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用于增强车辆到车辆通信的毫米波通信雷达
摘要：
为了有效性，基于无线通信的安全相关应用，需要获得具有通信设备的车辆的最小速率。虽然这种车辆的最低速度可能相对较低，但是由于车辆状况不佳，仍然难以获得。然而，长距离和短距离雷达近代以来非常受欢迎，用于巡航控制，障碍物检测，停车辅助和碰撞感测。这些雷达是在宽分配频段产生显着射频功率的有源传感器，它们还集成了敏感的接收器。为了加快车对车通信的普及率，本文通过使用毫米波工作的通信雷达评估了在增强车对车通信方面的可能性。介绍了车对车通信和雷达的当前分配频率，分析短距离和远程雷达射频参数，以验证现有的汽车雷达无线电标准与通信一致，在道路上方的放牧角度，理论和实验研究了通信雷达传播信道的特征，并将其与更传统的5.9 GHz信道进行比较，介绍了在同一个通信区域提供同时访问车辆的超宽带无线电通信的分析。最后，讨论了相关的通信雷达体系结构。
1. 绪论
提高交通效率，减少道路拥堵，减少事故以及损害成本是世界大部分地区的面临的挑战。根据可靠信息，欧盟的事故造成的年损害成本大约是100亿欧元。通过使用新的信息和通信技术，这种问题可能会被最小化。在这些技术中，车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信是改善现状的好办法。以这种方式，通过无线电路在其间或与基础设施之间连接车辆，能够实现新的应用范围和现有应用的改进。
V2V通信近年来引起了极大关注，将成为未来智能交通系统（ITS）的重要组成部分。5.9 GHz的V2V最新标准已经出现，它基于IEEE 802.11p无线接入车辆环境（WAVE）协议，该5.9 GHz V2V通信协议越来越受到关注，并成为当前汽车行业基准解决方案。
本文的目的是评估升级的毫米波短程雷达（SRR），我们称之为通信雷达，可以是一种有效的，互补的V2V通信解决方案。这项研究的原因是，可以对减少事故造成重大影响的驾驶员辅导和避免碰撞应用程序通常需要显著的渗透率。由于V2V通信资源将逐步安装在车辆上，因此在引入ITS应用程序时，这种充分的渗透率似乎难以获得。因此，完全可以在以后地技术中出现。
然而，随着使用新的安全技术，汽车雷达被广泛使用，在过去几十年中车辆安全已经大大改善。用于驾驶员辅助系统的雷达传感器有助于提高提供对象检测的碰撞辅助和预碰撞应用中的安全性和舒适性。几年来，自适应巡航控制雷达（ACC），远程雷达（LRR）和SRR已经是商业现成的设备。在欧洲，使用临时频率分配有效期至2013年，窄带SRR的工作在24 GHz 。在2013年之后，SRR将使用已经分配的更宽的4 GHz带宽迁移到79 GHz。因此，行业必须发展新一代的苏联。此外，SRR旨在像虚拟安全带一样运行，在车辆周围360°，使用几个雷达，并且执行基本的雷达功能，SRR集成了强大的发射机和传感器。因此，SRR向装载车辆的每个部分发送和接收信号。因此，如果我们可以以边际成本修改下一代SRR以允许通信，那么我们可以促进VVV通信的出现，并提供一个额外的，非常不同的通信链路，可以提高整体V2V通信的可靠性。
本文将研究这两种V2V通信手段的一些补充方面。
为了开始评估，我们首先考虑关于V2V通信和自动化雷达的当前ITS频率分配。然后，我们分析SRR和LRR射频运行参数，以验证当前的汽车雷达标准是否与V2V通信一致。接下来，我们在理论上和实验上考虑了在道路上的掠角处的毫米波处的传播通道特征，并且在5.9 GHz，高于公路上的车辆。在5.9 GHz和79 GHz，获得非常不同的，相关的，因此互补的通信信道。由于雷达分配的频带非常宽，通常宽于500 MHz，超宽带（UWB）无线电通信适用于V2V通信。这种带宽降低了频率选择性衰落的影响，这在这个频率下可能是一个问题。为了与多台周边车辆同时进行排队，必须制定具体的多路接入无线电技术。为了提供这种多重访问能力，分析了具有有趣的正交性质的特定修改的Gegenbauer函数（MGF）UWB波形，并将其与更常规的码分多址（CDMA）技术相结合。最后，我们考虑当前的汽车雷达传感器架构，并提出修改以便将其升级为通信雷达。
