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造成电磁波空间传播轨迹发生偏移的结构体被称之为散射体,而电磁波传播轨迹偏移的物理现象被称之为散射现象,因此散射体建模即对其造成的散射进行建模的过程。散射体建模对车联网的发展具有重要意义,主要原因是电波传播特性的深入理解是任何车联网无线通信系统设计和优化的基本保障。而车联网场景的电波传播(或无线信道)特性取决于场景中散射体的类型与位置分布。区别于传统蜂窝小区,车联网场景中的无线信道有着复杂多样的特性。这种复杂多变来源于车联网场景中散射体的复杂性,包括狭窄的城市道路与密集的建筑群、道路旁林立的交通标识牌和高速移动的汽车等。尽管经过数十年的努力,人们对车联网无线信道特性的认知有了长足的进步,但其依旧是学术界和工业界研究的热点。而这一研究热点的突破口之一,即为散射体高效与高精度的建模方法研究。
散射体建模作为车联网无线信道研究不可分割的重要组成部分,与无线信道研究共同承担了车联网无线通信系统设计、规划和部署的需求。现有研究针对车联网无线信道及其相关散射体建模依然存在以下局限:
1)基于车联网无线信道实测数据分析得到的统计性模型是研究车联网无线信道的主流方法,模型的输出结果是车联网无线信道的关键参数统计值。但模型本身功能有限并较难量化具体场景中特定散射体的影响,造成统计性模型功能受限的主要原因来自于模型本身固有的缺陷,即模型建模的过程需要揉合大量的信道数据从而提取统计特性,因此不能孤立出具体散射体的影响。基于统计性模型的车联网无线信道分析很难结合具体物理场景及散射体分布做信道定量分析。
2)确定性信道建模作为研究车联网无线信道的重要工具,大多数使用者对其认知仅停留在使用层面。确定性建模的确有着易编程、实现成本较低和适用面广的优势,但确定性建模的准确性受制其使用的电波传播模型。然而现有研究的电波传播模型使用范围较为宽泛,常与特定环境的电波传播结果有一定偏差。
3)散射体建模一直是车联网无线信道仿真中被疏忽的一环。究其原因,主要是大多数散射体形状复杂且建模相对困难。对于传统窄带无线信道仿真来说,散射体建模对信道研究或许不具有“性价比”。随着车联网无线通信系统的发展以及精细化信道建模的强烈需求,散射体的高效和高精度建模在车联网无线信道研究中越发重要。
针对上述问题,本文提出了车联网环境散射体建模的新方法,其最终目标是为了在车联网无线信道仿真中实现散射体的高效植入,而研究过程涉及到确定性建模理论的深入挖掘,专用材料测量平台的搭建和散射体建模的创新理论。主要工作如下:
1)提出利用散射中心点建模交通标识牌等道路散射体的散射特性。在此过程中提出了采用雷达领域的散射中心理论对道路散射体进行了建模。除此之外,提出有效区域的概念对路灯的散射进行了理论建模,并提出路灯群散射建模的重要性及推导了相应的数学闭合表达式。
2)针对汽车车体散射建模,提出采用双基站散射中心点预测汽车双基站近场散射的理论方法,在这个过程中消除了利用单基站散射中心点预测双基站散射产生的误差,弥补了现有研究对于信道中车体散射的研究不足。
3)针对建筑散射体的建模,提出了从研究发生在建筑散射体表面的电波散射传播机制出发对建筑散射体进行建模。具体研究结果为通过测量获取粗糙表面情况下的反射和面散射特征参数(具体为材料表面粗糙度、介电常数和面散射特征参数)。通过对车联网常见材料的调研和参数提取,形成了相应的材料数据库,可用于未来车联网毫米波无线信道仿真中植入建筑散射体的散射影响。
4)基于散射体的创新建模方法,提出分层信道模型将散射体成功地植入射线跟踪算法进行联合信道仿真。并基于上述理论,对车联网毫米波宽带无线信道进行了前沿探究。
