無(wú)人機(jī)毫米波信道建模進(jìn)展和挑戰(zhàn)

朱秋明 ，華博宇 ，毛 開(kāi) ，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(rèn)知?jiǎng)討B(tài)系統(tǒng)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wú)人機(jī)（Unmanned aerial vehicle, UAV）因成本低、構(gòu)造簡(jiǎn)單且人員傷亡率低等優(yōu)勢(shì)引起了全球各個(gè)國(guó)家的關(guān)注。目前，UAV 在航拍、遙感監(jiān)測(cè)、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(bào)道，全球無(wú)人機(jī)的銷(xiāo)售額將在2021 年達(dá)到120 億美元，近5 年以7.6%的復(fù)合增長(zhǎng)率穩(wěn)步提升[1]。中國(guó)國(guó)務(wù)院頒布的《中國(guó)制造2025》綱領(lǐng)文件中，也明確要求大力推進(jìn)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(zhǎng)，能夠支持Gbit/s 量級(jí)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(shí)上，第5 代（The fifth generation, 5G）移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)合毫米波和大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)，已經(jīng)能夠提供高達(dá)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(duì)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(guò)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(tái)。目前，利用毫米波和大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)實(shí)施UAV 對(duì)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(diǎn)[4]。例如，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)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(chǎng)士兵和前線(xiàn)基地、戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心以及情報(bào)監(jiān)視偵察設(shè)施。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，無(wú)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(jià)值。

構(gòu)建精確且符合真實(shí)UAV 通信場(chǎng)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(lái)對(duì)UAV 毫米波通信系統(tǒng)性能評(píng)估的基本手段。不同于傳統(tǒng)陸地通信場(chǎng)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(xiàn)和三維窄波束等多種因素。目前，針對(duì)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(kāi)發(fā)。本文首先針對(duì)UAV 毫米波通信場(chǎng)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(diǎn)對(duì)UAV 毫米波信道相關(guān)主流模型進(jìn)行詳細(xì)闡述和比較。最后，對(duì)信道模型發(fā)展趨勢(shì)以及具有潛力的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(duì)高頻段超寬帶的支持

國(guó)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(dá)到中心頻率的10%[5]。針對(duì)sub?6 GHz通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信道模型，無(wú)法滿(mǎn)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(xiàn)[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(hào)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(duì)UAV 毫米波通信場(chǎng)景，信號(hào)傳播過(guò)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(hào)。其中，時(shí)延非常接近的路徑信號(hào)可近似成一簇，接收信號(hào)由不同時(shí)刻、不同方向到達(dá)的空時(shí)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(dòng)或者傳播環(huán)境的改變，都會(huì)導(dǎo)致部分散射體失效引起對(duì)應(yīng)簇消失，同時(shí)有新的散射體出現(xiàn)產(chǎn)生新的空時(shí)簇。相較陸地毫米波通信場(chǎng)景，UAV 毫米波通信場(chǎng)景的空時(shí)簇生滅現(xiàn)象更加頻繁，多徑傳播或時(shí)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(chǎng)景和傳統(tǒng)頻段信道特性的兼容性。

1.2 對(duì)三維散射空間的支持

對(duì)于陸地移動(dòng)通信場(chǎng)景而言，盡管收發(fā)天線(xiàn)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(shí)間內(nèi)垂直方向的位置變化比較小，俯仰角的變化對(duì)傳播帶來(lái)的影響程度相對(duì)較低。因此，早期信道模型往往忽略高度參數(shù)對(duì)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(duì)傳統(tǒng)二維模型進(jìn)行升級(jí)，將收發(fā)天線(xiàn)的高度參數(shù)納入考慮，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)地理位置，傳播信號(hào)的離開(kāi)方向和到達(dá)方向的表征也進(jìn)一步細(xì)化描述為離開(kāi)方位角和俯仰角、到達(dá)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(jìn)行大范圍飛行，垂直方向位置和信號(hào)傳播的俯仰角在整個(gè)通信過(guò)程中存在非常明顯的變化。信道實(shí)測(cè)結(jié)果也表明，UAV 速度大小、飛行角度和位置高度等對(duì)信道模型的統(tǒng)計(jì)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(shí)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(duì)三維速度姿態(tài)的支持