几年前，Heddebaut等讨论了使用多功能汽车雷达和通信系统的思想。Roberton和Brown随后提出了一种基于加速扩频技术的综合雷达和通信单元。Heddebaut等人重申了使用远程雷达支持车辆通信的想法。徐等提出了基于DirectSequence超宽带（DS-UWB）无线电技术的综合雷达和通信系统，以及Saddik等人描述了一种超宽带多功能通信雷达系统。在2007年9月的最新报告中，eSafety通信工作组表示，二次使用汽车雷达进行V2V通信可以补充其他技术。
因此，预期这样的演变有两个主要优点：
①、当两者都安装在车辆中时，5.9 GHz的WAVE通信和通信雷达可以通过两个非常不同的传播通道协调和支持通信，从而提供扩展的频率分集通信系统。 这为V2V安全场景应用程序提供了低共模故障概率。
②、在未来的几年中，预计雷达将会显著增长，增长速度将会显着增加。他们由客户支付，以提供不同的服务，如：障碍物检测，停车辅助，预碰撞感应等。如果通信能力可以以低成本工厂建造，则将雷达前端作为次要用途，那么这种通信资源即可使用，只能用于向配备有雷达但尚未配备专用通信资源的车辆提供通信。这可能会显着提高通信系统的普及率，并减少延迟以获得V2V通信的全部优势。
本文分为六个部分。在第二部分中，欧洲ITS分配流程及其新的状况将会在美国和日本的现行法规中得到阐述。 将考虑5.9 GHz V2V和雷达分配频段。在第3节中，将分析SRR和LRR射频参数，以验证现有汽车雷达标准是否与通信一致。第4节理论和实验考虑了5.9 GHz和79 GHz传播通道特性。第5节研究了排队内车辆的多重接入UWB无线电通信。最后，在总结之前，第6节分析了典型的通信 - 雷达架构和潜在演变。
- 欧洲ITS频率分配过程和当前状态
2.1欧洲的频率管理
在欧洲，欧洲邮政和电信联盟（CEPT）使用图 1结构，以管理频率分配。
电子通信委员会（ECC）已经创建了几个工作组，特别是频率管理（FM）和频谱工程（SE）组。 他们分享与ITS频率分配有关的工作。 这些频率分配在短距离设备维护组和频谱工程24和41组中讨论。
2.2当前欧洲ITS频率分配情况
在欧洲，按照ECC决定，ITS频率分配被重新分组如表1.
因此，在5.8 GHz频带中有一个有限的带宽可用，但在毫米频率下可以使用几GHz。在欧洲，截至目前，5.8 GHz频段的大部分当前应用已用于专用短距离通信（DSRC）和自动收费和借记应用。
在毫米频率下，由于LRR到SRR的可预见的饱和干扰，共同的频带分配是不可行的; 由于缺乏空间分离，SRR将被卡住。因此，76-77 GHz特定频带已经分配到LRR单位。LRR单位需要的精度比SRR要小。因此，分配了1 GHz带宽。对于精确的径向范围要求，将77 GHz和81 GHz之间的4 GHz分配给SRR，以提供几厘米的径向范围精度。在表1中我们还注意到，目前这一代的24 GHz雷达必须在2013年放弃。因此，新一代的79 GHz雷达需要在未来5年内开发和实现工业化，下一代可以整合通信能力。
2.3 ITS频率分配情况和演进
最近，新的频谱要求，对应于新的V2V和V2I通信要求已被讨论在几个欧洲的机构。 CEPT已被无线电频谱委员会（RSC）授权，以验证ITS在欧盟的安全关键应用的要求，确定所需的保护级别，进行兼容性研究，并提出工作计划。 CEPT验证了行业安全和有效的ITS应用的频谱要求，预计需要30-50 MHz。 相容性研究结果表明，5.875-5.905 GHz范围内的保护将是可行的，这种情况在总结出来的图表中图2.
