校園無(wú)人機(jī)信道建模及性能評(píng)估軟件設(shè)計(jì)

童心玉，程樂樂，張彤彤，朱秋明

（南京航空航天大學(xué)，南京 210000）

1 引言

無(wú)人機(jī)通信一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，作為空中載體的監(jiān)測(cè)設(shè)備，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)相比，具有快速、準(zhǔn)確、低成本、易操作等優(yōu)勢(shì)，這使其成為5G 通信網(wǎng)絡(luò)中的重要通信設(shè)施之一。已有大量文獻(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)通信信道做了理論、實(shí)測(cè)研究。

目前，將無(wú)人機(jī)用于各種應(yīng)用是一個(gè)快速發(fā)展的研究領(lǐng)域。了解無(wú)線UAV 到地面?zhèn)鞑バ诺缹?duì)于設(shè)計(jì)高效通信系統(tǒng)和評(píng)估其性能至關(guān)重要。文獻(xiàn)[1]基于射線追蹤法研究了城市環(huán)境中不同無(wú)人機(jī)飛行高度下，地面接收信號(hào)的覆蓋率，以及時(shí)延擴(kuò)展、到達(dá)角分布等信道特性。文獻(xiàn)[2]利用射線追蹤軟件進(jìn)行無(wú)人機(jī)群通信的優(yōu)化，并利用可視化模型軟件復(fù)現(xiàn)無(wú)人機(jī)群通信結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[3]基于射線追蹤技術(shù)模擬了郊區(qū)場(chǎng)景中不同高度的小型無(wú)人機(jī)的空對(duì)地（AG）通道，分析了路徑損耗等信道參數(shù)。文獻(xiàn)[4]簡(jiǎn)要概述了低空無(wú)人駕駛飛行器的空地通道模型，并通過(guò)將射線追蹤技術(shù)模擬結(jié)果和郊區(qū)開放環(huán)境測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了兩者的一致性。文獻(xiàn)[5]為空對(duì)地通信信道提供了一種測(cè)量框架，從無(wú)人機(jī)上連續(xù)發(fā)射頻率帶寬為20MHz、中心頻率為5060MHz 的信號(hào)獲得信號(hào)沖激響應(yīng)等數(shù)據(jù)以研究其信道特性。文獻(xiàn)[6]測(cè)量了無(wú)人機(jī)在200m 高度飛行、信號(hào)中心頻率為915MHz 的情況下信道的相關(guān)數(shù)據(jù)，研究了信道特性。

以上對(duì)無(wú)人機(jī)通信信道的研究均基于測(cè)量數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[7]描述了一種基于統(tǒng)計(jì)幾何的信道建模方法，用六個(gè)參數(shù)勾勒出模型的體系結(jié)構(gòu)，并展示了這些參數(shù)是如何從測(cè)量數(shù)據(jù)獲得的，利用該模型能捕捉空地?zé)o人機(jī)信道的時(shí)變特性。文獻(xiàn)[8]研究了多徑城市環(huán)境中無(wú)人機(jī)到地面鏈路的信道特性，利用射線追蹤模擬以估計(jì)接收功率等參數(shù)。文獻(xiàn)[9]提出了一種新穎的三維多輸入多輸出通道模型來(lái)描述空對(duì)地（A2G）通信環(huán)境，研究了不同時(shí)間延遲的A2G 信道模型的傳播特性。文獻(xiàn)[10]提出了一種三維球形無(wú)人機(jī)空對(duì)地多輸入多輸出信道模型基于所提出的信道模型，導(dǎo)出該模型的時(shí)空相關(guān)函數(shù)，并根據(jù)各種參數(shù)進(jìn)行分析研究。

本文基于上述文獻(xiàn)，針對(duì)采用微波技術(shù)的無(wú)人機(jī)信道，提出了一種基于射線追蹤的三維無(wú)人機(jī)通信幾何信道模型，結(jié)合南京航空航天大學(xué)江寧校園的場(chǎng)景參數(shù)設(shè)計(jì)出一款用于評(píng)估無(wú)人機(jī)在校園飛行過(guò)程中通信鏈路性能的可視化軟件，該軟件可針對(duì)選定路徑計(jì)算出相關(guān)的信道模型參數(shù)并進(jìn)行演示。

