朱秋明 ，華博宇 ，毛 開 ，仲偉志 ，陳小敏 ，周彤彤

（1.南京航空航天大學(xué)電磁頻譜空間認知動態(tài)系統(tǒng)工業(yè)和信息化部重點實驗室，南京，211106；2.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京，211106；3.南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，南京，211106）

引 言

無人機（Unmanned aerial vehicle, UAV）因成本低、構(gòu)造簡單且人員傷亡率低等優(yōu)勢引起了全球各個國家的關(guān)注。目前，UAV 在航拍、遙感監(jiān)測、預(yù)警災(zāi)害和應(yīng)急通信等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。據(jù)報道，全球無人機的銷售額將在2021 年達到120 億美元，近5 年以7.6%的復(fù)合增長率穩(wěn)步提升[1]。中國國務(wù)院頒布的《中國制造2025》綱領(lǐng)文件中，也明確要求大力推進UAV 領(lǐng)域的突破性發(fā)展。

毫米波（Millimeter?wave, mmWave）頻段具有較傳統(tǒng)通信頻段更短的波長，能夠支持Gbit/s 量級的數(shù)據(jù)傳輸，符合高速率大容量的通信系統(tǒng)發(fā)展需求。事實上，第5 代（The fifth generation, 5G）移動通信系統(tǒng)結(jié)合毫米波和大規(guī)模天線技術(shù)，已經(jīng)能夠提供高達10 Gbit/s 的數(shù)據(jù)速率[2]。然而，毫米波頻段具有更高的路徑損耗和更低的散射特性，導(dǎo)致毫米波通信系統(tǒng)對視距（Line of sight, LOS）傳播條件有更高的要求[3]。UAV 由于較高的飛行位置，通信過程中往往存在視距路徑，使其成為毫米波通信技術(shù)的絕佳搭載平臺。目前，利用毫米波和大規(guī)模天線技術(shù)實施UAV 對地面控制站或UAV 之間數(shù)據(jù)通信已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點[4]。例如，美國國防高級研究計劃局(Defense advanced research projects agency，DARPA)正在研制一種基于UAV 的毫米波通信網(wǎng)絡(luò)，用以連接戰(zhàn)場士兵和前線基地、戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心以及情報監(jiān)視偵察設(shè)施。在可預(yù)見的未來，無論是民用空中基站還是軍用的戰(zhàn)地通信，UAV 毫米波通信都有著巨大的潛在價值。

構(gòu)建精確且符合真實UAV 通信場景的毫米波信道模型，是研究UAV 毫米波通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，也是未來對UAV 毫米波通信系統(tǒng)性能評估的基本手段。不同于傳統(tǒng)陸地通信場景，UAV 毫米波通信具有明顯的三維傳播特征，包括空間域、姿態(tài)域和方向域的全三維傳播。因此，信道模型也需要考慮包括三維散射空間、三維飛行軌跡及姿態(tài)、三維陣列天線和三維窄波束等多種因素。目前，針對毫米波頻段的UAV 信道建模研究還處于起步階段，科學(xué)準(zhǔn)確的信道模型亟待研究開發(fā)。本文首先針對UAV 毫米波通信場景提出了模型構(gòu)建需要支持的新特性，并介紹了當(dāng)前信道建模的方法及局限性，重點對UAV 毫米波信道相關(guān)主流模型進行詳細闡述和比較。最后，對信道模型發(fā)展趨勢以及具有潛力的關(guān)鍵技術(shù)進行了展望，旨在為UAV 毫米波新型信道模型的科學(xué)構(gòu)建提供參考依據(jù)，進而為高效可靠的UAV 毫米波通信系統(tǒng)提供理論支撐。

1 信道模型需求與挑戰(zhàn)

