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汽车发动机舱中使用传播模型的无线线束系统的传输性能的评估
摘要 - 在本文中，使用包括汽车发动机舱中的路径损耗和功率延迟曲线的传播模型来评估无线线束系统的传输性能。在车辆的无线线束系统中，假设电子控制单元具有无线接入点（AP），并且每个传感器具有无线站终端（ST）。首先，在车辆发动机关闭的条件下，使用丰田普锐斯的发动机室中的散射参数的测量传播数据来分析路径损耗和功率延迟曲线模型，其大小为0.9times;1.2times;0.6m。第二，使用分析的传播模型评估在AP和每个ST之间传输基于开关键控的信号的信道容量和吞吐量的性能结果。仿真结果证实，当发射功率小于0 dBm时，如果AP天线的位置固定，ST的位置在发动机空间中均匀设置，则无线信道为准静态。
1 介绍
宽带无线通信系统由于天线技术，信号处理和编码理论的发展而被构建[1]。例如，最近实现的长期演进（LTE）系统[2]的传输速率能够达到100Mbit/s以上。此外，LTE-Advanced系统[3]将使用多输入多输出（MIMO）技术支持超过1Gbit/s[4]。另一方面，作为超越无线局域网（WLAN）网络，IEEE 802.11ac系统[5]的标准化正在进行，传输速率远IEEE 802.11n系统。通过无线电通信系统的历史，这些蜂窝和WLAN网络是主要的研究重点领域。
最近，机器之间的（M2M）无线网络被重点放在了蜂窝和WLAN网络。在这个网络中，每个机器都有一个无线模块，并且生成的数据包从机器传送到另一台机器。作为M2M的延伸应用，已经针对信息和通信技术（ICT）设备研究了无线线束系统，这种系统是一种机内通信，用于替代无线电线束[6]，[7]。在无线线束系统中的优点，例如：
1）线束和连接器的减少
2）组装成本和误差降低
3）维护节约
这些技术将被用于自动售货机，打印机和自动取款机（ATM）等。在[8]中，无线电传播在ICT设备中的无线传播的实验特性线束系统进行分析。无线线束中涉及的技术问题之一是天线放置在靠近诸如底盘的金属上，因此不可避免地受到相邻环境材料的影响。为了改善这一点，设计并分析了平行板波导中的圆形微带天线，其中将天线假定设置在具有高金属密度的ICT设备上[9]。在[10]中，在ICT设备采用无线线束技术时，分析了二氧化碳减少量。因此，无线线束系统将有助于节能型社会。
在本文中，我们专注于汽车架构。与ICT设备相比，车辆具有大量重型线束和连接器。例如，昂贵和典型的汽车中的电缆的总重量分别为40和20kg。与以前的工作相比，消除车辆电缆将会减少组装成本，节省维护费用和燃油效率[7]。
这里将介绍两个主要的车载通信网络，它们是一个信息网络，例如用于乘客空间的音频和电视流内容以及用于保护车内故障的电动机和底盘控制的自动控制网络。在自动控制网络中，传感器连接到电动控制单元（ECU），用于构建现有汽车。当我们参考诸如FlexRay的车辆通信架构的最新趋势时，其网络中的传输速度将被要求超过10Mbit/s【11】。为了用车载无线网络取代有线网络，研究了超宽带（UWB）系统[12]-[14]。通过在两种类型的车辆的18times;81个测量位置收集数据来确定用于机架内的车载无线传感器网络的UWB信道模型[14]。然而，在其工作中，不分析发动机舱的通道模型，因此无法很好地讨论无线传输性能。从根本上说，信道模型对于考虑和指定正确的无线通信系统很重要。因此，我们详细分析发动机舱的通道模型，并根据获得的通道模型模拟吞吐量性能。
在本文中，作为发动机舱无线线束系统的第一次详细研究，机舱内的无线电测量采用矢量网络分析仪进行。在分析测量数据后，确定2 - 3 GHz的路径损耗和功率延迟曲线（PDP）模型。此外，当通过计算机模拟调制方案是开关键控（OOK）时，评估发动机室中的无线接入点（AP）和每个无线站终端（ST）之间的传输的性能。
图一 汽车发动机舱内无线线束系统的概念。
本文的其余部分安排如下。发动机空间的无线线束系统见第二节。在第三部分中，使用测量的传播数据描述发动机舱中的路径损耗和PDP模型。计算机仿真结果分析见第四节。最后，我们总结了第五节汽车发动机舱无线传输性能的评估结果。
II. 无线线束系统
