基於信道模擬的車聯網外場通信模擬測試方案

（長按識別上方二維碼，報名第29屆IEEE IV大會 ）

T-BOX作為實現車聯網的關鍵部件，其通信功能的穩定性和可靠性是廠商和用戶關注的重點。如何評估T-BOX在真實場景中的使用效果，一直是整個行業的短板。目前，主要的評估手段還是費時、費力、無重複性的現場測試。

現場測試的方法既不能保證對於設備的相關性能進行全面地測試，也很難覆蓋所有的工作環境（城市、山區、丘陵、平原、各個緯度、各種天氣、隧道等等）。即便是花費了巨大成本做足夠多不同環境下的測試，一旦發現問題，也很難復現。即便問題可以復現，也需要花大量時間從產品研製的各個階段來定位問題。

如何在車型開發定型階段即通過量化的標準模擬驗證T-BOX在真實場景中的通信能力，為後期路測節省成本，提高效率，是各大車企和相關供應商非常期待的。解決方案的關鍵是在實驗室環境下模擬出被測T-BOX進行通信時的各種無線信道特性。

某公司針對該測試需求，與OEM和供應商共同合作探索，目前已開發出基於無線信道模擬儀與場景模型的測試解決方案，可基於標準測試模型與定製場景模型模擬各種外場場景下的通信信道。

解決方案的基本實現原理：

首先用電磁場理論和統計理論分析無線電波在移動環境中的傳播特性，並建立數學模型來描述無線信道。發射和接收天線之間的信號傳播路徑稱為無線信道。無線信道描述了無線電波的傳播形式，由於無線電波的傳播會受到如下因素的影響：

自然地形（高山、丘陵、平原或水域等）

人工建築的數量、高度、分布和材料特性

氣候條件和天氣狀況

系統工作頻率、終端的相對運動狀況

因此會產生直射徑、反射徑、散射徑和衍射徑（亦稱繞射徑）等四類（見下圖）無線信道。

圖1 無線通信多徑傳播現象示意圖

對於車載T-BOX模塊在車輛中的各種應用工況，可針對不同的交通場景，定製測試和錄製實際的電波參數，依據實測數據來驗證和校正理論分析結果。直到基於模型計算出的參數與實際測試參數基本相符，從而得到一個個模擬模型庫。這些基本模型支持如下特性：

路徑損耗（自由空間和不同傳輸環境下的典型損耗）

陰影衰落（對數正態）

小尺度衰落（瑞利、萊斯、Nakagami）

支持Suzuki模型

干擾疊加（AWGN、CW）

同時，針對通信終端（T-BOX）與基站之間的通信(V2N)，已經有一些標準的信道模型。如GSM標準信道模型、UMTS標準信道模型、LTE標準信道模型等。GSM信道模型廣泛用於測試GSM-450，GSM-850，GSM-900，GSM-1800和GSM-1900相關的基站和UE系統。UMTS標準信道模型廣泛用於測試WCDMA、TDSCDMA相關的基站和UE系統。LTE標準信道模型廣泛用於測試FDD-LTE、TDD-LTE的基站和UE系統。

下表1是GSM標準信道模型庫中關於城區場景的一個模型的參數化示例表。從該表中可以看出，該模型定義了信道路徑數（Tap number），相對延遲時間（Relative time（us）），相對平均功率(Average relative power (dB))，以及由於速度因素所需考慮的多普勒頻譜分析模型(Doppler spectrum)。

表1 典型城區場景（TUx）：（12徑模型）

UMTS標準信道模型中的機動車模型也比較適用於T-BOX與基站之間的信道模擬測試。參見下表2 ，表中除規定了相對時延和相對平均功率外，也給定了通信頻段（Band）所對應的車速條件。

表2 機動車A模型，速度120km/h

LTE標準信道模型與UMTS的參數類型相似，在此不再贅述。

針對V2X車聯網專用信道模型，需要支持：

LTE EVA信道模型

LTE D2D信道模型

5.9GHz頻段V2X天線建模和信道模型

針對V2V-Direct專門開發的信道模型

該公司基於標準儀錶提出的解決方案能夠同時支持上述通用信道模型和車聯網專用模型，並且可以為用戶提供API，滿足用戶自定義模型的需求。方案示意圖如下圖2。通過該公司的Testbase機櫃建立T-BOX的HIL（Hardware-In-Loop）環境，可以為T-BOX提供實際工作的模擬環境，將真實環境中的基站通過蜂窩通信網路信令測試儀來代替，不同的交通場景和通信情況通過信道模擬儀來模擬，在用戶的後台伺服器尚未建立之前，亦可針對T-BOX即將裝車的類型提供符合國家標準的通信服務後台。例如新能源車應符合GBT32960，商用車使用JT808等。