综上所述,从理论创新上,本文提出了散射体建模的新方法和新理论,并提出了结合散射体模型与射线跟踪算法的分层信道模型,以及基于上述建模理论仿真了车联网隧道场景毫米波无线信道特性。从方法创新上,针对散射体的研究,划分成道路散射体、汽车车体和建筑散射体分别开展,在方法上突破常规认知,提出采用散射中心点的建模方式弥补了现有车联网信道中散射体研究的不足,所提出的散射体模型兼顾了计算效率与精度。
散射体建模作为车联网无线信道研究不可分割的重要组成部分,与无线信道研究共同承担了车联网无线通信系统设计、规划和部署的需求。现有研究针对车联网无线信道及其相关散射体建模依然存在以下局限:
1)基于车联网无线信道实测数据分析得到的统计性模型是研究车联网无线信道的主流方法,模型的输出结果是车联网无线信道的关键参数统计值。但模型本身功能有限并较难量化具体场景中特定散射体的影响,造成统计性模型功能受限的主要原因来自于模型本身固有的缺陷,即模型建模的过程需要揉合大量的信道数据从而提取统计特性,因此不能孤立出具体散射体的影响。基于统计性模型的车联网无线信道分析很难结合具体物理场景及散射体分布做信道定量分析。
2)确定性信道建模作为研究车联网无线信道的重要工具,大多数使用者对其认知仅停留在使用层面。确定性建模的确有着易编程、实现成本较低和适用面广的优势,但确定性建模的准确性受制其使用的电波传播模型。然而现有研究的电波传播模型使用范围较为宽泛,常与特定环境的电波传播结果有一定偏差。
3)散射体建模一直是车联网无线信道仿真中被疏忽的一环。究其原因,主要是大多数散射体形状复杂且建模相对困难。对于传统窄带无线信道仿真来说,散射体建模对信道研究或许不具有“性价比”。随着车联网无线通信系统的发展以及精细化信道建模的强烈需求,散射体的高效和高精度建模在车联网无线信道研究中越发重要。
针对上述问题,本文提出了车联网环境散射体建模的新方法,其最终目标是为了在车联网无线信道仿真中实现散射体的高效植入,而研究过程涉及到确定性建模理论的深入挖掘,专用材料测量平台的搭建和散射体建模的创新理论。主要工作如下:
1)提出利用散射中心点建模交通标识牌等道路散射体的散射特性。在此过程中提出了采用雷达领域的散射中心理论对道路散射体进行了建模。除此之外,提出有效区域的概念对路灯的散射进行了理论建模,并提出路灯群散射建模的重要性及推导了相应的数学闭合表达式。
2)针对汽车车体散射建模,提出采用双基站散射中心点预测汽车双基站近场散射的理论方法,在这个过程中消除了利用单基站散射中心点预测双基站散射产生的误差,弥补了现有研究对于信道中车体散射的研究不足。
3)针对建筑散射体的建模,提出了从研究发生在建筑散射体表面的电波散射传播机制出发对建筑散射体进行建模。具体研究结果为通过测量获取粗糙表面情况下的反射和面散射特征参数(具体为材料表面粗糙度、介电常数和面散射特征参数)。通过对车联网常见材料的调研和参数提取,形成了相应的材料数据库,可用于未来车联网毫米波无线信道仿真中植入建筑散射体的散射影响。
4)基于散射体的创新建模方法,提出分层信道模型将散射体成功地植入射线跟踪算法进行联合信道仿真。并基于上述理论,对车联网毫米波宽带无线信道进行了前沿探究。
综上所述,从理论创新上,本文提出了散射体建模的新方法和新理论,并提出了结合散射体模型与射线跟踪算法的分层信道模型,以及基于上述建模理论仿真了车联网隧道场景毫米波无线信道特性。从方法创新上,针对散射体的研究,划分成道路散射体、汽车车体和建筑散射体分别开展,在方法上突破常规认知,提出采用散射中心点的建模方式弥补了现有车联网信道中散射体研究的不足,所提出的散射体模型兼顾了计算效率与精度。