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

文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)收發(fā)端的速度參數(shù)進(jìn)行分析，指出速度對(duì)移動(dòng)通信信道的空時(shí)相關(guān)性有著至關(guān)重要的影響。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[10]陸續(xù)提出的V2V 信道模型，都將運(yùn)動(dòng)端的移動(dòng)速度擴(kuò)展為三維矢量表示，文獻(xiàn)[11]針對(duì)UAV 通信場(chǎng)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(qiáng)調(diào)的是，陸地移動(dòng)端如行人，車(chē)輛等的速度只存在二維方向，僅用單個(gè)角度參數(shù)就可以完整描述。然而，UAV 飛行過(guò)程中，存在機(jī)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(lái)描述機(jī)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(duì)三維陣列波束的支持

大規(guī)模陣列天線(xiàn)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(duì)于毫米波通信而言，天線(xiàn)陣列可以形成強(qiáng)方向性波束改善通信鏈路的質(zhì)量，進(jìn)而彌補(bǔ)毫米波路徑損耗高的缺點(diǎn)。比如，通過(guò)一個(gè)8×16 的毫米波天線(xiàn)陣列產(chǎn)生定向波束，可獲得20 dB 的額外增益[13]。此外，對(duì)波束形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以增強(qiáng)主瓣增益，抑制旁瓣能量，從而進(jìn)一步達(dá)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(jìn)行波束對(duì)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(xì)窄化的三維波束，以此提高天線(xiàn)陣列增益和有效通信距離，同時(shí)降低不同鏈路間的干擾和信號(hào)被截聽(tīng)的概率。此外，UAV 飛行過(guò)程中，收發(fā)端之間的信號(hào)俯仰角難以保證恒定，還必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)的波束搜索、跟蹤和對(duì)準(zhǔn)[15]，該特性也將對(duì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)信道特性包括單位沖激響應(yīng)或傳遞函數(shù)等進(jìn)行定量描述。目前，針對(duì)毫米波頻段信道，研究人員開(kāi)發(fā)了多種方法進(jìn)行建模研究，主要包括確定性建模和統(tǒng)計(jì)性建模兩大類(lèi)方法。一般來(lái)說(shuō)，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(jìn)行權(quán)衡，每種方法都存在優(yōu)勢(shì)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(duì)特定通信場(chǎng)景，可利用信道探測(cè)儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備，直接測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)際測(cè)試中輔以激光掃描技術(shù)，將場(chǎng)景描述為一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)，也稱(chēng)為點(diǎn)云技術(shù)[17]。點(diǎn)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(shí)測(cè)的確定性建模方法適用于特定靜態(tài)場(chǎng)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(fèi)大量的人力及時(shí)間成本。基于射線(xiàn)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(duì)收發(fā)端之間每一條信號(hào)傳播路徑進(jìn)行跟蹤，最終得到每條路徑的功率、時(shí)延和相位等參數(shù)。

圖1 給出了RT 方法進(jìn)行信道建模的基本過(guò)程，包括三維場(chǎng)景重構(gòu)、射線(xiàn)分解跟蹤和信道響應(yīng)獲取3 個(gè)典型步驟，圖1 中TX表示發(fā)射端，RX表示接收端。射線(xiàn)與散射體接觸后會(huì)發(fā)生反射和繞射等現(xiàn)象，圖1（c）給出了信號(hào)傳播過(guò)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(lài)散射體電特性（如相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率）的準(zhǔn)確描述，并且計(jì)算復(fù)雜度較高。實(shí)際中，通常需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)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(xiàn)[22]提出了一種基于數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)化的數(shù)字地圖預(yù)處理方法用于地形地物重構(gòu)，文獻(xiàn)[23]則研究了利用不規(guī)則三角面簡(jiǎn)化重構(gòu)場(chǎng)景的方法。

