變電站內(nèi)5G終端通信信道建模與分析

李 歡，許 越，孟凡博，任 帥，李海軍，龐曉靜

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院,沈陽 110000； 2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司智網(wǎng)創(chuàng)新中心，北京 100000；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽 110000； 4. 北京電信規(guī)劃設計院有限公司，北京 100000)

0 引 言

對變電站中電力設備的巡檢至關重要[1-2]，許多巡檢技術(shù)被引進，如高清視頻監(jiān)控[3]、無線射頻識別(Radio Frequency Identification Devices，RFID)技術(shù)[4]、無人機巡檢[5]和巡檢機器人[6]等。一臺智能巡檢機器人可搭載眾多設備，不到1小時即可完成所有巡檢工作。

光纖是最靠譜的通信方式[7]，但移動的機器人無法使用光纖通信。目前巡檢機器人一般使用無線局域網(wǎng)(Wireless Fidelity，WiFi)，可完成普通巡檢任務[8]，但WiFi不能滿足復雜巡檢任務的要求[9]。第五代移動通信(5th-Generation，5G)技術(shù)的高速率低時延能充分發(fā)揮機器人的能力，出色完成巡檢任務[10]。

信道特性影響通信系統(tǒng)的性能，故需要分析5G機器人的通信信道特性并建立準確的信道模型。主流信道建模方法分為3種：射線追蹤法[11]、統(tǒng)計法[12]和隨機幾何法[13]。射線追蹤法基于實際傳播環(huán)境，用麥克斯韋公式推導信號增益表達式；統(tǒng)計法是根據(jù)實測數(shù)據(jù)，運用最小二乘法擬合出信號增益表達式；本文采用隨機幾何法，根據(jù)幾何模型推導增益表達式，可分為二維(Two-Dimension，2D)模型[14-15]和三維(Three-Dimension，3D)模型[16-17]建模法。

本文選取偏僻的變電站，可忽略外部散射體對信道的影響，其中5G基站位于巡檢區(qū)域的中心位置?；竞蜋C器人不在一個水平面，故需要建立3D模型。為提高通信質(zhì)量，將多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)應用于機器人。針對不同的場景環(huán)境，改變?nèi)R斯因子，分析變電站場景下巡檢機器人的5G通信信道的自相關和互相關特性。

1 巡檢機器人5G通信信道模型

圖1所示為本文所述的變電站場景下5G巡檢機器人的通信信道模型圖。建立相關的3D坐標系，以地面為x和y軸所在的平面。由于變電站位置偏僻，周圍沒有什么高大樹木和建筑物，散射主要來自變電站內(nèi)的物體。變電站內(nèi)有一建筑物的墻(圖中陰影部分)，長為L，高為4米。墻上有無數(shù)個散射體S，坐標為(x,W,z)。5G巡檢機器人待巡檢的區(qū)域是寬為W的矩形區(qū)域(圖中僅僅畫出長為L的部分)。5G巡檢機器人M的坐標為(D,0,0)，且運動方向為x軸的正方向，速度為v。5G基站在高為H的桿塔上，坐標為(L/2,W/2,H)，5G巡檢機器人M與墻的水平垂直距離為W。5G巡檢機器人上配備有均勻線性天線陣列，有K個天線單元，陣列與x軸的夾角為θ，天線單元的間距分別為δ。第k(k=1,…,K)個發(fā)射天線單元Ak到基站的直線距離為dBk。基站到散射體S的直線距離為dBS，散射體S再到第k個天線單元的直線距離為dSk。5G巡檢機器人M與5G基站B的通信路徑分為兩種：一是直射徑(Line of Sight,LOS)；二是經(jīng)過墻上散射體的散射路徑。5G巡檢機器人M到5G基站的LOS路徑的方位角為αB，仰角為βB。散射體S到5G巡檢機器人M的散射路徑的方位角為αS，仰角為βS。

圖1 機器人通信信道模型

式中：C為信道的萊斯因子，為LOS與散射路徑的功率之比；e為常量；λ為5G頻段下信號的波長；j為虛數(shù)單位；fLOS為因5G巡檢機器人的移動導致的直射路徑上的多普勒頻移。

