CN108462546B - 用于车联网V2X通信的低功耗广域网LoRa的参数选择方法 - Google Patents

用于车联网V2X通信的低功耗广域网LoRa的参数选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆网V2X通信的低功耗广域网LoRa的参数选择方法，通过仿真六种典型的车联网V2X通信场景，涵盖了大范围的多普勒频移，通过对比各种场景对应信道的相干时间Tc和LoRa配置的符号间隔Tsym，选择较小的扩频因子和和较大的带宽来降低符号间隔Tsym，使符号间隔Tsym小于相干时间Tc，从而避免发生时间选择性衰落，获得较好的***性能。

Description

用于车联网V2X通信的低功耗广域网LoRa的参数选择方法
技术领域
本发明属于物联网技术领域，涉及低功耗广域网技术，具体地说，涉及了一种用于车联网V2X通信的低功耗广域网参数的选择方法。
背景技术
低功耗广域网络(Low Power Wide Area Network，LPWAN)技术是面向物联网中远距离和低功耗的通信需求，近年出现的一种物联网接入技术，是一项新型机对机(Machine-to-Machine)无线接入技术，具有低带宽、低功耗、远距离、支持海量连接的特点。典型的LPWAN技术有LoRa(Long Range)、NB-IoT、SigFox、NWave、OnRamp、Platanus、Telensa、Weightless、Amber Wireless等。这些技术都具有广范围、远距离、低功耗的技术特点。LPWAN技术根据工作的频段不同可分为两类：一类是工作于未授权频段(ISM频段,Industrial Scientific Medical)的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频段下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，例如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。LoRa是一种基于扩频技术的远距离物联网无线传输技术，主要由美国升特(Semtech)公司主导。相对于其他LPWAN技术而言，LoRa产业链较为成熟、商业化应用较早，是最具代表性的LPWAN技术之一。
传统的车联网技术包括射频RFID技术、Bluetooth、ZigBee、WiFi、WAVE-DSRC(车辆环境无线接入-专用短程通信)、2G/3G/4G蜂窝网等技术。与传统的车联网技术相比，LoRa可以支持每小区数百万连接的传感设备，同时覆盖长达10km的传输距离。LoRa支持星型的网络拓扑结构，各节点直接与网关/基站互联，可以极大地简化网络设计，支持更好网络延展性和控制能力。
如今，对于低功耗广域网技术在移动场景中应用的研究非常有限。例如，参见文献“D.Patel and M.Won,“Exper imental Study on Low Power Wide Area Networks(LPWAN)for Mobile Internet of Things,”in Proc.2017IEEE 85th Veh.Technol.Conf.(VTC Spring),Sydney,NSW,2017,pp.1-5.”，作者搭建了一个用于评价LPWAN技术在室内外移动环境中的性能的实验；参见文献“Hsieh,Chao-Linag,et al.,“A Vehicle MonitoringSystem Based on the LoRa Technique,”Int.J.of Mech.,Aerospace,Ind.,Mechatronicand Manufacturing Eng.,vol.11,no.5,pp.1004-1010,2017.”，作者搭建了一个基于LoRa的车辆监测***；参见文献“Y.S.Choue tal.,“i-Car system:A LoRa-based low powerwide area networks vehicle diagnostic system for driving safety,”inProc.2017Int.Conf.Applied Syst.Innovation (ICASI),Sapporo,2017,pp.789-791.”，作者提出了一个基于LoRa的车辆诊断***。然而，面向车联网V2X(Vehicle-to-Infrastructure and Vehicle-to-Vehicle,V2I and V2V)通信的低功耗广域网技术研究仍属空白。