2 信道模型及參數(shù)計(jì)算

本文基于射線追蹤原理，針對(duì)南京航空航天大學(xué)江寧校園場(chǎng)景，建立無(wú)人機(jī)通信的沖激響應(yīng)模型：

圖1 無(wú)人機(jī)對(duì)地信道典型場(chǎng)景

無(wú)人機(jī)通信場(chǎng)景幾何模型如圖2所示，本文無(wú)人機(jī)和地面節(jié)點(diǎn)在直角坐標(biāo)下進(jìn)行。其中假設(shè)GS（A 點(diǎn)）和UAV（B 點(diǎn)）的坐標(biāo)分別記為，沿水平方向飛行。主要考慮直射和在地面的反射。

考慮到直射徑傳播和自由空間傳播類似，因此直射徑的信號(hào)幅度可采用如下方法計(jì)算

圖2 無(wú)人機(jī)通信場(chǎng)景幾何模型

對(duì)應(yīng)地面反射中心點(diǎn)D 射線的長(zhǎng)度為

結(jié)合余弦定理與平面方程可以證明，地面反射區(qū)域中心D 點(diǎn)的坐標(biāo)為

本文利用RomcomWirlessInstite 軟件來(lái)評(píng)估基于射線跟蹤的電磁傳播環(huán)境中的信道特性。仿真場(chǎng)景為如圖3所示的校園，該校園場(chǎng)景占地約，仿真時(shí)利用已有的二維建筑物數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)測(cè)建筑物高度，將該衛(wèi)星圖中的建筑物信息進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化場(chǎng)景如圖3.b 所示。并在仿真軟件中設(shè)置各類與實(shí)際場(chǎng)景相吻合的仿真參數(shù)，地質(zhì)采用濕土，地面介電常數(shù)，電導(dǎo)率，建筑物統(tǒng)一采用混凝土墻面介電常數(shù)，電導(dǎo)率 。仿真時(shí)將建筑物信息進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后場(chǎng)景如圖3.b 所示。UAV 端采用中心頻率為28GHz，帶寬500MHz 的信號(hào)，UAV 端的發(fā)射天線和GS 端的接收天線均采用全向天線。GS 端大致放置于UAV 飛行軌跡中間，天線高度為2m。UAV 作為信號(hào)發(fā)射端，以10m/s 的速度在高空橫穿校園飛行120s。

圖3 校園環(huán)境示意圖

3 無(wú)人機(jī)信道性能評(píng)估軟件設(shè)計(jì)

3.1 GUI 開發(fā)平臺(tái)介紹

圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface）是由菜單、工具欄、命令按鈕、光標(biāo)、按鍵燈構(gòu)成的一個(gè)用戶界面，Matlab 為用戶提供了功能強(qiáng)大的集成圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（GUIDE），通過(guò)GUIDE，用戶可以方便快捷地設(shè)計(jì)出各種符合要求的圖形用戶界面，極大地減輕了工作量。

3.2 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件采用Matlab GUI 軟件平臺(tái)，基于已有的二維地圖結(jié)合實(shí)測(cè)建筑物高度信息復(fù)現(xiàn)了三維南京航空航天大學(xué)江寧校園幾何模型，從而實(shí)現(xiàn)校園環(huán)境特征的三維可視化，將無(wú)人機(jī)飛行路徑和地面接收站的位置顯示在界面上。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)框圖

基于用戶需求，本文設(shè)計(jì)的南航校園無(wú)人機(jī)飛行通信鏈路質(zhì)量評(píng)估軟件的流程如圖5所示，軟件功能為：對(duì)一定條件參數(shù)下無(wú)人機(jī)飛行通信鏈路的性能評(píng)估。在軟件輸入端，用戶首先導(dǎo)入已有的校園地圖文件，選擇無(wú)人機(jī)飛行路徑，接著對(duì)無(wú)人機(jī)飛行高度進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完畢后軟件可對(duì)無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程進(jìn)行模擬，計(jì)算飛行過(guò)程中不同位置無(wú)人機(jī)的功率、角度等參數(shù)，并生成星座圖、誤碼率分析圖，相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)可導(dǎo)出到外部文檔，作為信道特性分析和無(wú)人機(jī)通信鏈路性能評(píng)估的依據(jù)和參考。

圖5 無(wú)人機(jī)飛行評(píng)估軟件流程圖

3.3 軟件界面設(shè)計(jì)

