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[资料] 基于信道仿真的车联网外场通信仿真测试方案
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2018-6-20 11:48:21  744
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       T-BOX作为实现车联网的关键部件,其通信功能的稳定性和可靠性是厂商和用户关注的重点。如何评估T-BOX在真实场景中的使用效果,一直是整个行业的短板。目前,主要的评估手段还是费时、费力、无重复性的现场测试。               现场测试的方法既不能保证对于设备的相关性能进行全面地测试,也很难覆盖所有的工作环境(城市、山区、丘陵、平原、各个纬度、各种天气、隧道等等)。即便是花费了巨大成本做足够多不同环境下的测试,一旦发现问题,也很难复现。即便问题可以复现,也需要花大量时间从产品研制的各个阶段来定位问题。        
       如何在车型开发定型阶段即通过量化的标准仿真验证T-BOX在真实场景中的通信能力,为后期路测节省成本,提高效率,是各大车企和相关供应商非常期待的。解决方案的关键是在实验室环境下模拟出被测T-BOX进行通信时的各种无线信道特性。        
       恒润科技针对该测试需求,与OEM和供应商共同合作探索,目前已开发出基于无线信道仿真仪与场景模型的测试解决方案,可基于标准测试模型与定制场景模型仿真各种外场场景下的通信信道。
解决方案的基本实现原理:       
       首先用电磁场理论和统计理论分析无线电波在移动环境中的传播特性,并建立数学模型来描述无线信道。发射和接收天线之间的信号传播路径称为无线信道。无线信道描述了无线电波的传播形式,由于无线电波的传播会受到如下因素的影响:   
    ● 自然地形(高山、丘陵、平原或水域等)   
    ● 人工建筑的数量、高度、分布和材料特性   
    ● 气候条件和天气状况   
    ● 系统工作频率、终端的相对运动状况        
       因此会产生直射径、反射径、散射径和衍射径(亦称绕射径)等四类(见下图)无线信道。

       对于车载T-BOX模块在车辆中的各种应用工况,可针对不同的交通场景,定制测试和录制实际的电波参数,依据实测数据来验证和校正理论分析结果。直到基于模型计算出的参数与实际测试参数基本相符,从而得到一个个仿真模型库。这些基本模型支持如下特性:   
    ● 路径损耗(自由空间和不同传输环境下的典型损耗);   
    ● 阴影衰落(对数正态);   
    ● 小尺度衰落(瑞利、莱斯、Nakagami);   
    ● 支持Suzuki模型;   
    ● 干扰叠加(AWGN、CW);      
       同时,针对通信终端(T-BOX)与基站之间的通信(V2N),已经有一些标准的信道模型。如GSM标准信道模型、UMTS标准信道模型、LTE标准信道模型等。GSM信道模型广泛用于测试GSM-450,GSM-850,GSM-900,GSM-1800和GSM-1900相关的基站和UE系统。UMTS标准信道模型广泛用于测试WCDMA、TDSCDMA相关的基站和UE系统。LTE标准信道模型广泛用于测试FDD-LTE、TDD-LTE的基站和UE系统。      
      下表1是GSM标准信道模型库中关于城区场景的一个模型的参数化示例表。从该表中可以看出,该模型定义了信道路径数(Tap number),相对延迟时间(Relative time(us)),相对平均功率(Average relative power (dB)),以及由于速度因素所需考虑的多普勒频谱分析模型(Doppler spectrum)。

表1 典型城区场景(TUx):(12径模型)

        UMTS标准信道模型中的机动车模型也比较适用于T-BOX与基站之间的信道仿真测试。参见下表2 ,表中除规定了相对时延和相对平均功率外,也给订了通信频段(Band)所对应的车速条件。

表2 机动车A模型,速度120km/h

针对V2X车联网专用信道模型,需要支持:   
      ● LTE EVA信道模型;   
      ● LTE D2D信道模型;   
      ● 5.9GHz频段V2X天线建模和信道模型;   
      ● 针对V2V-Direct专门开发的信道模型;      
      恒润科技基于标准仪表提出的解决方案能够同时支持上述通用信道模型和车联网专用模型,并且可以为用户提供API,满足用户自定义模型的需求。方案示意图如下图2。通过恒润的Testbase机柜建立T-BOX的HIL(Hardware-In-Loop)环境,可以为T-BOX提供实际工作的仿真环境,将真实环境中的基站通过蜂窝通信网络信令测试仪来代替,不同的交通场景和通信情况通过信道仿真仪来模拟,在用户的后台服务器尚未建立之前,亦可针对T-BOX即将装车的类型提供符合国家标准的通信服务后台。例如新能源车应符合GBT32960,商用车使用JT808等。