LoRa(Long Range)是升特公司提出的一种低功耗广域网技术，它是一种基于啁啾扩频(Chirp Spread Spectrum)的无线传输技术。LoRa传输方案的初始化需要涉及四个主要的参数，主要包含扩频因子(Spreading Factor，SF)、带宽(Bandwidth,BW)、载波频率(Carrier Frequency)和码率参数(Code Rate)。LoRa通常工作于工业医疗科学ISM(Industrial,Scientific,and Medical)频段。LoRa扩频因子的取值范围是7-12，用以实现不同的数据速率和传输时间。LoRa的带宽也是非常重要的参数，不同的LoRa模块具有不同的带宽设置，如SX1272的带宽可以取125kHz、250kHz、500kHz；SX1276的带宽取值范围为7.8-500kHz。LoRa的符号间隔Tsym(symbol period)由扩频因子SF和带宽BW直接决定，表达式如下：
Figure BDA0001609471190000031
由表达式(1)可以看出，Tsym与2SF成正比，与带宽BW成反比。
在车载通信场景中，当车辆在运动时，特别是在高速移动情况下进行通信，移动终端和基站接收端的信号频率会发生变化，称为多普勒效应，多普勒效应引发的频移称为多普勒频移。信道的相干时间Tc定义为信道的最大多普勒频移fm的倒数，即Tc＝1/fm。若发射信号的符号间隔Tsym＜Tc，那么认为接收信号经历的是慢衰落，即信号在信道中传输的过程中可以在若干个符号间隔内保持不变；若发射信号的符号间隔Tsym＞Tc，那么认为接收信号经历的是快衰落，也称之时间选择性衰落，此时信号的幅度和相位在传输过程中变化很大，引起信号失真，对信道进行精确的估计和均衡都带来极大的困难。
发明内容
本发明针对现有技术存在的车载通信场景中多普勒效应造成的快衰落问题，提供一种用于车联网V2X通信的低功耗广域网LoRa的参数选择方法，该方法通过对参数的选择避免发生时间选择性衰落，使车联网V2X通信获得较好的***性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于车联网V2X通信的低功耗广域网LoRa的参数选择方法，其具体步骤为：
仿真车对车和车对路边设施两类车联网V2X通信场景，所述车对车车联网V2V通信场景包括V2V高速公路迎面场景、V2V高速公路同向场景和V2V都市楼宇间迎面场景，所述车对路边设施车联网V2R通信场景包括V2R高速路场景、V2R都市楼宇间迎面场景和V2R郊区街道场景；
根据各场景中车辆的移动速度和多普勒频移范围计算出各场景对应信道的相干时间；
LoRa配置不同的扩频因子SF和带宽BW获得多个不同的符号间隔Tsym，将各场景对应信道的相干时间Tc与LoRa的每一个符号间隔Tsym进行对比，若Tsym＜Tc时，则选取此时符号间隔Tsym配置的扩频因子SF和带宽BW。
优选的，若多个不同配置扩频因子SF和带宽BW的符号间隔Tsym均小于相干时间Tc时，选择符号间隔Tsym最小的一组扩频因子SF和带宽BW配置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明首次提出一种用于车辆网V2X通信的地功耗广域网LoRa的参数选择方法，通过仿真六种典型的车联网V2X通信场景，涵盖了大范围的多普勒频移，通过对比各种场景对应信道的相干时间Tc和LoRa配置的符号间隔Tsym，选择较小的扩频因子和和较大的带宽来降低符号间隔Tsym，使符号间隔Tsym小于相干时间Tc，从而避免发生时间选择性衰落，获得较好的***性能。
附图说明
图1a-f为本发明实施例六种典型的车联网V2X通信场景图。
图2为本发明实施例LoRa配置不同的扩频因子SF和带宽BW的符号间隔Tsym和六种车联网V2X通信场景的相干时间Tc的对比图。