首先，为了研究汽车发动机舱的无线线束系统，确定系统要求很重要。在车辆中有线束连接的信息和自动控制网络。高传输速率是必需的，但在诸如视频流的信息网络中允许大约10毫秒的等待时间。另一方面，自动控制网络需要与信息网络相比较低的传输速率和较短的延迟。我们的目标不是用于信息网络，而是用于自动控制网络。我们确定了本研究的目标如下：
1）延迟小于0.5毫秒。
2）每个通道的最大传输速率约为10Mbit/s。
3）汽车发动机舱内最大传感器数量约为200台。
这些目标比以前的ICT设备研究的条件要严格得多[6]，[7]。
图1显示了汽车发动机舱中的无线线束系统的概念。有一个AP和许多ST，其中AP被添加到ECU，并且每个ST具有传感器。为了满足系统要求，基于频率和时分多址（F-TDMA），在AP和ST之间进行多点无线传输。
图二 汽车发动机罩打开的发动机舱。
III 汽车发动机舱测量传播数据分析
A.实验环境
本节使用实验无线电传播数据分析车辆发动机室的路径损耗和PDP模型。使用Agilent矢量网络分析仪N5232A，在汽车发动机舱的消声室中测量S参数数据。用于此测量的车辆是丰田普锐斯。图2显示了大小为0.9times;1.2times;0.6米的发动机舱。有两个位置，AP的天线被认为是固定的。第一个天线（AP1）设置在发动机室的中间位置，第二个天线（AP2）设置在ECU附近。AP1和AP2之间的线性距离为0.54m。在这个工作中ST职位的数量是46发动机室。STa和STb是46个ST之间的例子。从AP1到STa和STb的距离dm为0.63mu;m和0.68mu;m，从AP2到STa和STb的dm为1.15mu;m和0.82mu;m。此外，STa的位置设置在发动机部件的表面，因此是AP1和AP2的视线（LOS）。另一方面，STb的位置在发动机部件之间被深深地设定，所以它是来自AP1和AP2的非视距（NLOS）。当进行无线电测量时，发动机罩关闭，其发动机关闭。测量频率范围为1MHz〜20GHz，频率间隔为1MHz。在本文中，我们提取了2-3GHz数据来分析路径损耗和PDP模型，因为其频带包括行业，科学和医疗频带，方便进行无线电传输实验。
B.路径损耗模型的估计
当通过S参数计算路径损耗时，我们必须考虑通过同轴电缆连接到矢量网络分析仪的发射机和接收机天线的回波损耗的影响。在[8]中，每个频率f的路径损耗L（f）[dB]由下式给出公式
其中S11（f），S22（f）和S21（f）是S参数的分量，它们是复数值。
图三 从AP1和AP2到STa和STB的2 - 3 GHz的CDF与路径损耗。
图3示出了从AP1和AP2到STa和STb2-3GHz的路径损耗的累积分布函数（CDF）。AP1-STa和AP2-STa路径损耗的50％值低于AP1-STB和AP2-STB的路径损耗，因为STa是AP1和AP2的LOS环境，而STb是AP1和AP2的NLOS环境。从图3，发动机室的路径损耗值取决于AP的天线位置，而不是LOS或NLOS的差值。
为了获得关于AP的天线与2-3GHz的ST间距的路径损耗的近似公式，首先计算路径损耗数据的50％值。其次，x轴为对数域的线性函数参数，使用路径损耗数据的50％值的最小二乘法估计。然后，AP1和每个ST LAP1（dm）[dB]之间的路径损耗以及AP2与每个ST LAP2（dm）[dB]之间的路径损耗近似为
LAP1(dm)=22.1 log10(dm) 51.8. (2)
LAP2(dm)=20.1 log10(dm) 49.8. (3)
图四 路径损耗与AP间天线与2 -3 GHz的ST间距。
图4描述的是AP的积累数值和ST间距的路径损耗。在该图中，红色，蓝色和黑色线显示LAP1（dm），LAP2（dm）的性能，以及在2.5GHz的自由空间Lfree（dm）中的路径损耗值的示例，其为2-3GHz的中频，。在该图中，当dm为1m时，LAP1（dm）和LAP2（dm）的差仅为2dB。另一方面，当dm为1m时，LAP1（dm）和Lfree（dm）的差为约12dB。我们认为闭合发动机室中的多路径是非均匀组合的，信号能量在许多ST位置褪色，因此LAP1（dm）和LAP2（dm）高于Lfree（dm）。
C. PDP模型的估计
图5显示了使用矢量网络分析仪数据的PDP模型的估计过程。一，频域S21（f）将2-3GHz的数据序列修改为S21（f）数据序列。第二，S21（f）数据序列通过逆离散傅里叶变换转换为时域信道脉冲响应（CIR）数据序列。每个AP的天线和每个ST之间的CIR数据序列的绝对和平方值通过路径损耗数据的50％值归一化，以消除PDP模型中的路径损耗影响。最后，平均归一化CIR数据序列的绝对值和平方值后，从AP1和AP2到ST的PDP模型得到。