圖2 基於基站與信道模擬的車聯網HIL測試平台

該方案通過在信道模擬儀中載入不同的模擬模型庫可以模擬城市交通環境，鄉村交通環境，高速路交通環境等常用交通場景的通信信號環境，也可以通過購買選件包來測試更加細分的交通場景類型。另外配合干擾模擬器，可以模擬複雜電磁干擾和信道環境，驗證T-BOX通信的抗干擾能力。

解決方案中信道模擬儀的系統技術指標：

射頻通道數：最多8通道，包括8個發射通道，8個接收通道（射頻通道數可以在原儀錶內通過增減模板的方式擴展到2/4/6/8通道）

射頻頻率範圍：1MHz~6GHz

射頻信號帶寬：≤ 125MHz，支持250MHz

射頻最大輸出功率：0dBm

陸地信道每通道多徑數：≤12

數字衰落信道動態範圍：60dB

內置干擾生成：AWGN、CW

支持最大多普勒頻移：1.6MHz

相對路徑最大延遲：0~50μs

大附加時延：1.5s

支持雙工通信方式

無線信道模擬器具有以下特點：

標準儀錶：易用性強，產品交付周期短且質量有保障

頻段覆蓋廣：1M~6GHz波段（覆蓋V2X的5.9GHz頻段），外接變頻模塊可擴展到C/X/Ku/K/Ka等波段

操控靈活、方式多樣：支持觸摸屏+按鍵旋鈕控制、滑鼠鍵盤控制和軟體遠程控制等多種操控方式

支持實時閉環控制：實時衰落引擎可精確動態生成衰落係數，實現閉環實時信道特徵模擬；提供實時控制介面，可用於主控軟體根據實驗進程閉環選擇信道類型和修正信道參數，從而實時閉環更改通信端機工況以實現真實信道的時變特性

鏈路模式多樣可選擇：支持SISO/SIMO/MISO/MIMO的單鏈路模式；支持單通道多用戶、多通道組用戶、用戶自定義的多鏈路模式；支持移動自組網MANET/MESH信道拓撲

信道模型庫種類齊全靈活可選配：支持路徑損耗、陰影衰落、小尺度衰落、時延處理、多普勒譜型及干擾疊加的基本信道模型；支持LTE EVA、LTE D2D等V2X專用信道模型；支持4G5G專用信道模型選配和定製

支持用戶自定義信道模型的導入

對比傳統現場測試方案的優點：

在研發階段即可進行測試

T-BOX的初期樣件即可進行部分功能的測試，及早進行性能和功能驗證，如發現問題，及早解決，可減低風險，節約後期成本

大幅降低現場測試成本

基於早期實際場景的無線信道網路系統修正的模擬模型，可以模擬出不同的工作環境、不同天氣狀況、不同緯度、不同的運動狀態以及不同的通信制式下通信信道特性信號。通過設置不同的測試條件，遍歷T-BOX在這些條件下的通信情況，即可以提前檢測T-BOX的真實通信能力，也可以預演現場測試無法到達的交通場景下的通信情況。而且一旦發現問題，可以多次重複循環測試出問題的場景來定位問題。可以作為外場測試的補充，或者部分取代外場測試，能夠對於整個產品的研製以及驗證發揮重大的作用，有利於縮短車型開發測試時間，節省大量成本

通用性和一致性好

無線信道模擬儀可以在實驗室環境下構建了多通道的通用無線路由平台，可模擬各種無線信道環境，還可以在信道上載入干擾，以最接近真實工作條件的信道環境對被測對象進行性能評估。因為通信介面都是基於3GPP的協議，因此不受測試對象型號的限制，通用性很好

無線信道模擬儀的模擬參數、系統硬體指標都是嚴格量化的並且通過定期校準，可以保證測試結果的一致性和可控性

綜上所述，基於該解決方案可以在實驗室環境下驗證和測試T-BOX絕大部分的性能和工況，幫助用戶在開發階段即可對於T-BOX的通信能力進行完整、可重複的測試驗證，大幅降低實車測試的成本和風險。

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