图3为本发明实施例方案一与方案二在六种典型的车联网V2X通信场景下的BER性能对比图。
图4为本发明实施例方案一与方案三在六种典型的车联网V2X通信场景下的BER性能对比图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
本发明揭示了一种用于车联网V2X通信的低功耗广域网LoRa的参数选择方法，其具体步骤为：
S1、仿真车对车和车对路边设施两类车联网V2X通信场景，所述车对车车联网V2V通信场景包括V2V高速公路迎面场景、V2V高速公路同向场景和V2V都市楼宇间迎面场景，所述车对路边设施车联网V2R通信场景包括V2R高速路场景、V2R都市楼宇间迎面场景和V2R郊区街道场景；
S2、根据各场景中车辆的移动速度和多普勒频移范围计算出各场景对应信道的相干时间；
S3、LoRa配置不同的扩频因子SF和带宽BW获得多个不同的符号间隔Tsym，将各场景对应信道的相干时间Tc与LoRa的每一个符号间隔Tsym进行对比，若Tsym＜Tc时，则选取此时符号间隔Tsym配置的扩频因子SF和带宽BW。
为了保证LoRa的传输速率大，作为上述方法的优选设计，若多个不同配置扩频因子SF和带宽BW的符号间隔Tsym均小于相干时间Tc时，选择符号间隔Tsym最小的一组扩频因子SF和带宽BW配置。
若在实际应用中，要求LoRa的传输速率小，则为了保证LoRa的传输速率，在进行扩频因子SF和带宽BW时，选择符号间隔Tsym大的一组扩频因子SF和带宽BW配置。在实际应用中，可以根据各项通信业务实际要求，选择适当的符号间隔Tsym配置的扩频因子SF和带宽BW，以满足不同需求。
实施例：
参见图1a-1f，仿真六种典型的车联网V2X通信场景。分别是场景1：V2V高速公路迎面场景(V2V Expressway Oncoming)；场景2：V2V高速路同向场景(V2V Expressway SameDirection with Wall)；场景3：V2V都市楼宇间迎面场景(V2V Urban Canyon Oncoming)；场景4：V2R高速路场景(V2R Expressway)；场景5：V2R都市楼宇间迎面场景(V2R UrbanCanyon Oncomi ng)；场景6：V2R郊区街道场景(V2R Suburban Street)。各场景的信道参数如表1所示。
表1
场景 速度(km/h) 多普勒频移(Hz)
场景1 104 1000-1200
场景2 32-48 300
场景3 104 900-1150
场景4 104 600-700
场景5 32-48 400-500
场景6 32-48 300-500
表1中列出了各场景中车辆的移动速度和多普勒频移范围，根据表1可以计算出各场景对应信道的相干时间Tc。将上述各典型车联网V2X通信场景的相干时间Tc与配置不同扩频因子SF和带宽BW的LoRa的符号间隔Tsym进行对比。其中LoRa的带宽BW选择代表性的125kHz,250kHz,500kHz三种带宽参数，扩频因子SF选择其标准设定范围7-12。两者的对比结果如图2所示。
从图2可以看出，当LoRa的扩频因子SF为7时，六种车联网V2X通信场景的相干时间Tc均大于LoRa的符号间隔Tsym。随着扩频因子SF的增加，LoRa的符号间隔Tsym呈指数增长的形势，这时只有满足在特定带宽BW的条件下，部分场景的相干时间Tc才能够大于LoRa的符号间隔。例如，当扩频因子SF为9，LoRa的带宽BW取250kHz或者500kHz时，仅存在场景2、场景5和场景6的相干时间Tc大于LoRa的符号间隔Tsym。当LoRa的扩频因子SF大于10时，六种场景的相干时间Tc均小于LoRa的符号间隔Tsym，此时接收信号在这些信道场景的传输过程中会经历快衰落，引起信号失真，对信道进行精确的估计和均衡带来极大的困难。
因此，面向车联网V2X通信业务设计低功耗广域网传输技术方案时，为对抗移动场景中多普勒效应造成的快衰落问题，设计LoRa传输方案应选择较大的带宽BW和较小的扩频因子SF来减小LoRa的符号间隔Tsym，使其低于信道的相干时间Tc，从而避免发生时间选择性衰落，来精确地估计和均衡信道，获得较好的***性能。