图六AP1和AP2到ST的PDP型号。
图6显示了通过测量数据从AP1和AP2到ST的估计PDP模型。在该图中，AP1和AP2模型之间的互相关性非常高。在AP1模型中，平均延迟时间和均方根延迟扩展为6.1nsec和4.9ns，AP2模型中的平均延迟时间和均方根延迟扩展为6.8nsec和5.2nsec。此外，相对功率电平在45 ns内小于-30 dB。因此，AP1和ST之间以及AP2与ST之间的相干信道带宽至少为10MHz。
IV.计算机模拟
A.模拟参数
在本节中，汽车发动机舱中的无线线束通信确认了计算机模拟结果。表I显示了模拟参数。在该仿真中，不使用发射机中的信道编码和接收机中的信道解码。我们假设发动机舱的温度为85℃，噪声功率密度为-173.1dBm/Hz。在这项研究中，我们把更高的优先级放在符号率上，因此我们对每个通道带宽采10MHz，满足10符号/秒。作为这种情况的结果，信道数和频带在技术上分别设置为100和2-3 GHz。此外，假设通过频率选择性准静态信道的接收信号理想地相等。因此，接收机中的信噪比（SNR）是检测误码率（BER）性能的唯一因素。
AP1和AP2的位置是固定的，但ST是基于发动机配件中的均匀分布而随机分布的。首先，路径损耗值由（2）和（3）计算。第二，使用图1中的PDP模型生成每个路径的包络基于瑞利分布的瞬时CIR。当使用理想的均衡时，多路径分量是相干组合的。均衡器输出SNRgamma;由路径损耗值，瞬时CIR和仿真参数检测。最后，gamma;用于计算信道容量和BER。
表一 模拟参数
图七 AP的天线和ST之间的信道容量与发射功率的1％值。
图7显示了AP天线和ST之间的发射功率的信道容量的1％值。在这个图中，“Best-ch”是指选择100个频道中的最佳SNR信道，“前50％”表示信道在具有良好SNR的50个信道中随机选择。在图7，当选择最佳通道并且发射功率高于-34dBm时，容量的1％值大于1位/s/Hz。另一方面，当在50个良好信道中随机选择信道并且发射功率高于-28dBm时，1％的容量值大于1比特/秒/ Hz。“Best-ch。”“Top 50％”之间的发射功率差仅为6 dB，可实现1bit/s/Hz。因此，即使没有选择最佳频道，当在50个良好频道中随机选择频道时，可以实现高容量。
图8显示吞吐量与AP天线和ST之间的发射功率的1％。在该图中，调制方案是OOK，其是广泛实现的数字通信方案之一，其理论BER Pe：BER由公式
其中erfc（x）是x的互补误差函数。此外，分组错误率Pe：PER和吞吐量eta;[bit / s]通过获得
当达到最佳信道时，eta;达到10Mbit/s，发射功率大于-20dBm。另一方面，当在50个良好信道中随机选择信道时，eta;的1％值达到10Mbit/s，发射功率大于-14dBm。
模拟结果表明，发射功率小于0dBm时，在没有干扰信号的情况下，发动机舱可以达到10Mbit/s。
图八 AP的天线和ST之间的吞吐量与发射功率的1％。
V. 总结
无线卫星系统的传输性能使用自动发动机舱中的传播模型进行评估。在机房的无线线束系统中，我们确定了延迟小于0.5毫秒的目标，每个通道的最大传输速率约为10 Mbit/s，发动机舱中的最大传感器数量约为200.仿真结果证实当发射功率小于0dBm，无线信道为准静态时，发动机空间可实现10Mbit/s。未来的研究将包括使用中等访问控制协议分析传输性能，并使用宽带无线传感器模块实际进行PER测量。
这项工作得到日本内政部（MIC）的授权，由战略信息和通信研发促进计划（SCOPE）提供。作者要感谢K.Kobayashi博士，H.Ban博士，以及ATR Wave工程实验室的S. Kitazawa博士和埼玉大学的Ohira教授。
参考
[1] A.Goldsmith，无线通信，剑桥大学出版社，2005年。
[2] 3GPP，TS36.201（v8.1.0），“LTE physical layeer-general description”，2007年11
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