1.1 對高頻段超寬帶的支持

國際電信聯(lián)盟（International telecommunication union, ITU）近日公布5G 毫米波頻段包括24.25～27.5 GHz、37～43.5 GHz、45.5～47 GHz、47.2～48.2 GHz 和 66～71 GHz。相比傳統(tǒng)通信系統(tǒng) 100 MHz左右的可用帶寬，毫米波通信系統(tǒng)的可用帶寬應(yīng)大于2 GHz 或達到中心頻率的10%[5]。針對sub?6 GHz通信系統(tǒng)設(shè)計的信道模型，無法滿足毫米波通信系統(tǒng)特有的高頻段和超寬帶特性。例如，文獻[6]指出，毫米波通信具有傳播損耗更大、信道變化更快和信號繞射能力更低等新特性，且各頻段的信道特性表現(xiàn)出較大差異性。

特別地，對UAV 毫米波通信場景，信號傳播過程可能遭遇地面、建筑物、山脈甚至水面等散射體，產(chǎn)生大量反射、繞射和散射信號。其中，時延非常接近的路徑信號可近似成一簇，接收信號由不同時刻、不同方向到達的空時簇組成。不論是UAV 位置、速度和姿態(tài)的變化，還是地面端移動或者傳播環(huán)境的改變，都會導(dǎo)致部分散射體失效引起對應(yīng)簇消失，同時有新的散射體出現(xiàn)產(chǎn)生新的空時簇。相較陸地毫米波通信場景，UAV 毫米波通信場景的空時簇生滅現(xiàn)象更加頻繁，多徑傳播或時延域失真情況更為復(fù)雜多變，這些由于高頻段、超寬帶導(dǎo)致的新特征都應(yīng)納入模型構(gòu)建的考慮范疇。此外，新模型不僅需要精確表征高頻段的信道參數(shù)，還應(yīng)考慮傳統(tǒng)場景和傳統(tǒng)頻段信道特性的兼容性。

1.2 對三維散射空間的支持

對于陸地移動通信場景而言，盡管收發(fā)天線周邊的散射體處于三維空間，但收發(fā)端通常比較近，并且短時間內(nèi)垂直方向的位置變化比較小，俯仰角的變化對傳播帶來的影響程度相對較低。因此，早期信道模型往往忽略高度參數(shù)對信道特性的影響，近似采用二維信道模型描述。隨著5G 系統(tǒng)研究的日益深入，研究人員對傳統(tǒng)二維模型進行升級，將收發(fā)天線的高度參數(shù)納入考慮，實現(xiàn)了對三維散射空間的支持，提升了信道參數(shù)表征的精確度和科學(xué)性[7]。

三維信道模型采用三維矢量描述收發(fā)端和散射體的瞬時地理位置，傳播信號的離開方向和到達方向的表征也進一步細化描述為離開方位角和俯仰角、到達方位角和俯仰角。特別地，UAV 毫米波通信是一種充分利用三維大尺度空間的通信技術(shù)，UAV 在立體空間進行大范圍飛行，垂直方向位置和信號傳播的俯仰角在整個通信過程中存在非常明顯的變化。信道實測結(jié)果也表明，UAV 速度大小、飛行角度和位置高度等對信道模型的統(tǒng)計特性產(chǎn)生了明顯影響[8]。因此，構(gòu)建UAV 毫米波信道模型時必須體現(xiàn)其特有的大范圍三維散射空間的傳播特性。

1.3 對三維速度姿態(tài)的支持

以蜂窩移動和車聯(lián)網(wǎng)（Vehicle to vehicle, V2V）為代表的陸地通信系統(tǒng)，短時間內(nèi)收發(fā)端的移動位置可近似限定在二維平面。然而，UAV 的移動速度具有明顯三維特性，飛行軌跡也分布在整個三維空間，信道模型必須支持三維的移動速度。

文獻[9]通過對收發(fā)端的速度參數(shù)進行分析，指出速度對移動通信信道的空時相關(guān)性有著至關(guān)重要的影響。在此基礎(chǔ)上，文獻[10]陸續(xù)提出的V2V 信道模型，都將運動端的移動速度擴展為三維矢量表示，文獻[11]針對UAV 通信場景提出了一種任意三維速度和飛行軌跡的UAV 信道模型。需要強調(diào)的是，陸地移動端如行人，車輛等的速度只存在二維方向，僅用單個角度參數(shù)就可以完整描述。然而，UAV 飛行過程中，存在機身斜傾、翻轉(zhuǎn)等飛行器特有行為，需要更多的角度參數(shù)來描述機體的三維姿態(tài)信息[12]，因此三維飛行速度及姿態(tài)因素都應(yīng)當(dāng)被充分納入信道模型。

