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动态交通对车对车可见光通信系统的影响研究

作者及发表信息
本研究由Farah Mahdi Alsalami（英国约克大学电子工程系）、Olivier C.L. Haas（英国考文垂大学清洁增长与未来交通研究所）、Ahmed Al-Kinani（英国MMX通信服务有限公司）、Cheng-Xiang Wang（中国东南大学移动通信国家重点实验室）、Zahir Ahmad（英国考文垂大学工程与环境学院）和Sujan Rajbhandari（英国班戈大学计算机科学与电子工程学院）合作完成，发表于2022年9月的《IEEE Systems Journal》（第16卷第3期）。

学术背景
本研究属于智能交通系统（Intelligent Transport System, ITS）与可见光通信（Visible Light Communication, VLC）的交叉领域。车对车可见光通信（V2V-VLC）利用车辆头灯和尾灯作为信号发射源，具有带宽宽、抗射频干扰和方向性强的优势。然而，动态交通条件下，相邻车道的车辆会通过反射和人工光源干扰影响V2V-VLC的信噪比（SNR）和误码率（BER）。此前研究多关注静态或单一干扰因素（如阳光），缺乏对动态交通密度与多车道反射的量化分析。本研究旨在填补这一空白，通过真实交通数据建模，分析不同时段、不同车道的V2V-VLC性能差异。

研究流程与方法
1. 数据采集与预处理
- 数据来源：使用英国M42和M6高速公路的环形传感器数据，覆盖2017年11月21日至12月8日全天24小时的车流量和车道占用率。
- 样本量：M42部署318个传感器，M6部署154个传感器，统计三车道（左、中、右）的车辆共存概率和车间距。
- 时段划分：根据交通密度分为高峰时段（06:00–20:00）、低峰时段（00:00–06:00）和夜间时段（20:00–24:00）。

1. 概率建模与分布拟合

   • 车辆共存概率模型：定义事件( F_k )表示第( k )车道存在多辆车，结合车道占用率( o_k )，通过逻辑运算计算相邻车道共存概率( l_k )（公式13–15）。
     
   • 统计分布验证：对比正态分布、对数正态分布、指数分布和Nakagami分布，发现对数正态分布对( l_k )和车间距( d )的拟合误差最小（表I）。
     

2. V2V-VLC信道建模

   • LOS（视距）路径损耗：基于ECE R112法规，低光束采用非对称辐射模型（公式11），高光束采用Lambertian模型（公式10）。
     
   • NLOS（非视距）反射分量：假设相邻车道车辆为Lambertian反射体，计算反射信道增益（公式12），并考虑3个反射干扰源的位置（图1b）。
     

3. 性能仿真与验证

   • 仿真参数：传输速率50 Mbps，OOK调制，接收器灵敏度0.4 A/W，噪声带宽因子( i_2=0.562 )、( i_3=0.0868 )。
     
   • BER与SNR分析：通过蒙特卡洛仿真（10^7比特序列）评估不同时段、车道的BER性能（图7），并计算达到BER=10^-6所需的SNR（表III）。
     

主要结果
1. 交通动态性影响
- 高峰时段相邻车道车辆共存概率达90%，低峰时段低于10%（图4）。车间距在高峰时段右车道均值仅2.48 m，而低峰时段左车道均值达109.8 m（表I）。
- 对数正态分布可准确描述共存概率（KS检验p<0.05），其参数( \mu_l )在高峰时段为-1.52至-1.78，低峰时段为-3.28至-3.57。

1. V2V-VLC性能差异
   
   • 低峰时段：左车道因车间距最短（57.2 m），LOS路径的BER最低（SNR=130 dB时BER=0.003）；NLOS路径因反射概率低，BER显著劣于LOS（SNR=205 dB时BER=0.49）。
     
   • 高峰时段：右车道因车间距最小（2.48 m），LOS与NLOS性能接近（SNR=10 dB时BER=0.001），反射贡献显著（图7c）。
     
   • 高光束优势：相同信道条件下，高光束因方向性集中，所需SNR比低光束低20–30 dB（表III）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次量化动态交通密度对V2V-VLC的多车道反射干扰，提出基于真实数据的对数正态分布模型。
- 揭示LOS与NLOS性能在高峰时段的可比性，为NLOS链路设计提供理论依据。

1. 应用价值
   
   • 为智能交通系统设计提供动态信道适配策略：高峰时段可优先利用NLOS链路，低峰时段依赖LOS链路。
     
   • 验证高光束在低密度交通中的性能优势，支持自适应头灯调节算法的开发。
     

研究亮点
1. 方法创新：结合交通工程与通信理论，利用高速公路实测数据构建动态信道模型。
2. 发现新颖性：首次证明NLOS反射在高峰时段的实用价值，突破传统VLC依赖LOS的局限。
3. 跨学科意义：研究结果可延伸至车联网（V2X）混合通信（RF/VLC）的资源分配优化。

其他价值
- 数据集公开（Highways England提供），支持后续研究；提出的统计模型可扩展至其他国家的交通场景验证。