2.2 統(tǒng)計(jì)性信道建模方法

對(duì)于統(tǒng)計(jì)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(jì)分布的形式進(jìn)行描述，且隨機(jī)分布一般通過(guò)分析大量實(shí)測(cè)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(jì)性方法，該方法基于測(cè)量結(jié)果在時(shí)延域和角度域以簇為單位劃分隨機(jī)產(chǎn)生的多徑分量，進(jìn)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]?；趥鞑D的建模方法借鑒圖論原理，用圖的頂點(diǎn)映射發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和散射體，用圖的邊來(lái)映射頂點(diǎn)之間傳播路徑。每一條邊代表不同的概率函數(shù)，用來(lái)描述信號(hào)傳播過(guò)程中的隨機(jī)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(jì)性方法，將傳播路徑表示為簇和簇內(nèi)射線(xiàn)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(xiàn)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(jī)分布于空間中若干個(gè)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(guò)假設(shè)散射簇的幾何分布以及簇內(nèi)散射體的統(tǒng)計(jì)特性等約束條件，獲取信道參數(shù)進(jìn)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(wú)針對(duì)UAV 毫米波通信的標(biāo)準(zhǔn)化信道模型，但是國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)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?yàn)閁AV 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(guò)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(jì)性信道建模方法Fig.2 Statistical channel modeling based on the geometric distribution of scatterers

3.1 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的信道模型

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研人員使用信道探測(cè)儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備，對(duì)毫米波信號(hào)傳播進(jìn)行了大量的實(shí)測(cè)研究，提出了許多陸地場(chǎng)景下的毫米波信道模型，包括室內(nèi)場(chǎng)景[29]、室外場(chǎng)景[30]、隧道場(chǎng)景[31]和高鐵場(chǎng)景[32]等。

為了構(gòu)建針對(duì)UAV 場(chǎng)景的信道模型，研究人員搭建UAV 測(cè)量平臺(tái)并開(kāi)展了信道實(shí)測(cè)。例如，文獻(xiàn)[33]中實(shí)測(cè)了5.2 GHz 頻段無(wú)人機(jī)在懸停狀態(tài)下地面接收功率及路徑損耗。文獻(xiàn)[34]在沙漠、山區(qū)等地段實(shí)測(cè)了L/S 波段UAV 信道的接收功率及時(shí)延擴(kuò)展。文獻(xiàn)[35]在水域、山區(qū)和城市等多場(chǎng)景實(shí)測(cè)了UAV 信道的路徑損耗及視距萊斯因子。進(jìn)一步地，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的UAV 信道模型也被陸續(xù)提出，該類(lèi)研究重點(diǎn)關(guān)注的信道特性包括路徑損耗、均方根時(shí)延拓展和萊斯因子等。例如，文獻(xiàn)[36]根據(jù)實(shí)測(cè)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(xiàn)[37]對(duì)傳統(tǒng)對(duì)數(shù)?距離路徑損耗公式進(jìn)行了修正，并設(shè)定多徑分量與直射徑分量強(qiáng)度的比值遵循高斯分布，不同場(chǎng)景對(duì)應(yīng)不同的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。文獻(xiàn)[38]基于28 GHz 頻段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給出了一種毫米波信道的路徑損耗模型，但沒(méi)有考慮小尺度衰落的特性。相較于其他類(lèi)型的信道模型，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模型最符合真實(shí)環(huán)境的信道特性，但測(cè)試的設(shè)備要求及時(shí)間成本較高，且在小尺度信道衰落的機(jī)理分析方面難度較大。

3.2 基于射線(xiàn)跟蹤的信道模型

基于RT 方法的信道模型在諸多場(chǎng)景中已得到充分研究，例如室內(nèi)場(chǎng)景[39]、城市場(chǎng)景[40]、郊外場(chǎng)景[41]、地鐵場(chǎng)景[42]及隧道場(chǎng)景[43]等。此外，RT 方法對(duì)高頻段信道建模有很強(qiáng)的適用性，被認(rèn)為是預(yù)測(cè)毫米波信號(hào)傳播模型最準(zhǔn)確、最通用的確定性方法[44]。例如，文獻(xiàn)[26]提出了一種基于RT 方法的毫米波信道模型，通過(guò)將毫米波頻段的漫反射多徑分量與鏡面反射分量分開(kāi)表征，進(jìn)一步提升了模型構(gòu)建的精確性；文獻(xiàn)[45]通過(guò)與實(shí)測(cè)結(jié)果比對(duì)，證明了通過(guò)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(xiàn)[46]則通過(guò)對(duì)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(duì)UAV 通信場(chǎng)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(xiàn)[47]針對(duì)UAV 與地面基站間的俯仰角變化，探究了角度對(duì)信道的大尺度衰落特性的影響。文獻(xiàn)[48]通過(guò)重構(gòu)海島場(chǎng)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(shí)延和到達(dá)角度等參數(shù)。文獻(xiàn)[49]針對(duì)城市、郊區(qū)和海面場(chǎng)景，研究了28 GHz 頻段UAV 信道的小尺度衰落和空時(shí)相關(guān)特性。文獻(xiàn)[50]利用RT 方法建立了城市場(chǎng)景毫米波信道模型，并分析UAV 高度參數(shù)對(duì)信道干擾噪聲比的影響。文獻(xiàn)[51]則通過(guò)對(duì)城市、山丘、森林和海洋等場(chǎng)景的重構(gòu)，結(jié)合RT 方法對(duì)UAV 毫米波信道的時(shí)延功率譜和信號(hào)角度分布進(jìn)行了討論。相較于其他類(lèi)型的信道模型，基于RT 方法的模型具有場(chǎng)景構(gòu)建靈活性高、數(shù)據(jù)獲取成本較低等優(yōu)勢(shì)，但同樣存在對(duì)小尺度衰落分析難度大的缺點(diǎn)。

