Ultra-wideband channel model for intra-vehicular wireless sensor networks

Abstract

Araç içi sensör ağları sağladığı parça, montaj ve onarım maliyetlerindeki düşüş, kabloların çıkarılması sayesinde daha iyi yakıt etkinliği ve Akıllı Lastik gibi kablolu sensörler ile uygulanması mümkün olmayan yeni teknolojilere imkan sağlaması ile ümit vaat eden bir araştırma alanıdır. Kablosuz iletişim için böylesine zorlu bir ortamda, dayanıklılık, enerji etkinliği ve yüksek güvenilirlik gibi gereklilikleri kısa mesafeler için karşılamaya en uygun iletişim teknolojisi ultra geniş bantlı iletişimdir. Ancak araç için kablosuz sensör ağları için uygun bir ultra geniş bant kanalını detaylı olarak tanımlayan bir kanal modeli bulunmaması uygun iletişim sistemlerinin tasarlanmasını zorlaştırmaktadır. Literatürdeki bu boşluğu doldurmak için, araç şasi altı ultra geniş bant kanalların küçük ve büyük ölçekli istatistiklerini analiz ettik. Analizlerimizde kullanmak üzere araç şasi altı ortamında, 18 farklı pozisyonda 81'er alıcı-verici çiftiyle ölçüm aldık. Her pozisyonda çoklu ölçüm almamız büyük ölçekli sönümlenme modelimizin daha tutarlı olmasını sağlamasının yanında küçük ölçekli sönümlenme niteliklerinin türetilmesine de imkan verdi. Mesafeye bağlı yol kaybı modeli, tekerleklerin etrafında şasinin altındaki diğer pozisyonlardan çok farklı olduğu tespit edildi. Güçlerin yol kaybı modelinin etrafındaki sapmalarını lognormal dağılım ile modelledik. Ortalama güç gecikme profillerinde gözlemlenen kümelenmeleri Saleh-Valenzuela modeline uygun olduğu belirlendi. Küme büyüklükleri ve azalma oranları kümelerin geliş zamanına bağlı parçalı tanımlı doğrusal fonksiyonlar ile tanımlandı. İki ardışık küme arası geçen sürenin daha önceki modellerde kullanılan üssel dağılımın aksine, Weibull dağılım ile daha iyi bir uyum sağlamaktadır. Yerel güç gecikme profillerinin küçük ölçekli ortalaması alınmış güç gecikme profillerinin etrafındaki dağılımı, her bir gecikme aralığı için normal dağılım ile modellendi. Bu çalışma araç içinde küçük ölçekli kanal istatistiklerini inceleyen ilk çalışmadır. Farklı senaryolarda ve farklı araçlarda tekrarlanmış ölçümlerin tutralı olması sağlıklı bir model önerdiğimizin ispatıdır. Son olara, kanal modelinin simülasyonlarda kullanılabilmesini sağlamak amacıyla, kanaş modelinin Tekrar yaratılmasını anlatan algoritma sunulmaktadırç Simülasyonlardaki ve deneysel ölçümlerdeki güç gecikme profillerinin benzerliği modelimizin geçerliliğini gözler önüne sermektedir.

Intra-vehicular wireless sensor networks is a promising new research area that can provide part cost, assembly, maintenance savings and fuel efficiency through the elimination of the wires, and enable new sensor technologies to be integrated into vehicles, which would otherwise be impossible using wired means, such as Intelligent Tire. The most suitable technology that can meet high reliability, strict energy efficiency and robustness requirements of these sensors in such harsh environment at short distance is Ultra-Wideband (UWB). However, there are currently no detailed models describing the UWB channel for intra-vehicular wireless sensor networks making it difficult to design a suitable communication system. We analyze the small-scale and large-scale statistics of the UWB channel beneath the chassis of a vehicle by collecting data at various locations with 81 measurement points per transmitter-receiver pair for different types of vehicles including the scenarios of turning the engine on and movement on the road. Collecting multiple measurements allows us to both improve the accuracy of the large-scale fading representation and model small-scale fading characteristics. The distance dependent path loss exponent around the tires and other locations beneath the chassis are found to be very different requiring separate models. The power variation around the path loss has lognormal distribution. The clustering phenomenon observed in the averaged power delay profile is well characterized by Saleh-Valenzuela model. The cluster amplitude and decay rate is formulated as a function of the cluster arrival times using dual slope linear model. Such a model has not been developed before for in-vehicle environment. Cluster inter-arrival times are modeled using Weibull distribution providing a better fit than the commonly used exponential distribution in the literature mainly due to the non-randomness of the local structure of the vehicle. The variations of local power delay profiles around the small-scale averaged power delay profiles in decibels at each delay bin is modeled by Gaussian distribution with variance independent of the value of the delay and distance between transmitter and receiver. This is the first work to model small-scale channel characteristics within the vehicle. The analysis of the model parameters for different vehicles and different scenarios demonstrates the robustness of our modeling approach exhibiting small variance in channel parameters for different vehicle types. Finally, the algorithm for generating the channel model is given. The generated power delay profiles are in good agreement with the experimental ones validating our model.