秦劍華，路永玲，王 真，胡成博

(國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

伴隨萬物互聯(lián)時代日益成熟，全球學術界和工業(yè)界將目標轉向第六代（6G）移動通信技術［1］。物聯(lián)網能夠有效地實現(xiàn)電力系統(tǒng)狀態(tài)全面感知、實時通信、智能控制等功能，并且解決同步相量測量單元在變電站中通信可靠性問題［2-3］。因此，開展物聯(lián)網基礎理論、關鍵技術以及未來應用等方面的研究，對于移動通信發(fā)展具有重要的理論意義［4］。信道模型可分為確定性信道模型和非確定性信道模型［5］，其中前者主要基于信道測量實驗，且面向特定的移動通信環(huán)境；而后者具有通用特性，即通過改變模型參數(shù)能夠描述多個移動通信場景。結合發(fā)射端與接收端之間障礙物（散射體）的幾何分布情況，非確定性信道模型可分為規(guī)則幾何統(tǒng)計信道模型和非幾何統(tǒng)計信道模型。為了有效開發(fā)利用物聯(lián)網通信系統(tǒng)，需要建立有效的信道模型，分析信號在發(fā)射端與接收端之間的傳輸特性。針對物聯(lián)網無線通信信道建模理論，國內外很多學者對此都展開了研究。文獻［6］基于標準架構的物聯(lián)網通信網絡，通過建立協(xié)作時間同步傳輸模型探索了協(xié)作分布式傳輸特性。仿真結果指出基于幾何特性的通信模型在分析物聯(lián)網物理層數(shù)據(jù)傳輸性能時具有復雜度低、精度高的優(yōu)點，因此在設計與分析物聯(lián)網通信系統(tǒng)時能夠得到廣泛應用。文獻［7］提出了一種基于幾何特性的移動-移動通信環(huán)境下視距和非視距傳播路徑的街道傳輸模型。在文獻［8］中，作者采用橢圓模型描述物聯(lián)網無線通信場景中發(fā)射端與接收端的傳輸環(huán)境，而在這一工作中，作者分析了散射簇的移動速度／方向對物聯(lián)網傳輸特性造成的影響。同時，文獻［8］亦未考慮道路環(huán)境因素對物聯(lián)網傳輸特性造成的影響。此外，文獻［9］通過采用幾何建模理論描述信號在物聯(lián)網無線通信場景中的傳輸特性，將散射簇定義在城市街道邊緣，探索不同散射區(qū)域下的傳輸特性。在物聯(lián)網通信場景中，發(fā)射端與接收端均處于運動狀態(tài)，信道特性伴隨運動時間發(fā)生改變。因此，文獻［10］采用非廣義平穩(wěn)信道建模理論來描述發(fā)射端與接收端在移動狀態(tài)下的信道傳輸特性。文獻［11］指出，散射簇的運動方向／速度會對靜態(tài)傳輸模型的多普勒頻譜造成波動。因此，在物聯(lián)網傳輸模型中，探索移動散射簇的運動特性具有重要的理論意義。

綜上所述，現(xiàn)有的研究工作主要是假設散射簇處于靜止狀態(tài)時探索的信道傳輸特性。而在實際的物聯(lián)網通信場景中，發(fā)射端和接收端附近的散射簇往往處于運動狀態(tài)，而散射簇的運動狀態(tài)會對信道傳輸特性造成影響。因此，現(xiàn)有的物聯(lián)網信道模型并不能夠有效地描述實際的物聯(lián)網通信環(huán)境，這給物聯(lián)網通信系統(tǒng)設計與分析帶來了困難。為解決這一難題，本文提出了一種如圖1所示的物聯(lián)網無線通信非平穩(wěn)幾何信道模型。本文工作的創(chuàng)新點主要集中在以下幾個方面：