在针对本实施例上述六种典型车联网V2X通信场景选择LoRa的参数时，为使LoRa的符号间隔Tsym小于信道的相干时间Tc，当LoRa的带宽BW取500kHz时，LoRa的扩频因子SF应该被设置为小于9，当LoRa的带宽BW取250kHz时，LoRa的扩频因子SF应该被设置为小于8，当LoRa的带宽BW取125kHz时，LoRa的扩频因子SF应小于7。
为了更好的评价本发明所述用于车联网V2X通信的低功耗广域网LoRa的参数选择方法，以下选择三种不同的参数选择方案，分别是：
方案一：参数为SF＝7，BW＝500kHz；
方案二：参数为SF＝7，BW＝125kHz；
方案三：参数为SF＝10，BW＝500kHz。
将上述三种参数方案分别实验于六种典型的车联网V2X通信场景，利用MATLAB软件进行蒙特卡洛仿真，观察各方案的误比特率性能(Bit Error Performance,BER)。仿真***的参数如表2所示。
表2
Figure BDA0001609471190000071
Figure BDA0001609471190000081
首先比较方案一和方案二。方案一和方案二具有相同的扩频因子SF，方案一具有更大的带宽BW。由LoRa符号间隔Tsym的定义，方案一显然具有更小的符号间隔Tsym，更易小于信道的相干时间Tc。因此方案一的接收信号在车载移动通信环境中发生由多普勒造成的信号失真的概率会小很多。
参见图3，图中所示为方案一和方案二在六种典型车联网V2X通信场景下的BER性能比较，横轴为信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)，单位为dB。由图3观察可得，方案一在V2V和V2R场景下均好于方案二。当信噪比为0dB时，方案一在大多数场景下的误比特率在10-2左右，随着SNR增加，方案一的误比特率减小到10-3。然而，方案二在六种场景下的误比特率性能极差，在整个SNR区间都呈现出差错平台效应。这是由于方案二选择了较小的带宽BW参数使得符号间隔Tsym较大，甚至超过了***信道的相干时间Tc，使得方案二在传输的过程中发生快衰落效应，致使信号失真，严重恶化了***的性能。
参见图4，图中所示为方案一和方案三在六种典型车联网V2X通信场景下的性能对比,虚线显示的是方案三的误比特率性能。方案一和方案三具有相同的带宽BW，方案三具有更大的扩频因子SF。由LoRa符号间隔Tsym的定义，给定带宽BW的值时，扩频因子SF值的增大会使LoRa的符号间隔Tsym呈指数上升的趋势，因此方案三的符号间隔Tsym是方案一的八倍。方案三参数方案使LoRa的符号间隔Tsym过大，极易引发快衰落效应。由图4中可以很显然的看到方案三在六种场景下的误比特率性能极差，在整个SNR区间都呈现严重的差错平台效应。在六种场景中，方案一的误比特率性能显著地优于方案三。
因此在车联网V2X通信场景中，为对抗移动场景中多普勒造成的快衰落效应，LoRa的参数方案应当选择较大带宽BW和较小的扩频因子SF，来降低其符号间隔，使其低于信道的相干时间，从而避免发生时间选择性衰落，获得较好的***性能。
以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。

Claims (1)

1.一种用于车联网V2X通信的低功耗广域网LoRa的参数选择方法，其特征在于，其具体步骤为：
仿真车对车和车对路边设施两类车联网V2X通信场景，所述车对车车联网V2V通信场景包括V2V高速公路迎面场景、V2V高速公路同向场景和V2V都市楼宇间迎面场景，所述车对路边设施车联网V2R通信场景包括V2R高速公路场景、V2R都市楼宇间迎面场景和V2R郊区街道场景；
根据各场景中车辆的移动速度和多普勒频移范围计算出各场景对应信道的相干时间；
LoRa配置不同的扩频因子SF和带宽BW获得多个不同的符号间隔Tsym，将各场景对应信道的相干时间Tc与LoRa的每一个符号间隔Tsym进行对比，若Tsym<Tc时，则选取此时符号间隔Tsym配置的扩频因子SF和带宽BW；若多个不同配置扩频因子SF和带宽BW的符号间隔Tsym均小于相干时间Tc时，选择符号间隔Tsym最小的一组扩频因子SF和带宽BW配置。
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