圖6 軟件主界面

GUI 設(shè)計(jì)界面如圖6所示。首先導(dǎo)入事先規(guī)劃好的備選的三條路徑，“仿真參數(shù)”模塊可選擇飛行路徑和飛行高度，選擇“開始仿真”后，軟件將在“路徑演示”模塊顯示校園地圖和無(wú)人機(jī)飛行路徑，并根據(jù)所選路徑進(jìn)行其性能分析：在“數(shù)據(jù)分析模塊”生成參數(shù)文本文件的同時(shí)，“信號(hào)強(qiáng)度分析”、“誤碼率分析”、“星座圖”三個(gè)模塊將分別顯示對(duì)應(yīng)參數(shù)的分析圖，調(diào)節(jié)上方的距離條可以顯示不同時(shí)刻的星座圖，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的連續(xù)性觀察。選擇“保存圖像”即可將三個(gè)參數(shù)的分析數(shù)據(jù)導(dǎo)出到外部文檔并保存，以便實(shí)現(xiàn)不同路徑參數(shù)條件下數(shù)據(jù)的直觀對(duì)比及飛行性能的評(píng)估。

該軟件支持導(dǎo)入地圖數(shù)據(jù)和保存文本數(shù)據(jù)等功能。用戶可通過(guò)“地圖文件路徑”導(dǎo)入南京航空航天大學(xué)江寧校區(qū)地圖數(shù)據(jù)的文件，生成地圖飛行路徑；“載入本次數(shù)據(jù)”可以載入本次參數(shù)設(shè)置后生成的文本文件，文本文件中包含本次路徑中無(wú)人機(jī)坐標(biāo)位置、功率等參數(shù)；“載入上一次數(shù)據(jù)”可以載入上一次的文本文件。

4 軟件運(yùn)行與測(cè)試

設(shè)置UAV 端采用中心頻率為28GHz，帶寬500MHz 的信號(hào)，UAV 端的發(fā)射天線和端的接收天線均采用垂直極化的全向天線。無(wú)人機(jī)作為信號(hào)發(fā)射端，在高空橫穿校園飛行。用戶在南航地圖上選擇一條飛行路徑，路徑如圖3所示。若設(shè)置的飛行高度為75m，則軟件根據(jù)信道模型對(duì)無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的距離、角度和功率進(jìn)行計(jì)算，得到不同位置的參數(shù)值。軟件生成的文本文件如圖7，選取不同飛行距離的星座圖如圖8，生成的誤碼率曲線如圖9。

圖7的文本文件記錄了無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程中，接收功率、無(wú)人機(jī)位置隨其飛行距離的變化情況，飛行距離每增加10m 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于飛行速度為10m/s，因此數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間隔為1s，總飛行時(shí)間為116s。

基于文本文件，圖8和圖9分別給出了無(wú)人機(jī)飛行的星座圖和誤碼率曲線，用于評(píng)估無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的性能情況。圖8給出了無(wú)人機(jī)飛行距離分別為100m 和600m 時(shí)的星座圖?？梢钥闯?，飛行100m 時(shí)的星座圖中點(diǎn)分布較為分散，說(shuō)明信號(hào)能量比較分散，系統(tǒng)抗噪聲性能較差。由無(wú)人機(jī)飛行軌跡可知，此時(shí)無(wú)人機(jī)處于遠(yuǎn)離接收端的位置，因此通信鏈路質(zhì)量相對(duì)較低，與仿真結(jié)果相符合；飛行600m 時(shí)的星座圖中點(diǎn)分布較為集中，說(shuō)明系統(tǒng)抗噪聲性能較好，此時(shí)無(wú)人機(jī)處于靠近接收端的位置，通信鏈路質(zhì)量較高。圖9給出了無(wú)人機(jī)從遠(yuǎn)處逐漸飛向接收端的飛行過(guò)程中誤碼率隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，隨著時(shí)間的增加，無(wú)人機(jī)漸漸靠近接收端，誤碼率減小，這表明在飛行過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性越來(lái)越高。

圖7 文本文件

圖8 星座圖

圖9 誤碼率曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于射線追蹤法提出了一種三維UAV 通信幾何信道模型，并基于此模型在南航校園的應(yīng)用設(shè)計(jì)出一款通信鏈路評(píng)估可視化軟件，該軟件可對(duì)不同場(chǎng)景下的功率進(jìn)行準(zhǔn)確分析，得到相關(guān)星座圖和誤碼率圖，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的路徑性能評(píng)估，該軟件可為無(wú)人機(jī)巡航路線的規(guī)劃、非法頻段監(jiān)測(cè)等功能提供參考。