中，发射端天线架设到车顶表面，信号会通过车顶表面反射从而导致多径增多。车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 15/38 （a）V2I 的 PDP （b）V2V的 PDP

32、图 5-4 高速道路场景 V2V/V2I的 PDP 图5-5为统计得到的高速场景下多径数。可以看到V2I场景的平均多径数最少，其次是V2V同向行驶场景，平均多径数最多的是V2I对向行驶场景，具体的多径数统计见表5-2。V2V对向行驶场景统计得到的多径数大于V2V同向行驶场景，这是由于V2V对向测量时，两车初始位置相距 600 米，而 V2V 同向行驶的的过程中，两车车距保持在 2030 米之间，因此 V2V对向行驶场景统计的范围更广，多径数更多。(a)V2I (b)V2V 对向行驶 (c)V2V 同向行驶 图 5-5 高速道路场景下的多径数统计 表 5-2 高速道路场景下 V2V/V2I 多径

33、数统计（%）多径数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 V2I 51.1 40.1 6.8 1.2 0.08 0.04 0.08 0.02 0.01-V2V 对向行驶 6.46 11.6 14.4 18.94 22.05 14.74 7.89 3.08 0.71 0.09 0.02 0.002 V2V 同向行驶 15.1 39.5 32.67 10.35 1.98 0.32%0.01-无线信道都可以建模为抽头延时线模型（Tap Delay Line,TDL），即信道中的 CIR 可以通过将传播路径近似为离散的抽头来表征，本项目组通过高速道路多径的时延和幅度信息建立 TDL 信

34、道模型。测试过程中，受接收信道功率及散射体变化的影响，C-V2X 的信道特性随着收发信机位置的变化也发生了变化，因此为了更加准确的描述信道衰落特性，本项目将高速场景下的信道 TDL 模型通过划分不同的区域来建立。高速道路的 TDL 模型如图车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 16/38 5-6 所示，具体的 TDL 参数如表所示。其中 IP 点指的是收发端相遇时发端所在的位置，表5-3 也同步给出各区域适用的距离范围。(a)V2I (b)V2V 图 5-6 高速道路抽头延时线模型 表 5-3 高速道路场景 TDL参数 场景 抽头数量 相对时延/ns 平均路径增益/dB V2I AA 0

35、,20m 1 0 0 CA 20,300m 1 0 0 2 309.2-29.0 V2V AA 0,75m 1 0 0 2 314.9-24.7 CEA 75,200m 1 0 0 2 488.6-16.1 3 791.3-22.2 4 813.0-26.5 CA 200,450m 1 0 0 2 415.8-18.5 3 791.0-20.5 4 1093.9-24.5 5 1096.2-27.5 TA1 450,600m 1 0 0 2 355.1-8.4 3 753.2-9.0 4 1158.5-13.0 5 1409.8-15.6 6 1411.4-18.5 本白皮书基于统计的有效多径

36、，分别计算 V2I 和 V2V 的 RMS 时延扩展。RMS 时延扩展与多径数有关，多径数越少，RMS 时延扩展越小，因此 V2I 场景的 RMS 时延扩展均值最小，V2V 对向行驶场景次之，V2V 对向行驶场景的 RMS时延扩展最大。车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 17/38 (a)V2I (b)V2V对向行驶 (c)V2V 同向行驶 图 5-7 高速道路场景的 RMS 时延扩展的 PDF 表 5-4 高速道路场景的 RMS 时延扩展 场景 均值（ns）标准差(ns)V2I 34.32 74.14 V2V对向行驶 192.21 271.12 V2V同向行驶 44.53 34.92

37、 经过统计分析，对三个场景的K因子均采用高斯建模，如图5-8所示，V2I的拟合K因子均值最大，V2V 同向行驶场景次之，最小的是 V2V 对向行驶场景，这是因为 V2V 同向行驶场景多径数更多，NLOS 径的总能量更大，从而导致其 K 因子最小。(a)V2I (b)V2V 对向行驶 (c)V2V同向行驶 图 5-8 高速道路场景的 K因子 基于实测数据和式(11)可以得到如 5-9 所示的高速场景下的瞬时多普勒功率谱。由图可得，V2I 和和 V2V 对向行驶场景的多普勒功率谱均存在快变特性，即从最大正频偏向最小负对向行驶场景的多普勒功率谱均存在快变特性，即从最大正频偏向最小负频偏快速变化；频偏