3.3 基于幾何分布的信道模型

幾何統(tǒng)計(jì)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(duì)周?chē)⑸鋷缀误w的分布假設(shè)，GSCM 可以進(jìn)一步細(xì)分為不規(guī)則型幾何統(tǒng)計(jì)性信道模型(Irregular shaped geometry?based stochastic channel model，IS?GSCM) 和規(guī)則型幾何統(tǒng)計(jì)性信道模型（Regular shaped ge?ometry?based stochastic channel model，RS?GSCM）。IS?GSCM 通過(guò)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(jī)位置。例如，文獻(xiàn)[52]提出的UAV 時(shí)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(xiàn)[53]給出的雙簇IS?GSCM，信號(hào)經(jīng)過(guò)多跳到達(dá)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(hào)與散射體的相互作用可以被直接估計(jì)，或利用RT 方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[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(lèi)模型的優(yōu)點(diǎn)是通?？梢垣@得信道統(tǒng)計(jì)特性的理論解，雖然信道復(fù)現(xiàn)時(shí)由于仿真次數(shù)有限，無(wú)法達(dá)到理論值，但誤差可控制在允許范圍內(nèi)。

針對(duì)UAV 通信場(chǎng)景，文獻(xiàn)[60]將散射體布置在多個(gè)共焦距的橢圓以及一個(gè)圓柱體上，提出一種支持多天線(xiàn)技術(shù)的時(shí)變UAV 信道模型；文獻(xiàn)[61]使用多個(gè)圓柱體和單環(huán)分別描述靜止散射體和移動(dòng)散射體，給出一種考慮路徑散射體生滅過(guò)程的UAV 信道模型；文獻(xiàn)[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(dòng)相關(guān)參數(shù)便可使UAV 信道模型支持多種散射場(chǎng)景。第3 代合作伙伴計(jì)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(duì)毫米波頻段具備一定兼容性[5]。同時(shí)，文獻(xiàn)[63]將毫米波新特性納入U(xiǎn)AV 信道建模過(guò)程，使GSCM 具備對(duì)大規(guī)模天線(xiàn)陣列的支持。文獻(xiàn)[64]考慮了UAV 飛行過(guò)程俯仰角的大幅變化，提出一種支持任意三維軌跡及機(jī)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(shí)現(xiàn)適度復(fù)雜度的特定場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的信道建模。事實(shí)上，METIS，mmMAGIC 和5GCMSIG 等標(biāo)準(zhǔn)化模型就借鑒了RT 方法，對(duì)相鄰GSCM 參數(shù)進(jìn)行內(nèi)插，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)場(chǎng)景信道平滑過(guò)渡。相較于其他類(lèi)型的信道模型，GSCM 具有模型通用性強(qiáng)、散射體信息全面等優(yōu)勢(shì)，適合針對(duì)信道的小尺度衰落展開(kāi)研究。

