無(wú)人機(jī)通信信道模型仿真分析

張巍+段冀新+鞏朝陽(yáng)+謝小芳

【摘要】 本文首先分析了無(wú)人機(jī)通信的特點(diǎn)，然后從統(tǒng)計(jì)模型和非統(tǒng)計(jì)模型兩個(gè)角度對(duì)無(wú)人機(jī)的信道進(jìn)行分析，研究了以萊斯衰落模型為代表的統(tǒng)計(jì)衰落模型，提出了一種新的萊斯仿真模型的算法；最后對(duì)無(wú)人機(jī)通信信道進(jìn)行非統(tǒng)計(jì)模型建模分析，并以兩徑模型為例進(jìn)行仿真，結(jié)果表明不管是改變地面天線高度還是改變無(wú)人機(jī)飛行高度，只能改變深衰落區(qū)的位置，不能避免深衰落的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】 萊斯衰落 瑞利衰落 散射

一、引言

無(wú)人機(jī)[1]（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）是一種機(jī)上無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的航空器簡(jiǎn)稱。與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信相比，無(wú)人機(jī)通信具有三個(gè)特點(diǎn)：

1）信號(hào)動(dòng)態(tài)變化范圍大；

2）多普勒頻移大；

3）電磁干擾比較強(qiáng)。

無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)屬于無(wú)線通信，其電波在無(wú)線信道中的反射、散射和繞射等特點(diǎn)，使得發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在多條傳播路徑，并且每條路徑的傳播時(shí)延和衰落因子都是時(shí)變的，造成了接收信號(hào)的衰落，因此多徑衰落是無(wú)人機(jī)通信信道的主要特點(diǎn)。

無(wú)線信號(hào)隨接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的距離不斷變化即產(chǎn)生了衰落，根據(jù)發(fā)送信號(hào)與信道變化快慢程度的比較，信道可分為快衰落信道和慢衰落信道。其中信號(hào)強(qiáng)度曲線的中直呈現(xiàn)慢速變化稱為慢衰落，曲線的瞬時(shí)值呈快速變化，稱快衰落。

快衰落與慢衰落并不是兩個(gè)獨(dú)立的衰落，快衰落反映的是瞬時(shí)值，慢衰落反映的是瞬時(shí)值加權(quán)平均后的中值。無(wú)人機(jī)與主控站間的通信信道可以分成兩種情況：當(dāng)無(wú)人機(jī)通信仰角較小時(shí)，信道為快衰落信道，直射徑功率較??；當(dāng)無(wú)人機(jī)通信仰角較大時(shí)，信道為慢衰落信道，直射徑功率較大。

在無(wú)人機(jī)通信中，無(wú)人機(jī)與主控站之間屬于萊斯（Rice）衰落信道[2]，萊斯衰落信道的特點(diǎn)是信道中存在直視波分量，接收信號(hào)是由直視波分量和散射分量疊加而成的一種情況，散射信道是由許多相互獨(dú)立且服從正態(tài)分布的隨機(jī)信號(hào)組成，屬于一種統(tǒng)計(jì)模型。

下面將從統(tǒng)計(jì)模型和非統(tǒng)計(jì)模型兩個(gè)角度對(duì)無(wú)人機(jī)的信道進(jìn)行分析。

二、信道模型建立與分析

2.1 統(tǒng)計(jì)衰落模型建立

一般傳統(tǒng)的萊斯衰落信道模型具有廣義非靜態(tài)特性，導(dǎo)致仿真結(jié)果與理論結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，模型計(jì)算量和存儲(chǔ)空間要求比較大，硬件實(shí)現(xiàn)困難，因此本節(jié)提出了一種新的萊斯衰落信道仿真模型，使其更加高效，并具有廣義靜態(tài)特性。

基于文獻(xiàn)[4]中給出的Rayleigh衰落信道的仿真模型[4]，Rice仿真模型可以表示為：

2.2非統(tǒng)計(jì)衰落模型建立

多徑傳輸可歸納為兩種類型：一種是直射波與反射波形成的多徑；另一種是低空大氣層大氣效應(yīng)造成的多徑，一般第一種是主要因素，但當(dāng)?shù)孛娣瓷洳◤?qiáng)度很微弱時(shí)，第二種多徑影響就將成為主要因素。

下圖1是無(wú)人機(jī)通信的模型。

其中Фi為第i-1條散射路徑信號(hào)與直射信號(hào)的相位差，P0-i第i路散射路徑信號(hào)合成后的合成功率。

三、仿真分析及結(jié)論

基于圖1的無(wú)人機(jī)通信的模型，以兩徑為例進(jìn)行仿真。假設(shè)輻射功率為50dB，分兩路輸出，收發(fā)天線增益均為30dB，頻率為1.25GHz，散射點(diǎn)的散射系數(shù)為1，散射點(diǎn)有效接收面積為1。

發(fā)射機(jī)的位置為（0，0，0），散射點(diǎn)的位置（10000，2000，1000），接收機(jī)用的坐標(biāo)隨時(shí)間變化（18000+i，6000+0.5*i，1000+0.2*i）。

利用MATLAB對(duì)兩徑傳播模型進(jìn)行仿真，圖2是無(wú)人機(jī)飛行高度為2000m時(shí)，地面發(fā)射天線高度分別為1.5m、3m和4.5m時(shí)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在兩徑傳播模型空間傳播損耗曲線。圖3是地面發(fā)射天線天線高度3m時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行高度分別為1500m、2500m和3500m時(shí)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在兩徑傳播模型空間傳播損耗曲線。

由圖2和3可知，在無(wú)人機(jī)飛行過程中，無(wú)人機(jī)與地面天線不同距離時(shí)存在不同程度的深衰落區(qū)域，無(wú)論改變地面天線高度還是改變無(wú)人機(jī)飛行高度，只能改變深衰落區(qū)的位置，并不能避免深衰落的發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Paul，Thomas著，吳漢平等譯，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 （第二版） ，北京：電子工業(yè)出版 社，2003

[2] Niji Youssef， Chengxiang Wang， Matthias Patzoldt，etc. On the Statistical Properties of Generalized Rice Multi-path Fading Channels [C]. IEEE Conference on Vehieular Technology， 2004，l：162～165

[3] Jakes W C.Microwave Mobile Communications[M]. Piseataway，NJ：IEEE Press， 1994