（1）提出采用非規(guī)則幾何模型描述物聯(lián)網在城市街道的通信環(huán)境，由于發(fā)射端和接收端之間的相對運動導致傳輸特性具有時變特性。因此，本文通過推導時變角度參數(shù)和時變路徑長度的函數(shù)表達式，探索了物聯(lián)網信道的時域非平穩(wěn)特性。

（2）提出的物聯(lián)網幾何信道模型具有通用特性，即通過調整模型參數(shù)，提出的傳輸模型能夠有效地描述多種參數(shù)配置的物聯(lián)網通信環(huán)境。因此，本文提出的傳輸模型能夠廣泛應用于多種系統(tǒng)配置的物聯(lián)網特性系統(tǒng)的設計中。

（3）探索了移動散射簇的運動時間／方向／速度對物聯(lián)網傳輸特性造成的影響，為物聯(lián)網通信系統(tǒng)性能的分析提供有效的理論支撐。

1 系統(tǒng)模型

在物聯(lián)網無線信道中，幾何模型滿足了信道建模對于數(shù)學特性以及算法設計的要求，因此廣泛地應用于各種移動通信系統(tǒng)的設計與分析中［12］。在多徑信道中，信號的路徑長度決定了發(fā)射端與接收端間的傳輸時延以及接收端的接收功率。早在2007年，Jiang等［13］經過大量的信道測量實驗指出，橢圓模型能夠廣泛地適用于描述物聯(lián)網移動通信場景。后來，國內外很多專家學者通過將橢圓模型信道特性的仿真結果和測量數(shù)據(jù)進行比較，驗證采用橢圓模型描述物聯(lián)網通信場景的合理性，分析了不同頻段、不同發(fā)射端／接收端運動屬性以及不同參數(shù)配置下的物聯(lián)網橢圓信道模型的傳輸特性［14-16］。

針對物聯(lián)網無線通信場景，建立如圖1所示的基于幾何特性的統(tǒng)計信道模型，定義橢圓的長軸為a，短軸為b；發(fā)射端和接收端分別布置P根和Q根線型天線陣列，發(fā)射端天線陣列中任意兩天線間距為δT，接收端天線任意兩天線間距為δR，發(fā)射天線陣列和接收天線陣列相對于x軸的偏轉角分別表示為βT和βR。 假設接收端在t時刻以恒定的速度vR沿著相對方向γR運動，發(fā)射端附近存在N1個靜態(tài)散射簇，其中第 n1個 （n1＝ 1，2，…，N1） 散射簇表示為s（n1）。 在接收端附近存在 N2個散射簇，其中第n2個 （n2＝ 1，2，…，N2） 散射簇表示為 s（n2）， 在傳輸模型的邊界存在 N3個 （n3＝ 1，2，…，N3） 散射簇，其中第n3個散射簇表示為s（n3）。 此外，假設存在Nm個移動散射簇（例如行人、過往的車輛）位于道路的橢圓散射區(qū)里，其中第 nm個 （nm＝ 1，2，…，Nm） 散射簇表示為 s（nm）。 信號從第 p 根 （p ＝ 1，2，…，P）發(fā)射天線到散射簇 s（nm）或簇 s（nl）（l＝1，2，3） 的傳輸距離分別表示為ξpnm和ξpnl。 信號從第q根（q＝1，2，…，Q） 接收天線到散射簇 s（nm）或簇 s（nl）的傳輸距離分別表示為 ξqnm和 ξqnl。 參數(shù)分別表示直達路徑的發(fā)射角度和到達角度。而當信號經靜態(tài)散射簇反射到達接收端時，發(fā)射角度和接收角度分別表示為。 當信號經動態(tài)散射簇反射到達接收端時，發(fā)射角度和接收角度分別表示為。 因此，當物聯(lián)網的載頻為fc時，發(fā)射端第p根天線 （p＝1，2，…，P）與接收端第q根（q＝1，2，…，Q） 天線間的復脈沖系數(shù)表示為［17］