38、快速变化；V2V 同向行驶中两车相对静止，所以同向行驶中两车相对静止，所以 V2V 同向行驶的多普勒频偏基本为同向行驶的多普勒频偏基本为0。测量得到的最大多普勒频移与理论计算结果（2,=197.3、21,=32.7、22,=379.8）基本一致。从图中还可以发现，三种场景的多普勒功率谱均出现一定程度的多普勒扩展。图 5-9(d)表示的是不同场景下的多普勒扩展，由图可得，高速场景车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 18/38 下 V2V 对向行驶的对向行驶的 RMS 多普勒扩展最大，多普勒扩展最大，V2I 次之，次之，V2V 同向行驶的同向行驶的 RMS 多普勒扩展多普勒扩展最小，这是因

39、为多普勒扩展除了与多径数有关，也与多普勒频偏有关，最小，这是因为多普勒扩展除了与多径数有关，也与多普勒频偏有关，V2V 对向行驶的多对向行驶的多径数和多普勒频偏都最大径数和多普勒频偏都最大。(a)V2I (b)V2V对向行驶 (c)V2V 同向行驶 (d)多普勒扩展 图 5-9 高速道路场景的 DPSD 和多普勒扩展 5.2 城区道路 城区场景具体测试地点位于上海市浦东新区的云鹃路，测试路段全长约 440m，车辆行驶时间为 50 秒。城区场景中发射端天线架设到了十字路口的红绿灯旁，这与其实际需要部署的位置相吻合，天线高度约为 4.6m。车辆以静止状态加速到 40 km/h，再匀速行驶。测量时车

40、辆均由远处驶向发端，再远离发端。接收端天线架设到车顶中间位置，距离地面高度约为 2m，收发天线方向均垂直于地面。信号在传输过程中没有明显的遮挡区域，因此本次测量的城区场景属于 LOS 传输。车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 19/38 (a)V2I实拍图 (b)V2I车辆轨迹 TX (c)V2V对向行驶实拍图 (d)V2V对向行驶车辆轨迹 TxTx (e)V2V 同向行驶实拍图 (f)V2V同向行驶车辆轨迹 图 5-10 城区测量环境及车辆行驶轨迹 V2V测试内容也包含 2 组测试，图 5-11(c)(d)为 V2V对向行驶测试场景，图 5-10(e)(f)为 V2V 同向行驶测试场

41、景。对向测试中，车辆分别从相距 600 米的初始位置对向行驶，相遇后再远离；同向测试中，两车一前一后以相同速度匀速行驶，两车起点距离约为 20 米。由于V2V同向行驶过程中，车辆始终保持2030米的间距，距离很小，因此对于V2V同向行驶这一场景，本白皮书只关注其小尺度衰落特性。收发端天线均置于车顶，距地面约 2米，且方向均垂直于地面。与 V2I 场景一样，V2V 场景信号在传输过程中，都没有明显的遮挡区域，都属于 LOS传输。城区场景下的大尺度衰落特性统计分析结果如图 5-11所示。同时，对比表 5-1和表 5-5可知，城区场景的路损指数大于高速场景的路损指数城区场景的路损指数大于高速场景的路

42、损指数，这是由于城区场景传播环境更加恶，这是由于城区场景传播环境更加恶劣，存在较多的散射体，例如密集的建筑物、路灯、植被、车辆等劣，存在较多的散射体，例如密集的建筑物、路灯、植被、车辆等。Tx车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 20/38 (a)V2I路径损耗 (b)V2I阴影衰落 （c）V2V路径损耗 （d）V2V阴影衰落 图 5-11 城区场景 V2I的大尺度衰落特性 表 5-5 城区场景的大尺度衰落特性参数 场景场景 路损因子路损因子n 截距截距0A 标准差标准差 城区城区 V2IV2I 2.67 66.19 2.54 城区城区 V2V2V V 2.26 66.08 2.42 如

43、图 5-12(a)(c)所示，在城区场景中，随着接收端车辆靠近发射端，最强径的传播时延逐渐减小，功率则明显增大。V2I 和 V2V 最强径的接收功率分别在第 35 秒和第 20 秒达到最大值，表示接收端车辆与发射端相遇。车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 21/38 (a)V2I的 PDP (b)V2I 的多径数 (c)V2V 的 PDP (d)V2V的多径数 图 5-12 城区测试场景的 PDP 和多径数 表 5-6 城区场景下 V2I多径数统计（%）多径数多径数 1 2 3 4 5 6 7 8 V2I 8.61 29.36 35.42 20.33 5.36 0.83 0.08 0

44、V2V 对向行驶对向行驶 29.1 31.3 22.4 12.5 3.9 0.77 0.02 0.01 V2V 同向行驶同向行驶 3.46 20.53 36.74 27.22 9.91 1.91 0.22 0.02 与高速场景下 V2X 的 TDL 建模方法相同，城区场景的 V2X 信道也采用分段建模的方法。图 5-13 为城区 V2I 及 V2V 对向行驶场景的 TDL 模型示意图，根据统计分析将城区V2I/V2V场景分为了 AA与 TA段，其中 AA段以 2条径为主，TA段以 3条径为主，这与周围环境以及收发端距离有关。表 5-7为城区 V2I、V2V 场景 TDL 模型的具体参数。车联网