图2 基于基站与信道仿真的车联网HIL测试平台

       该方案通过在信道仿真仪中加载不同的仿真模型库可以仿真城市交通环境,乡村交通环境,高速路交通环境等常用交通场景的通信信号环境,也可以通过购买选件包来测试更加细分的交通场景类型。另外配合干扰模拟器,可以模拟复杂电磁干扰和信道环境,验证T-BOX通信的抗干扰能力。
解决方案中信道仿真仪的系统技术指标:   
    ● 射频频率范围:1MHz~6GHz;   
    ● 射频信号带宽:≤ 125MHz,支持250MHz;   
    ● 射频最大输出功率:0dBm;   
    ● 陆地信道每通道多径数:≤12;   
    ● 数字衰落信道动态范围:60dB;   
    ● 内置干扰生成:AWGN、CW;   
    ● 支持最大多普勒频移:1.6MHz;   
    ● 相对路径最大延迟:0~50μs;   
    ● 大附加时延:1.5s;   
    ● 支持双工通信方式;
无线信道模拟器具有以下特点:   
    ● 标准仪表:易用性强,产品交付周期短且质量有保障   
    ● 频段覆盖广:1M~6GHz波段(覆盖V2X的5.9GHz频段),外接变频模块可扩展到C/X/Ku/K/Ka等波段   
    ● 操控灵活、方式多样:支持触摸屏+按键旋钮控制、鼠标键盘控制和软件远程控制等多种操控方式        ● 支持实时闭环控制:实时衰落引擎可精确动态生成衰落系数,实现闭环实时信道特征模拟;提供实时控制接口,可用于主控软件根据实验进程闭环选择信道类型和修正信道参数,从而实时闭环更改通信端机工况以实现真实信道的时变特性   
    ● 链路模式多样可选择:支持SISO/SIMO/MISO/MIMO的单链路模式;支持单通道多用户、多通道组用户、用户自定义的多链路模式;支持移动自组网MANET/MESH信道拓扑   
    ● 信道模型库种类齐全灵活可选配:支持路径损耗、阴影衰落、小尺度衰落、时延处理、多普勒谱型及干扰叠加的基本信道模型;支持LTE EVA、LTE D2D等V2X专用信道模型;支持4G5G专用信道模型选配和定制   
    ● 支持用户自定义信道模型的导入
对比传统现场测试方案的优点:   
    ● 在研发阶段即可进行测试        
       T-BOX的初期样件即可进行部分功能的测试,及早进行性能和功能验证,如发现问题,及早解决,可减低风险,节约后期成本   
    ● 大幅降低现场测试成本        
       基于早期实际场景的无线信道网络系统修正的仿真模型,可以仿真出不同的工作环境、不同天气状况、不同纬度、不同的运动状态以及不同的通信制式下通信信道特性信号。通过设置不同的测试条件,遍历T-BOX在这些条件下的通信情况,即可以提前检测T-BOX的真实通信能力,也可以预演现场测试无法到达的交通场景下的通信情况。而且一旦发现问题,可以多次重复循环测试出问题的场景来定位问题。可以作为外场测试的补充,或者部分取代外场测试,能够对于整个产品的研制以及验证发挥重大的作用,有利于缩短车型开发测试时间,节省大量成本   
    ● 通用性和一致性好      
       无线信道仿真仪可以在实验室环境下构建了多通道的通用无线路由平台,可仿真各种无线信道环境,还可以在信道上加载干扰,以最接近真实工作条件的信道环境对被测对象进行性能评估。因为通信接口都是基于3GPP的协议,因此不受测试对象型号的限制,通用性很好      
      无线信道仿真仪的仿真参数、系统硬件指标都是严格量化的并且通过定期校准,可以保证测试结果的一致性和可控性      
      综上所述,基于该解决方案可以在实验室环境下验证和测试T-BOX绝大部分的性能和工况,帮助用户在开发阶段即可对于T-BOX的通信能力进行完整、可重复的测试验证,大幅降低实车测试的成本和风险。



恒润科技

北京市海淀区知春路7号致真大厦D座6层






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