4 未來(lái)發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

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

特別地，針對(duì)UAV 毫米波信道而言，新場(chǎng)景帶來(lái)的信道特性變化目前都是未知的，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)海量信道數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)[65]使用核功率密度的聚類(lèi)算法將多徑分量科學(xué)地劃入不同的簇，進(jìn)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(xiàn)[66]采用隨機(jī)森林及K 最鄰近算法，對(duì)RT 仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了優(yōu)于傳統(tǒng)方法的信道參數(shù)估計(jì)結(jié)果。將通過(guò)機(jī)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(jìn)行有機(jī)結(jié)合的思路，有望成為未來(lái)UAV 毫米波信道建模的主流方法。

4.2 多場(chǎng)景高動(dòng)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(lèi)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(mǎn)足UAV 信道多場(chǎng)景、高移動(dòng)、高頻段和超寬帶的信道建模需求。如何對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行合理的擴(kuò)展與融合，科學(xué)搭建靈活的模型框架，是未來(lái)UAV 毫米波信道建模的重要前提。例如，文獻(xiàn)[64]提出的支持任意軌跡和天線(xiàn)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(dòng)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(shí)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(shí)間演進(jìn)規(guī)律十分重要。例如，文獻(xiàn)[56]在到達(dá)角和離開(kāi)角的計(jì)算中引入時(shí)間參數(shù)，使信道模型具有時(shí)變特性；文獻(xiàn)[67]提出了一種改進(jìn)的非平穩(wěn)信道模型并對(duì)參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，通過(guò)積分項(xiàng)的引入改善了時(shí)變多普勒頻率參數(shù)的不連續(xù)性。文獻(xiàn)[68]基于RT 技術(shù)，對(duì)毫米波頻段UAV 信道的參數(shù)進(jìn)行了分析，并研究了時(shí)延擴(kuò)展和離開(kāi)、到達(dá)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(shí)科學(xué)精準(zhǔn)地表征毫米波信號(hào)傳播特性和三維快速時(shí)變場(chǎng)景的非平穩(wěn)特性，合適的模型框架和參數(shù)演進(jìn)算法都至關(guān)重要。

4.3 大規(guī)模天線(xiàn)陣列三維波束跟蹤對(duì)準(zhǔn)

毫米波波束寬度隨著大規(guī)模天線(xiàn)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(duì)收發(fā)端的快速移動(dòng)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(guò)程，將毫米波三維波束動(dòng)態(tài)跟蹤與信道模型相結(jié)合，也是未來(lái)UAV 毫米波信道建模的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，針對(duì)搭載天線(xiàn)陣列的UAV 毫米波三維波束動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)已獲得研究人員的高度關(guān)注。例如，文獻(xiàn)[69]對(duì)UAV 通信場(chǎng)景下的毫米波波束跟蹤算法進(jìn)行了研究，通過(guò)量化空間角度并改進(jìn)正交匹配追蹤算法，在不提高系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下實(shí)現(xiàn)了頻譜效率的有效提升。文獻(xiàn)[70]提供了一種面向UAV 毫米波通信的波束對(duì)準(zhǔn)策略，通過(guò)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(dòng)，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(xiàn)[71]提出了一種基于高斯雙波束的波束對(duì)準(zhǔn)方案，并基于三狀態(tài)馬爾科夫鏈實(shí)現(xiàn)了信道建模，模型狀態(tài)連接比率與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有一致性。對(duì)大規(guī)模陣列天線(xiàn)及三維波束跟蹤對(duì)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(lái)信道建模中必不可少的環(huán)節(jié)。

5 結(jié)束語(yǔ)

UAV 毫米波通信作為未來(lái)極具潛力的通信技術(shù)，在空中基站、無(wú)線(xiàn)中繼、應(yīng)急通信以及戰(zhàn)場(chǎng)通信等方面得到了越來(lái)越多的關(guān)注。構(gòu)建精確符合真實(shí)場(chǎng)景的無(wú)人機(jī)毫米波信道模型，是實(shí)現(xiàn)高效可靠的無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，也是測(cè)試和評(píng)估通信系統(tǒng)的重要依據(jù)。本文提出了無(wú)人機(jī)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(jiàn)的無(wú)線(xiàn)信道建模方法，包括確定性和統(tǒng)計(jì)性建模方法的特點(diǎn)以及局限性。在此基礎(chǔ)上，分析比較了面向無(wú)人機(jī)場(chǎng)景的主流信道模型，并總結(jié)了未來(lái)值得深入研究的信道建模關(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)建立標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)人機(jī)毫米波信道模型提供了重要參考。