圖1 物聯(lián)網無線傳輸信道模型

在物聯(lián)網通信場景中，發(fā)射端與接收端的運動區(qū)域可以采用橢圓模型來描述。由于發(fā)射端與接收端大都處于運動狀態(tài)，因此會對傳輸特性造成非平穩(wěn)特性。文獻［5］通過推導幾何模型的時變發(fā)射角度和時變到達角度，探索非平穩(wěn)特性。接下來，本文將原有固定的幾何路徑長度替換為時變參數(shù)，以此捕捉物聯(lián)網通信傳輸模型的非平穩(wěn)特性。當發(fā)射端與接收端之間的距離遠大于天線陣元的間距時，視距路徑的發(fā)射角度和接收角度分別近似等于0和π。結合圖1，發(fā)射端第p根天線與接收端第q根天線間的直達路徑的函數(shù)表達式為

由于本文分析的物聯(lián)網通信是在直線街道場景，幾何模型不再是傳統(tǒng)的橢圓型。散射分布需要采用不規(guī)則的橢圓模型來描述。接下來，將散射區(qū)域劃分為不同的分區(qū)。表達式分別為

由于在本文提出的物聯(lián)網傳輸模型中，信號的傳輸路徑往往經過一次反射可以到達接收端。因此，發(fā)射端到達散射簇的距離函數(shù)表達式和接收端到達散射簇的距離函數(shù)表達式是相關的。

2 物聯(lián)網物理層數(shù)據(jù)傳輸特性

結合文獻［5］可知，傳輸路徑的空間相關函數(shù)可以用來描述物聯(lián)網傳輸模型相對于時間和運動的變化速度。因此，結合第1節(jié)的數(shù)值推導，時變空間相關函數(shù)之間的復雜傳輸響應 hpq（t） 和 hp′q′（t ＋ τ）可以表示為［17］

式中：（·）*表示復共軛運算，E［·］表示期望運算符。將式（2）代入式（13），兩條不同直達路徑的時變空間自相關函數(shù)表示為

當信號靜態(tài)散射簇s（nl）反射到達接收端時，引入散射簇Von Mises分布函數(shù)，則不同傳輸路徑間的互相關特性表示為

結合上述推導可知，物聯(lián)網信道的空間互相關特性不僅和散射簇的運動方向／速度有關，同時還和物聯(lián)網通信環(huán)境中散射體分布的稀疏性／密集性有關。因此，在第3節(jié)詳細分析不同物聯(lián)網通信場景對信道特性造成的影響。

3 數(shù)值結果與討論

本節(jié)通過仿真分析物聯(lián)網傳輸模型的特性。由于在實際的物聯(lián)網通信場景中，散射簇大都處于運動狀態(tài)。因此，分析散射簇的運動方向和運動時間對傳輸特性造成的影響顯得非常重要。定義散射簇的運動速度為vm，相對于x軸的運動方向為γm。結合圖2的幾何模型，接收端的第q根天線到散射簇的時變距離的函數(shù)表達式為

為了仿真的需要，設定如下的仿真參數(shù)：fc＝5.4 GHz，fmax＝ 100 Hz，a ＝ 120 m，b ＝ 100 m，βT＝π／3，vR＝ 54 km／h。 功率因子 η1，η2，η3和 ηm與非直達傳輸路徑有關，環(huán)境參數(shù) k（1），k（2），k（3）與靜態(tài)散射體的統(tǒng)計分布有關。η1＝ η2＝ 0．142，η3＝0.085，ηm＝ 0．631，K ＝ 1．062，k（1）＝ 0．55，k（2）＝ 1．21，k（3）＝ 12．3，vm＝ 20 km／h。 此外，引入了一個典型的擁擠街道場景，因此，接收端的信號看成是來自移動散射體散射的波，這表明 ηm＞ max｛η1，η2，η3｝。