1.4 對三維陣列波束的支持

大規(guī)模陣列天線技術(shù)能夠充分利用空間資源以及多徑傳播特性，在不增加頻譜資源和發(fā)射功率的前提下，成倍地提升信道容量。對于毫米波通信而言，天線陣列可以形成強方向性波束改善通信鏈路的質(zhì)量，進而彌補毫米波路徑損耗高的缺點。比如，通過一個8×16 的毫米波天線陣列產(chǎn)生定向波束，可獲得20 dB 的額外增益[13]。此外，對波束形狀進行優(yōu)化設(shè)計，還可以增強主瓣增益，抑制旁瓣能量，從而進一步達到有效覆蓋和干擾抑制的目的[14]。

地面基站往往采用固定的俯仰角，根據(jù)水平維度的信息調(diào)整二維波束進行波束對準(zhǔn)。UAV 處于大范圍三維立體空間，可以靈活利用垂直方向獲取細窄化的三維波束，以此提高天線陣列增益和有效通信距離，同時降低不同鏈路間的干擾和信號被截聽的概率。此外，UAV 飛行過程中，收發(fā)端之間的信號俯仰角難以保證恒定，還必須進行動態(tài)的波束搜索、跟蹤和對準(zhǔn)[15]，該特性也將對UAV 信道模型的構(gòu)建產(chǎn)生重要影響。

2 信道建模方法與局限

信道建模本質(zhì)上是以電波傳播規(guī)律為依據(jù)，利用信道實測數(shù)據(jù)，對信道特性包括單位沖激響應(yīng)或傳遞函數(shù)等進行定量描述。目前，針對毫米波頻段信道，研究人員開發(fā)了多種方法進行建模研究，主要包括確定性建模和統(tǒng)計性建模兩大類方法。一般來說，不同的信道建模方法是在精確度、復(fù)雜度和泛用度之間進行權(quán)衡，每種方法都存在優(yōu)勢和局限。

2.1 確定性信道建模方法

確定性信道建模方法具有較高的精確度，模型參數(shù)在單次仿真中保持固定不變。例如，針對特定通信場景，可利用信道探測儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備，直接測量得到信道的確定性沖激響應(yīng)或傳遞函數(shù)，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行建模[16]。為了提高障礙物和散射環(huán)境的描述精度，可在實際測試中輔以激光掃描技術(shù)，將場景描述為一系列數(shù)據(jù)點，也稱為點云技術(shù)[17]。點云建模方法可以精確表征特定傳播信道的參數(shù)，已被應(yīng)用于毫米波頻段[18]。基于實測的確定性建模方法適用于特定靜態(tài)場景的信道建模，模型擁有很高的逼真度，但泛用度比較差，并且需要耗費大量的人力及時間成本。基于射線跟蹤（Ray tracing, RT）技術(shù)的建模方法最近幾年得到了廣泛關(guān)注[19?20]，該方法根據(jù)幾何光學(xué)和一致性繞射理論，對收發(fā)端之間每一條信號傳播路徑進行跟蹤，最終得到每條路徑的功率、時延和相位等參數(shù)。

圖1 給出了RT 方法進行信道建模的基本過程，包括三維場景重構(gòu)、射線分解跟蹤和信道響應(yīng)獲取3 個典型步驟，圖1 中TX表示發(fā)射端，RX表示接收端。射線與散射體接觸后會發(fā)生反射和繞射等現(xiàn)象，圖1（c）給出了信號傳播過程的幾種典型軌跡，包括視距路徑、反射路徑和散射路徑。RT 方法建模精度極度依賴散射體電特性（如相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率）的準(zhǔn)確描述，并且計算復(fù)雜度較高。實際中，通常需要對場景進行特征提取并三維重構(gòu)，在保證基本精度前提下大大提升建模效率[21]。例如，文獻[22]提出了一種基于數(shù)據(jù)庫簡化的數(shù)字地圖預(yù)處理方法用于地形地物重構(gòu)，文獻[23]則研究了利用不規(guī)則三角面簡化重構(gòu)場景的方法。