式中：n為散射體的序號；N趨于無窮，表示散射體數(shù)量無窮大；φ為隨機相量，一般認為服從0～2π的均勻分布；fS為因5G巡檢機器人的移動導致的散射路徑上的多普勒頻移。

根據(jù)空間幾何理論，dBk、dBS以及dSk的大小與LOS的方位角αB和仰角βB以及散射徑的方位角αS和仰角βS相關。而這些方位角和仰角又與終端M的坐標、5G基站坐標以及散射體的坐標相關，可以根據(jù)空間幾何方法推導出相關的表達式，因篇幅問題在此省略，具體的計算方法可參考文獻[13]和[16]。

2 空間-時間相關函數(shù)

式中，p(x)和p(z)分別為散射體在x和z坐標上的概率密度分布函數(shù)。

3 相關函數(shù)數(shù)值仿真與分析

根據(jù)第2節(jié)推導的ST-CF模型，對信道特性進行理論分析，采用Matlab軟件進行數(shù)值仿真。

終端M到基站B的通信路徑包含LOS路徑和散射路徑，散射體主要來自墻，墻上散射體的坐標為(x,W,z)，x與z的取值決定了散射路徑的方位角和仰角。因為建筑物的墻表面平整，沒有凸出部分，所以x與z的概率密度分布可取均勻分布。

x的概率密度分布函數(shù)為p(x)=1/L,0

圖2所示為5G巡檢機器人與5G基站通信信道的ACF圖。信道的自相關特性具有震蕩性，隨著標準時間間隔的增大，ACF從1逐漸震蕩到0。4個標準時間間隔后，ACF在0附近小幅震蕩。因為本例的萊斯因子較小(對應著LOS被嚴重遮擋的情況)，C只取了0.05，所以通信信道的自相關特性會隨著標準時間間隔的增大而趨于0。

圖2 信道自相關特性

圖3所示為5G巡檢機器人與5G基站的通信信道的CCF圖。信道也具有一定的震蕩性，與信道的自相關特性相似。隨著天線單元間距的增大，信道的空間互相關特性也從1逐漸趨于0，并在0附近小幅震蕩。同樣，因為萊斯因子取值較小，所以互相關特性最終才會在0附近震蕩。

圖3 信道互相關特性

為研究萊斯因子C的大小對信道的影響(即信道遮擋的嚴重性對信道的影響)，選取C分別為0、1、3和10這4種情況，其他參數(shù)不變。根據(jù)第2節(jié)推導的信道模型，作出相應的仿真圖，如圖4和5所示。觀察分析C=0、1、3和10的4張圖，由圖4可知，C越大，ACF曲線震蕩越明顯，振幅越大；只要C不為0，ACF曲線最終都不會趨于0，而是基于一定的振幅而不斷振蕩。由圖5可知，CCF曲線的震蕩與ACF相似，只要C不為0，CCF曲線最終就不會趨于0；C越大，穩(wěn)定后振蕩的振幅越大。

圖4 不同萊斯因子下的信道ACF

圖5 不同萊斯因子下的信道CCF

綜合以上分析可知，C對信道的相關性影響巨大，為提高信道通信的質(zhì)量，應盡量保證5G基站與5G巡檢機器人的通信存在LOS。

4 結(jié)束語

針對變電站位置偏僻和站外樹木建筑物稀少的特點，結(jié)合變電站內(nèi)巡檢區(qū)域和機房的特點，本文建立了5G巡檢機器人通信的3D信道模型。根據(jù)幾何分析法，推導出了信道的ACF和CCF公式，并采用Matlab軟件工具作出相應的仿真，分析了標準時間間隔對ACF的影響，以及天線單元的間距對CCF的影響。由于變電站內(nèi)巡檢區(qū)域的電力設備會對5G基站和巡檢機器人之間的通信造成遮擋，必須考慮萊斯因子對信道的影響。選取不同的萊斯因子作仿真分析，對比不同萊斯因子下信道的ACF和CCF可知，萊斯因子越大，信道的相關性越大，無線通信質(zhì)量越好。本文針對變電站場景內(nèi)5G巡檢機器人的通信信道建立3D模型，分析信道的相關特性，擴寬了5G+機器人在變電站內(nèi)的應用研究。