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        5G網(wǎng)絡(luò)中無人機(jī)-車輛非平穩(wěn)信道模型與統(tǒng)計(jì)特性分析*

        2022-09-28 07:09:38張曉華
        電訊技術(shù) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:發(fā)端散射體視距

        張曉華,彭 小,黃 龍

        (重慶市信息通信咨詢設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400065)

        0 引 言

        5G通信技術(shù)的出現(xiàn),推動(dòng)了無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)與車輛通信朝著數(shù)字化、智能化方向飛速發(fā)展,設(shè)備像物聯(lián)網(wǎng)一樣隨時(shí)隨地相互通信,收發(fā)端不再是固定在某個(gè)位置,而是有規(guī)則或無規(guī)則運(yùn)動(dòng)[1-2]。

        自4G通信以來,主流信道模型研究基本都是基于三維建模的,在5G逐漸登上通信舞臺的同時(shí),基于幾何隨機(jī)的三維無人機(jī)與車輛的信道模型研究是必不可少的。在文獻(xiàn)[3-8]的幾何隨機(jī)模型研究中,并沒有綜合地考慮一次散射、二次散射以及地面反射徑等其他路徑的疊加影響,并且某些模型忽視了根據(jù)信道環(huán)境合理設(shè)置散射體運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài),導(dǎo)致研究非平穩(wěn)特性時(shí)缺少散射體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。

        針對以往模型中收發(fā)端運(yùn)動(dòng)時(shí)速度大小和速度方向較為固定的不足,文獻(xiàn)[9]提出了一種發(fā)送端允許加速和曲線運(yùn)動(dòng)的三維非平穩(wěn)幾何隨機(jī)信道模型,并研究了相關(guān)統(tǒng)計(jì)特性;文獻(xiàn)[10]采用了高斯-馬爾科夫遷移率模型來模擬收發(fā)端速度和軌跡;文獻(xiàn)[11]提出了一種散射體以任意速度任意方向運(yùn)動(dòng)的非平穩(wěn)幾何隨機(jī)信道模型,并通過馬爾科夫生滅過程演進(jìn)散射體簇的變化;文獻(xiàn)[12]提出了基于無人機(jī)場景的任意軌跡無人機(jī)的非平穩(wěn)幾何隨機(jī)信道,并研究了不同速度方向角對無人機(jī)信道的影響。

        綜上所述,以往無人機(jī)到車輛(Unmanned Aerial Vehicle to Vehicle,UAV-V)通信場景的非平穩(wěn)信道研究中,在信道建模方法上仍存在一些不足。因此,本文主要針對無人機(jī)到車輛非平穩(wěn)信道建模展開進(jìn)一步研究,主要貢獻(xiàn)如下:

        (1)提出了一種基于橢圓-圓柱-半球幾何隨機(jī)非平穩(wěn)UAV-V信道模型——對于一次散射徑的散射體分布,使用同心橢圓面幾何隨機(jī)模型模擬;對于二次散射徑的散射體分布,使用了同心圓柱-同心半球體幾何隨機(jī)模型模擬,并且還使用了半球底面同心圓模型對地面一次反射分布進(jìn)行了模擬;

        (2)基于所建立的模型,推導(dǎo)了空時(shí)相關(guān)函數(shù)(Space-Time Correlation Function,STCF)和多普勒功率譜密度(Doppler Spectral Density,DPSD);

        (3)基于上述統(tǒng)計(jì)特性的表達(dá)式,對無人機(jī)到車輛信道統(tǒng)計(jì)特性以及信道非平穩(wěn)性進(jìn)行了仿真分析。

        1 UAV-V非平穩(wěn)信道建模與統(tǒng)計(jì)特性

        1.1 信道幾何模型描述

        本文采用5G頻段,假設(shè)對城市場景中UAV-V通信系統(tǒng)建立信道模型。這里使用同心圓柱體來模擬無人機(jī)周圍散射體分布,使用同心半球體模擬車輛周圍散射體分布。該信道模型由視距與非視距分量組成,其中非視距分量由一次散射、二次散射和地面一次反射分量組成,通信系統(tǒng)如圖1所示。

        圖1 UAV-V通信系統(tǒng)

        圖2為圖1中一次散射分量橢圓幾何分布在x-y平面的投影,投影圖中顯示了收發(fā)端速度方向、位置變化以及角度變化。

        圖2 UAV-V一次散射x-y平面投影

        圖3為圖1中二次散射徑的圓柱-半球幾何分布在x-y平面的投影,投影圖中顯示了收發(fā)端方向變化、角度變量的幾何關(guān)系和速度方向變化。

        圖3 UAV-V二次散射徑x-y平面投影

        1.2 信道參數(shù)描述

        (1)

        1.2.1 視距參數(shù)

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        1.2.2 一次散射分量參數(shù)

        本節(jié)進(jìn)一步展開公式(1)中的一次散射分量沖激響應(yīng),可表示為

        (6)

        (7)

        (8)

        (9)

        (10)

        (11)

        (12)

        (13)

        (14)

        (15)

        (16)

        (17)