45、 C-V2X 无线信道测量及建模研究 22/38 (a)V2I场景 (b)V2V对向行驶场景 图 5-13 抽头延时线模型示意 表 5-7 城区场景 TDL 模型 场景 抽头数量 相对时延/ns 平均路径增益/dB V2I AA 0,50m 1 0 0 2 272.1-21.5 TA 50,300m 1 0 0 2 393.4-19.8 3 591.1-29.0 V2V AA 0,30m 1 0 0 2 254.4-30.8 TA 30,200m 1 0 0 2 425.6-14.5 3 636.0-18.2 根据式(5)-式(10)，可以得到城区场景下的 RMS 时延扩展和 K 因子，如图

46、5-14 所示，RMS 时延扩展具体的数值如表 5-8 所示。由图表可知城区场景中 V2I 的 RMS 时延扩展最大，V2V 对向行驶次之，V2V 同向行驶最小；K 因子则相反，V2I 的 K 因子最小，V2V 对向行驶次之，V2V同向行驶最大。(a)V2I均方根时延扩展 (b)V2I K因子 车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 23/38 (c)V2V 对向行驶均方根时延扩展 （d）V2V K 因子 (e)V2V同向行驶均方根时延扩展 （f）V2V K因子 图 5-14 城区测试场景下的均方根时延扩展和 K因子 表 5-8 城区测试场景的 RMS 时延扩展 场景场景 均值（均值（ns

47、）标准差标准差(ns)V2I 69.21 224.97 V2V 对向行驶对向行驶 75.77 85.13 V2V 同向行驶同向行驶 64.86 35.50 城区场景的 V2I 和 V2V 对向行驶都会出现快速多普勒跳变的现象，此外测量得到的最大多普勒频移与理论计算结果（V2I,max198.1Hz=f、1V2V,max45.1Hz=f、2V2V,max389.6Hz=f）基本一致。如图 5-15(d)所示，V2V 对向行驶多普勒扩展最为严重，V2I 次之，V2V 同向行驶最小。车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 24/38 (a)V2I多普勒功率谱 (b)V2V 对向行驶多普勒功率谱

48、(c)V2V 同向行驶多普勒功率谱 (d)多普勒扩展 图 5-15 城区的 DPSD 和均方根时延扩展 5.3 隧道直道 隧道场景的测量地点位于上海市临港智能网联汽车综合测试示范区内的模拟隧道，全长 500 m，宽 8 m，两侧壁高 7 m，顶高 8.7 m。隧道测试场景可以分为隧道直道与隧道弯道，本项目组对其分别展开测量。测量过程中，汽车均从静止加速至40 km/h后保持匀速。隧道直道全长 270 m，隧道弯道全长 230 m。在 V2I信道特性分析中，将隧道弯道分为 LOS场景（70 m）与 NLOS场景（160 m）。在隧道场景的 V2V 测量过程中，收发端的车辆对向行驶。(a)V2I

49、实景图 (b)V2I/V2V 测试路段 发射机隧道直道隧道弯道LOS隧道弯道NLOS车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 25/38 8.7m7m8m (c)横截面图 (d)V2V实景图 图 5-16 隧道测量环境及卫星俯视图 图 5-17 展示的是隧道直道场景 V2I 的大尺度衰落特性。其路径损耗指数为 1.91，小于自由空间损耗指数，这得益于隧道场景内存在的波导效应，在一定程度上减小了发射信号功率值随着对数距离衰减的速度。(a)V2I路径损耗 (b)V2I 段阴影衰落 图 5-17 V2I隧道直道场景的大尺度衰落特性参数 图 5-18 展示的是隧道直道场景 V2V 的路径损耗。结合表

50、 5-9可知，隧道直道场景路径隧道直道场景路径损耗指数均小于损耗指数均小于 2，也即小于自由空间损耗指数，这得益于隧道场景内存在的波导效应，也即小于自由空间损耗指数，这得益于隧道场景内存在的波导效应，且隧道直道场景内信号的传输模式为且隧道直道场景内信号的传输模式为 LOS 传传输输。(a)V2V 路径损耗 (b)V2V段阴影衰落 图 5-18 V2V隧道直道场景的大尺度衰落特性参数 车联网 C-V2X 无线信道测量及建模研究 26/38 表 5-9 隧道直道场景的大尺度衰落参数 场景场景 路损因子路损因子n 截距截距0A 标准差标准差 V2I 1.91 63.92 1.15 V2V 1.67