圖2描述的是不同發(fā)射端／接收端天線數(shù)目對物聯(lián)網空間互相關特性造成的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當發(fā)射天線和接收天線數(shù)量增加時，空間互相關特性會逐漸減小。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當接收端天線的傾斜角度βR減小時，空間相關性緩慢增加，這與文獻［18］中的仿真結果相吻合，表明上述仿真結論的正確性。

圖2 發(fā)射端和接收端天線數(shù)目對物聯(lián)網傳輸模型的空間互相關特性造成的影響

圖3描述的是散射簇的運動方向／速度對物聯(lián)網信道模型的空間互相關特性造成的影響。由圖3可知，當相鄰天線間距增大時，信道的空間互相關特性會不斷地減小，這與文獻［19］中的信道測量實驗結果相吻合，驗證了上述結論的準確性。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，散射簇的運動方向和運動速度會對信道特性造成影響。準確來說，當散射簇朝著水平面運動，即γm＝-π／2時，空間互相關特性伴隨著散射簇運動速度從5 m／s增加到15 m／s時不斷地變大；而當散射簇遠離著水平面運動，即γm＝π／2時，空間互相關特性伴隨著散射簇運動速度的變大而不斷地減小。這一仿真結果與文獻［20］中的結論相吻合，表明本文關于橢圓信道模型空間互相關特性的推導和仿真的正確性。此外，圖中還證實了物聯(lián)網通信場景不同會對信道特性造成影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當物聯(lián)網信道中的散射體非常稀疏（即萊斯因子取值較?。r，空間互相關特性要明顯大于信道中的散射體非常密集的情況，這一結論和文獻［21］中的仿真結果相吻合，表明上述仿真結果是正確的且符合客觀規(guī)律。

圖3 散射簇的運動方向／速度對物聯(lián)網傳輸模型的空間互相關特性造成的影響

圖4描述的是當信號經靜態(tài)散射簇反射到達接收端時，不同傳輸路徑間的空間互相關特性。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在信道模型處于平穩(wěn)狀態(tài)，即t＝0時，接收端的移動方向γR不會對空間互相關性造成影響。而在信道模型處于非平穩(wěn)狀態(tài)，即t＝2 s時，當接收端沿著x軸的正方向運動時，空間互相關特性要明顯小于接收端沿著x軸負方向運動的情況。這一仿真結果與文獻［22］中的結論相吻合，驗證了上述結果的正確性。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，無論信道是處于平穩(wěn)狀態(tài)還是非平穩(wěn)狀態(tài)，信道在散射體非常稀疏時的空間互相關性要明顯大于信道在散射體密集時的空間互相關性，這一結論與圖3的仿真結果吻合，表明了物聯(lián)網通信場景在不同運動時刻都會對信道特性造成影響。

圖4 靜態(tài)散射簇對物聯(lián)網傳輸模型和傳統(tǒng)橢圓模型的空間互相關特性造成的影響

4 結束語

本文提出一個基于非平穩(wěn)幾何特性的物聯(lián)網傳輸模型。通過引入公路、街道的傳播條件提出不規(guī)則形狀的幾何傳輸模型，可以通過調整有效散射體的分布，使模型適應多種情況。該模型采用橢圓模型來描述靜態(tài)路邊環(huán)境，發(fā)射端和接收端之間的相對運動導致時變幾何統(tǒng)計量，使模型具有非平穩(wěn)性。此外，在該模型中研究了移動散射體的運動特性以及對傳輸模型統(tǒng)計量的影響。數(shù)值仿真結果與過去結論進行比較，驗證了所提算法的正確性，為物聯(lián)網協(xié)作時間同步傳輸提供理論基礎，具有重要的理論意義和應用價值。在今后的研究中，將會開展大量的物聯(lián)網信道測量實驗，通過高精度多徑參數(shù)估計算法對測量數(shù)據(jù)進行處理，提取信道參數(shù)，進一步驗證本文仿真結果的正確性。