2.2 統(tǒng)計性信道建模方法

對于統(tǒng)計性信道建模方法，信道模型的全部或部分參數(shù)采用統(tǒng)計分布的形式進行描述，且隨機分布一般通過分析大量實測數(shù)據(jù)獲得。Saleh?Valenzuela（SV）模型的建模方法是一種經(jīng)典的統(tǒng)計性方法，該方法基于測量結(jié)果在時延域和角度域以簇為單位劃分隨機產(chǎn)生的多徑分量，進而生成信道參數(shù)，已被應(yīng)用于IEEE 802.15.3c 和IEEE 802.11ad 標(biāo)準(zhǔn)化模型的構(gòu)建[24?25]。基于傳播圖的建模方法借鑒圖論原理，用圖的頂點映射發(fā)射機、接收機和散射體，用圖的邊來映射頂點之間傳播路徑。每一條邊代表不同的概率函數(shù)，用來描述信號傳播過程中的隨機關(guān)系[26]。

基于幾何分布的信道建模方法是目前應(yīng)用最廣泛的一種統(tǒng)計性方法，將傳播路徑表示為簇和簇內(nèi)射線的疊加，根據(jù)特定幾何條件約束下的散射體位置獲得簇和簇內(nèi)射線參數(shù)[27]。圖2 給出了一種基于幾何分布的V2V 信道模型示意圖，散射體隨機分布于空間中若干個散射簇內(nèi)[28]。首先利用分簇的參數(shù)化沖激響應(yīng)函數(shù)構(gòu)建信道模型框架，通過假設(shè)散射簇的幾何分布以及簇內(nèi)散射體的統(tǒng)計特性等約束條件，獲取信道參數(shù)進而完成信道模型構(gòu)建。目前，該方法已被應(yīng)用于多種主流模型，包括NYU WIRE?LESS, 3GPP TR 38.901, METIS 及 mmMAGIC 等[25]。

3 現(xiàn)有模型分析與比較

目前尚無針對UAV 毫米波通信的標(biāo)準(zhǔn)化信道模型，但是國內(nèi)外團隊已經(jīng)開展了大量的前期研究，研究成果反映了UAV 毫米波信道的新特性，也能夠為UAV 毫米波信道模型標(biāo)準(zhǔn)化提供參考。

圖1 基于RT 方法的確定性信道建模過程Fig.1 Deterministic channel modeling based on RT method

圖2 基于散射體幾何分布的統(tǒng)計性信道建模方法Fig.2 Statistical channel modeling based on the geometric distribution of scatterers

3.1 基于實測數(shù)據(jù)的信道模型

近年來，國內(nèi)外科研人員使用信道探測儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備，對毫米波信號傳播進行了大量的實測研究，提出了許多陸地場景下的毫米波信道模型，包括室內(nèi)場景[29]、室外場景[30]、隧道場景[31]和高鐵場景[32]等。

為了構(gòu)建針對UAV 場景的信道模型，研究人員搭建UAV 測量平臺并開展了信道實測。例如，文獻[33]中實測了5.2 GHz 頻段無人機在懸停狀態(tài)下地面接收功率及路徑損耗。文獻[34]在沙漠、山區(qū)等地段實測了L/S 波段UAV 信道的接收功率及時延擴展。文獻[35]在水域、山區(qū)和城市等多場景實測了UAV 信道的路徑損耗及視距萊斯因子。進一步地，基于實測數(shù)據(jù)的UAV 信道模型也被陸續(xù)提出，該類研究重點關(guān)注的信道特性包括路徑損耗、均方根時延拓展和萊斯因子等。例如，文獻[36]根據(jù)實測數(shù)據(jù)提出了一種UAV 信道的路徑衰落模型，并研究了陰影衰落和快衰落等信道特性；文獻[37]對傳統(tǒng)對數(shù)?距離路徑損耗公式進行了修正，并設(shè)定多徑分量與直射徑分量強度的比值遵循高斯分布，不同場景對應(yīng)不同的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。文獻[38]基于28 GHz 頻段的實測數(shù)據(jù)，給出了一種毫米波信道的路徑損耗模型，但沒有考慮小尺度衰落的特性。相較于其他類型的信道模型，基于實測數(shù)據(jù)的模型最符合真實環(huán)境的信道特性，但測試的設(shè)備要求及時間成本較高，且在小尺度信道衰落的機理分析方面難度較大。