        又由幾何關(guān)系可得

        (18)

        (19)

        結(jié)合公式(16)~(19)可得

        d(p,S(m,b))(t)=

        (20)

        d(q,S(m,b))(t)=

        (21)

        1.2.3 二次散射分量參數(shù)

        (22)

        (24)

        d(q,S(m2,l2))(t))/λ。

        (25)

        (26)

        (27)

        (28)

        (29)

        (30)

        (31)

        (32)

        (33)

        同理,由幾何關(guān)系可得,l1同心圓柱面上的第m1個(gè)一次散射體位置矢量dS(m1,l1)(t)表示為

        (34)

        l2同心圓柱面上的第m2個(gè)一次散射體位置矢量dS(m2,l2)描述為

        (35)

        因此,由式(34)和式(35)可進(jìn)一步得出

        (36)

        (37)

        (38)

        d(S(m1,l1),S(m2,l2))≈d(p,q)(t)-

        (39)

        由式(25)與式(39)進(jìn)一步可得出

        (40)

        (41)

        (42)

        1.2.4 地面一次反射分量參數(shù)

        (43)

        (44)

        (45)

        (46)

        1.3 UAV-V非平穩(wěn)信道統(tǒng)計(jì)特性

        1.3.1 空時(shí)相關(guān)函數(shù)

        公式(1)中hpq(t)的信道空時(shí)相關(guān)函數(shù)可表示為

        (47)

        (48)

        (49)

        (50)

        (51)

        (52)

        (53)

        (54)

        (55)

        (56)

        1.3.2 多普勒功率譜密度函數(shù)

        多普勒功率譜密度S(f,t)可由時(shí)間ACF的傅里葉變換推得。令δT=0,δR=0,式(47)中Rpq,p′q′(δT,δR,Δt,t)變?yōu)镽pq(Δt,t)。因此,DPSD表示為

        (57)

        2 仿真分析

        系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

        表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)表

        為了描述各徑分量的信道統(tǒng)計(jì)特性,本文各分量相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

        表2 各徑分量參數(shù)設(shè)置

        圖4 不同天線仰角方位角非視距空間CCF絕對值

        為了進(jìn)一步分析非視距分量空間CCF與收發(fā)端距離關(guān)系,本節(jié)將無人機(jī)位置分別設(shè)置為[100,0,200],[200,0,300],[200,500,300],圖4給出了不同無人機(jī)位置下的空間CCF變化曲線,可以看出,收發(fā)端距離越大,視野越廣闊,非視距更接近視距情況,因此空間相關(guān)性越高。

        圖5 不同無人機(jī)位置非視距空間CCF絕對值

        圖6 無人機(jī)在不同方向移動(dòng)的DPSD變化

        圖7給出了各模型的時(shí)間ACF值隨著Δt變化曲線,其中包括本文非視距分量以及本文非視距下各分量、文獻(xiàn)[2]無人機(jī)非視距測量值和文獻(xiàn)[4,6]無人機(jī)到地模型。通過將本文模型與無人機(jī)測量模型的時(shí)間ACF進(jìn)行對比,結(jié)果表明,理論模型與真實(shí)測量模型ACF變化較為接近。同時(shí),本文模型與文獻(xiàn)[6]模型對比發(fā)現(xiàn),本文模型的變化趨勢與其較為相似,并且波動(dòng)趨勢類似于一次散射徑的時(shí)間ACF波動(dòng)趨勢。這是由于本文模型增加二次散射徑分量所致,同時(shí)一次散射徑分量所占比例要大于二次散射徑分量。本文模型與文獻(xiàn)[6]對比發(fā)現(xiàn),本文模型的時(shí)間相關(guān)性明顯高于文獻(xiàn)[6]模型,且波動(dòng)較為平緩。這是由于本文采用同心圓柱和半球體來模擬UAV-V信道環(huán)境中散射體分布,而文獻(xiàn)[6]僅考慮半球體模擬接收側(cè)散射體分布。綜上所示,鑒于本文模型在各模型中的優(yōu)越性,可以將其作為無人機(jī)與車輛非平穩(wěn)信道模型建模方案的參考。

        圖7 不同模型的非視距時(shí)間ACF變化

        3 結(jié)束語

        本文基于UAV-V信道場景提出了一種新型UAV-V非平穩(wěn)信道模型。該模型考慮了無人機(jī)側(cè)和車輛側(cè)散射體不同分布狀態(tài),使用橢圓面模擬一次散射中散射體分布,同心圓柱體來模擬無人機(jī)周圍散射體變化,同心半球體來對車輛周圍散射體進(jìn)行模擬。仿真結(jié)果表明,本文所建模型能夠較好地模擬UAV-V場景信道模型,為UAV-V非平穩(wěn)信道建模提供了新的理論參考。當(dāng)前移動(dòng)到移動(dòng)通信系統(tǒng)中,主要使用車輛、無人機(jī)作為收發(fā)端,未來可以考慮向衛(wèi)星或者新一代通信設(shè)備方向拓展,或者將研究環(huán)境設(shè)置得更為復(fù)雜。

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