2008年8月5日，欧盟委员会发布了一项决议，提供了一个单一的欧盟30 MHz频段，用于即时可靠的V2V和V2I。根据FCC 99-305，这种欧洲情况部分与美国（美国）联邦通信委员会（FCC）在5.850和5.925 GHz之间的ITS系统配置相一致。此外，控制信道已经在相同的10 MHz频谱范围内选择。
图1.欧洲ITS频率分配机构
表1.当前欧洲ITS分配频率
图2.预计欧洲未来5.9 GHz频率分配
图3.车对车5.9 GHz通信通道插图
基于美国的配置，考虑到北美频率协调，以便在加拿大和墨西哥允许5 GHz ITS应用。在日本，韩国，南非和南美的ITS应用中也考虑到了这个5 GHz频段。
在5.9 GHz时，预期V2V通信将使用在水平面上放射的全向和半定向天线进行操作，并将能量集中在路面上的低角度。这种情况如图3所示，车辆使用相对靠近地面的天线，路面上典型的天线高度为1.5米。在欧洲，在整个带宽上，恒定的23 dBm / MHz等效各向同性辐射功率（EIRP）目前被设想为提供数百米的预期通信范围。
- 短程和远程雷达的技术参数
在79 GHz（即77-81 GHz频段）工作的SRR需要几乎0到30m的运行检测范围，并且可用于多种应用，以增强各种道路使用者的主动和被动安全性。增强被动安全性的应用包括障碍物检测，碰撞警告，车道偏离警告，换车辅助，盲点检测，停车辅助和安全气囊布防。这些功能的组合在文献中称为汽车的“安全带”。图 4进一步解释了这个360°，在车辆周围，虚拟安全带概念。
图4.虚拟360°安全带周围使用几个SRR单位的车辆
表2.操作SRR和LRR参数以及当前技术可实现的毫米前端参数
在表2中我们包括SRR和LRR相关的射频参数和79 GHz前端异质双相结点Bi CMOS 9技术的最新技术结果。
SRR是三个功能的组合，它允许使用在毫米波频率载波处的多普勒效应进行精确的目标速度测量。宽带信号用于提供距离大约为5厘米的物体的精确的径向范围信息。如前所述，为了获得此需要的解决方案，SRR需要4 GHz带宽。使用两个或更多个分离的传感器与本地化技术组合获得目标的方向，即到达角度（AOA），到达时间（TOA）或这些技术的关联的测量。因此，从图4可以看出，目标速度，目标距离和目标方向将在车辆周围同时测量。LRR单元的检测范围可达150米，目前主要用于自适应巡航控制。为了在前方150米的车道宽度上检测目标，它们使用非常尖锐的辐射波瓣（Abou-Jaoude，2003）。从表2可以看出，LRR和SRR峰值功率限制为55 dBm，在非常宽的分配频带（分别为1 GHz和4 GHz）下，平均功率极限分别为50 dBm和30 dBm。与在10 MHz宽信道中用于V2V通信的5.9 GHz，23 dBm / MHz分配功率相比，这是有利的。我们还注意到，宽天线辐射模式可用于SRR，而在79 GHz，当前最先进的BiCMOS9技术可将单个功率放大器（PA）提供的可用功率限制在15 dBm。在这个频率下，接收机前端的当前可实现的噪声系数接近5 dB。
在这一点上，二次使用汽车雷达的V2V通信看起来是现实的。 因此，除了现有的目标速度，目标距离和目标方向之外，添加通信功能似乎是可能的。 先前的工作表明，对于V2V和V2I通信，ITS部署需要6.9 Mbit / s的吞吐量，同样的目标被分配给通信雷达。
图5.使用后方和前端通信SRR单元的毫米波车辆到车辆情景
毫米波汽车雷达位于车辆上，非常靠近路面，通常在高速公路上。因此，SRR梁在路面上以放牧角度操作，并接收由周围车辆反弹的信号。然而，正如我们将在下一节中介绍的那样，在周围的汽车底盘和路面之间，毫米波传输的信号传播得越来越远。
因此，代替图3所示的5.9 GHz V2V常规通信方案，我们必须评估图5中所示的的毫米波使用情况，例如，与第二后方碰撞通信SRR组合的前方碰撞警告通信-SRR，正如图4所示。
我们通过使用仿真模型和实验测量来研究无线电频道来开始评估这种新情景。
- 路面上的传播通道
4.1理论模型
我们考虑基于两个不同路径的无线电信道模型。第一条路径将发射机（Tx）直接链接到接收机（Rx）。该路径受到空间衰减和大气衰减的影响。 另一条路径在到达接收天线之前考虑了路面上的信号，相同的空间和大气损失参数应用于第二个射线，但是由于在沥青上的反射，我们还增加衰减和相位旋转。图6显示这两个不同的光线，标记为d1和d2，在道路上完美地表示。
由天线接收的信号y1（t）可以用下式表示：
(1)
在公式(1)中，第一项表示直接信号，第二项表示路面上反射的延迟波，和是连接发射机到接收机的路径长度，和是信号的到达时间，A（）为 取决于路径长度的幅度，我们认为频率的正弦波发射信号可以写成，不包含在公式(1)中。接收信号y1（t）具有Rice分布。无线电路径和可以写成：
, (2)
和分别是道路上考虑的发射机和接收机高度。（dBm）是发射功率，是接收功率
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