3.2 基于射線跟蹤的信道模型

基于RT 方法的信道模型在諸多場景中已得到充分研究，例如室內(nèi)場景[39]、城市場景[40]、郊外場景[41]、地鐵場景[42]及隧道場景[43]等。此外，RT 方法對高頻段信道建模有很強的適用性，被認為是預(yù)測毫米波信號傳播模型最準(zhǔn)確、最通用的確定性方法[44]。例如，文獻[26]提出了一種基于RT 方法的毫米波信道模型，通過將毫米波頻段的漫反射多徑分量與鏡面反射分量分開表征，進一步提升了模型構(gòu)建的精確性；文獻[45]通過與實測結(jié)果比對，證明了通過合理分配散射體材質(zhì)的電磁參數(shù)，RT 方法具有較高的精度；文獻[46]則通過對障礙物和散射體分配不同的材質(zhì)特性，結(jié)合RT 方法給出了一種毫米波信道模型。

針對UAV 通信場景，RT 方法作為信道特性的有效分析手段，也得到研究人員的廣泛應(yīng)用。例如，文獻[47]針對UAV 與地面基站間的俯仰角變化，探究了角度對信道的大尺度衰落特性的影響。文獻[48]通過重構(gòu)海島場景三維地圖，采用RT 方法分析了海島附近UAV 毫米波信道的傳播損耗、時延和到達角度等參數(shù)。文獻[49]針對城市、郊區(qū)和海面場景，研究了28 GHz 頻段UAV 信道的小尺度衰落和空時相關(guān)特性。文獻[50]利用RT 方法建立了城市場景毫米波信道模型，并分析UAV 高度參數(shù)對信道干擾噪聲比的影響。文獻[51]則通過對城市、山丘、森林和海洋等場景的重構(gòu)，結(jié)合RT 方法對UAV 毫米波信道的時延功率譜和信號角度分布進行了討論。相較于其他類型的信道模型，基于RT 方法的模型具有場景構(gòu)建靈活性高、數(shù)據(jù)獲取成本較低等優(yōu)勢，但同樣存在對小尺度衰落分析難度大的缺點。

3.3 基于幾何分布的信道模型

幾何統(tǒng)計性信道模型（Geometry?based stochastic channel model，GSCM）只需較少參數(shù)即可描述信道的三維傳播特性，模型精度由散射體的幾何約束條件決定，也是目前主流的UAV 信道模型。根據(jù)對周圍散射幾何體的分布假設(shè)，GSCM 可以進一步細分為不規(guī)則型幾何統(tǒng)計性信道模型(Irregular shaped geometry?based stochastic channel model，IS?GSCM) 和規(guī)則型幾何統(tǒng)計性信道模型（Regular shaped ge?ometry?based stochastic channel model，RS?GSCM）。IS?GSCM 通過預(yù)先定義的分布如傳播區(qū)域均勻分布等，將散射體配置在隨機位置。例如，文獻[52]提出的UAV 時域非平穩(wěn)IS?GSCM，存在視距分量情況下散射體服從均勻分布；文獻[53]給出的雙簇IS?GSCM，信號經(jīng)過多跳到達接收端，信道特性由傳播路徑經(jīng)歷的散射體決定。值得注意的是，IS?GSCM 中信號與散射體的相互作用可以被直接估計，或利用RT 方法進行統(tǒng)計[54]。另一方面，RS?GSCM 將散射體設(shè)定分布在規(guī)則的幾何形狀表面，例如圓柱體[55]、雙圓柱體[56]、橢圓柱體[57]、球體[58]、橢球體[59]和半球體[7]。該類模型的優(yōu)點是通常可以獲得信道統(tǒng)計特性的理論解，雖然信道復(fù)現(xiàn)時由于仿真次數(shù)有限，無法達到理論值，但誤差可控制在允許范圍內(nèi)。

針對UAV 通信場景，文獻[60]將散射體布置在多個共焦距的橢圓以及一個圓柱體上，提出一種支持多天線技術(shù)的時變UAV 信道模型；文獻[61]使用多個圓柱體和單環(huán)分別描述靜止散射體和移動散射體，給出一種考慮路徑散射體生滅過程的UAV 信道模型；文獻[62]的散射體則分布在空心圓柱體內(nèi)外徑及外表面上，只需要改動相關(guān)參數(shù)便可使UAV 信道模型支持多種散射場景。第3 代合作伙伴計劃（3rd generation partnership project，3GPP）提供了一種面向0.5～100 GHz 的通用信道建模方法，體現(xiàn)了GSCM 對毫米波頻段具備一定兼容性[5]。同時，文獻[63]將毫米波新特性納入UAV 信道建模過程，使GSCM 具備對大規(guī)模天線陣列的支持。文獻[64]考慮了UAV 飛行過程俯仰角的大幅變化，提出一種支持任意三維軌跡及機身姿態(tài)的GSCM?？傮w而言，GSCM 的模型框架比較靈活，輔以RT 方法還能實現(xiàn)適度復(fù)雜度的特定場景和動態(tài)場景的信道建模。事實上，METIS，mmMAGIC 和5GCMSIG 等標(biāo)準(zhǔn)化模型就借鑒了RT 方法，對相鄰GSCM 參數(shù)進行內(nèi)插，實現(xiàn)了動態(tài)場景信道平滑過渡。相較于其他類型的信道模型，GSCM 具有模型通用性強、散射體信息全面等優(yōu)勢，適合針對信道的小尺度衰落展開研究。

4 未來發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于機器學(xué)習(xí)的信道實測數(shù)據(jù)分析

針對實際傳播場景獲取信道參數(shù)，是UAV 毫米波信道模型運行準(zhǔn)確的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用RT 方法對毫米波傳播參數(shù)預(yù)測比較準(zhǔn)確，但難以體現(xiàn)UAV 快速時變環(huán)境的隨機性和非平穩(wěn)性。機器學(xué)習(xí)技術(shù)的本質(zhì)是憑借經(jīng)驗改善系統(tǒng)性能，利用智能算法從實際數(shù)據(jù)中獲取規(guī)律。因此，利用實際測量或仿真產(chǎn)生大量信道數(shù)據(jù)，結(jié)合機器學(xué)習(xí)方法進行分析，是發(fā)現(xiàn)UAV 信道隨機性和非平穩(wěn)性內(nèi)在機理的有效手段。

特別地，針對UAV 毫米波信道而言，新場景帶來的信道特性變化目前都是未知的，利用機器學(xué)習(xí)方法對海量信道數(shù)據(jù)進行分析，能夠更好地利用多徑分量的空間及角度信息和模型參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)發(fā)掘新特性。例如，文獻[65]使用核功率密度的聚類算法將多徑分量科學(xué)地劃入不同的簇，進而將基于散射簇的信道模型應(yīng)用于大規(guī)模輸入輸出系統(tǒng)；文獻[66]采用隨機森林及K 最鄰近算法，對RT 仿真數(shù)據(jù)進行處理，得到了優(yōu)于傳統(tǒng)方法的信道參數(shù)估計結(jié)果。將通過機器學(xué)習(xí)方法得到的信道參數(shù)與目前已有的信道模型進行有機結(jié)合的思路，有望成為未來UAV 毫米波信道建模的主流方法。

4.2 多場景高動態(tài)高頻段三維信道模型

UAV 飛行環(huán)境復(fù)雜，執(zhí)行任務(wù)種類繁多，加上毫米波通信頻段跨度非常大，要求信道模型框架具有普適性和靈活度?，F(xiàn)有模型框架一般服務(wù)于sub?6 GHz 通信系統(tǒng)，散射體的位置由固定的幾何關(guān)系或數(shù)學(xué)分布產(chǎn)生，難以滿足UAV 信道多場景、高移動、高頻段和超寬帶的信道建模需求。如何對現(xiàn)有方法進行合理的擴展與融合，科學(xué)搭建靈活的模型框架，是未來UAV 毫米波信道建模的重要前提。例如，文獻[64]提出的支持任意軌跡和天線姿態(tài)的非平穩(wěn)UAV 信道模型，為UAV 毫米波三維信道模型框架構(gòu)建提供了參考。

UAV 空間位置與飛行姿態(tài)的捷變性將導(dǎo)致信道狀態(tài)的快速動態(tài)變化，信道呈現(xiàn)明顯的非平穩(wěn)特性，信道參數(shù)也具有快速時變特性，因此探究非平穩(wěn)信道模型的新特性以及信道參數(shù)的時間演進規(guī)律十分重要。例如，文獻[56]在到達角和離開角的計算中引入時間參數(shù)，使信道模型具有時變特性；文獻[67]提出了一種改進的非平穩(wěn)信道模型并對參數(shù)的計算方法進行了研究，通過積分項的引入改善了時變多普勒頻率參數(shù)的不連續(xù)性。文獻[68]基于RT 技術(shù)，對毫米波頻段UAV 信道的參數(shù)進行了分析，并研究了時延擴展和離開、到達角分布等特性。新一代的標(biāo)準(zhǔn)化UAV 毫米波信道模型需要同時科學(xué)精準(zhǔn)地表征毫米波信號傳播特性和三維快速時變場景的非平穩(wěn)特性，合適的模型框架和參數(shù)演進算法都至關(guān)重要。

4.3 大規(guī)模天線陣列三維波束跟蹤對準(zhǔn)

毫米波波束寬度隨著大規(guī)模天線陣列規(guī)模增加而變窄，雖然可以獲得極高的增益，但是窄波束指向性系統(tǒng)對收發(fā)端的快速移動非常敏感。因此，UAV 毫米波通信鏈路在飛行任務(wù)中將一直處于波束不斷掃描和校準(zhǔn)的過程，將毫米波三維波束動態(tài)跟蹤與信道模型相結(jié)合，也是未來UAV 毫米波信道建模的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，針對搭載天線陣列的UAV 毫米波三維波束動態(tài)跟蹤技術(shù)已獲得研究人員的高度關(guān)注。例如，文獻[69]對UAV 通信場景下的毫米波波束跟蹤算法進行了研究，通過量化空間角度并改進正交匹配追蹤算法，在不提高系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下實現(xiàn)了頻譜效率的有效提升。文獻[70]提供了一種面向UAV 毫米波通信的波束對準(zhǔn)策略，通過引入離散傅里葉擬變換構(gòu)造具有平頂特性的訓(xùn)練波束以跟蹤UAV 的抖動，結(jié)合波束賦形和幾何貪婪算法，該方法的精度和效率得到了證明。特別地，文獻[71]提出了一種基于高斯雙波束的波束對準(zhǔn)方案，并基于三狀態(tài)馬爾科夫鏈實現(xiàn)了信道建模，模型狀態(tài)連接比率與實測數(shù)據(jù)具有一致性。對大規(guī)模陣列天線及三維波束跟蹤對準(zhǔn)技術(shù)的兼容，是UAV 毫米波通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的前提條件，也有望成為未來信道建模中必不可少的環(huán)節(jié)。

5 結(jié)束語

UAV 毫米波通信作為未來極具潛力的通信技術(shù)，在空中基站、無線中繼、應(yīng)急通信以及戰(zhàn)場通信等方面得到了越來越多的關(guān)注。構(gòu)建精確符合真實場景的無人機毫米波信道模型，是實現(xiàn)高效可靠的無人機通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，也是測試和評估通信系統(tǒng)的重要依據(jù)。本文提出了無人機毫米波信道建模面臨的新需求與挑戰(zhàn)，并總結(jié)了當(dāng)前常見的無線信道建模方法，包括確定性和統(tǒng)計性建模方法的特點以及局限性。在此基礎(chǔ)上，分析比較了面向無人機場景的主流信道模型，并總結(jié)了未來值得深入研究的信道建模關(guān)鍵技術(shù)，為未來建立標(biāo)準(zhǔn)化無人機毫米波信道模型提供了重要參考。