復(fù)雜低空空地?zé)o線信道測量與分析

關(guān)鍵詞：信道測量；復(fù)雜低空；均方根時延擴(kuò)展；萊斯?fàn)艘蜃?/p>

中圖分類號：ＴＮ９２９．５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．３３

０引言

中小型無人機(jī)具有體積小、隱蔽性強(qiáng)、操作簡單、效費(fèi)比高等特點(diǎn)［１］，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在交通執(zhí)法過程中，中小型無人機(jī)通過系統(tǒng)管控平臺實(shí)現(xiàn)自動懸停變焦，拍照取證處理違章、違法行為［２］；在戰(zhàn)爭中，中小型無人機(jī)攜帶多種傳感器和通信設(shè)備，在目標(biāo)信息提供和制導(dǎo)服務(wù)等方面發(fā)揮了顯著效果，中小型無人機(jī)低空通信在民用和軍事領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用［３］。不同于高空通信場景［４］，低空通信具有距離地面較近，附近山丘、地形凸起，建筑物以及樹木反射體、障礙物多等特點(diǎn)［５］，導(dǎo)致視距鏈路衰減，反射體增加，多徑效應(yīng)明顯，低空空地信道特性更加復(fù)雜多變。因此，在構(gòu)建復(fù)雜低空空地?zé)o線信道模型時，分析時延擴(kuò)展和萊斯?fàn)艘蜃拥刃诺捞匦允侵陵P(guān)重要的。對這些特性的準(zhǔn)確把握是提高中小型無人機(jī)在復(fù)雜低空長距離通信方面可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

近年來，通過信道實(shí)測研究低空空地?zé)o線信道特性成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)［６１５］。美國國家航空航天局［６８］基于Ｌ波段和Ｃ波段對海域、郊區(qū)、丘陵、山脈、城市５種場景進(jìn)行了多次實(shí)地低空信道測量活動，并對多徑分量、時延擴(kuò)展等信道特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)信道的散射多徑分量在低空場景下存在隨機(jī)性和明顯間歇性。文獻(xiàn)［９ １０］在由中低高度的建筑、開闊的草地、樹木、道路和湖泊組成的郊區(qū)場景下，選取水平距離為１００～５００ ｍ 的位置，使用中小型無人機(jī)進(jìn)行了低空空地信道測量，并根據(jù)測量結(jié)果分析了信道均方根時延擴(kuò)展（ｒｏｏｔ ｍｅａｎｓｑｕａｒｅｄｅｌａｙｓｐｒｅａｄ，ＲＭＳ-ＤＳ）、萊斯?fàn)艘蜃拥刃诺捞匦?。文獻(xiàn)［１１］分別在地形平坦和單層住宅組成的城市場景以及僅有小于２ ｍ 的高灌木、樹葉和山體組成的郊區(qū)場景下，進(jìn)行水平距離１７５～１８０ｍ的低空無人機(jī)無線信道測量活動，并基于測量數(shù)據(jù)分析了信道多徑小尺度衰落特性。文獻(xiàn)［１２ １３］對只有高度為１５ｍ的建筑物遮擋的開闊半城市場景下，選取水平距離３５０ｍ 位置，分別進(jìn)行了１ＧＨｚ、４ＧＨｚ、１２ＧＨｚ、２４ＧＨｚ４ 種頻率的空地信道測量，并基于信道測量數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了經(jīng)驗建模，分析了該信道的路徑損耗、陰影衰落、小尺度衰落，提出了一種新的陰影衰落自相關(guān)模型，并發(fā)現(xiàn)對數(shù)邏輯分布是最適合用來描述小尺度衰落的分布。文獻(xiàn)［１４］在３．９ＧＨｚ頻率下選取水平距離為８５ ｍ，場景特點(diǎn)為開放、建筑密度低、高度低的郊區(qū)場景進(jìn)行了信道測量，分析了信道的路徑損耗、ＲＭＳ-ＤＳ、多徑數(shù)量受周圍環(huán)境的影響等特性。文獻(xiàn)［１５］設(shè)計了一款可供無人機(jī)攜帶的簡易軟件無線電平臺探測儀，由無人機(jī)實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)射，地面進(jìn)行接收的形式為在１．２～６ＧＨｚ頻率下選取水平距離５００ｍ，對場景由大量的樹木、草坪和建筑物組成的信道進(jìn)行測量，并根據(jù)實(shí)測信道數(shù)據(jù)提取原始的沖激響應(yīng)，重構(gòu)出更加實(shí)用的信道沖激響應(yīng)，對信道測量的路徑損耗、信道延遲等參數(shù)進(jìn)行了驗證。文獻(xiàn)［１６］對地下空間隧道和房柱場景這種特殊的無線通信場景進(jìn)行水平距離為２００ ｍ 的信道測量與建模，并通過最小均方誤差準(zhǔn)則進(jìn)行模型驗證，發(fā)現(xiàn)相對于３．５ＧＨｚ頻段的信道，２．５ＧＨｚ頻段信道的ＲＭＳ-ＤＳ更大。相對于地下房柱場景，隧道場景的多普勒功率譜更加集中，且有明顯峰值出現(xiàn)。文獻(xiàn)［１７ １９］基于Ｌ波段和Ｃ波段對海域、郊區(qū)、丘陵、山脈、城市５種場景進(jìn)行多次實(shí)地低空信道測量，并根據(jù)信道測量的數(shù)據(jù)對低空信道的多徑分量、時延擴(kuò)展等信道參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)信道的散射多徑分量在低空場景下存在隨機(jī)性和明顯間歇性。

綜上所述，目前低空無線信道測量選取的水平距離均不超過５００ｍ，場景相對較為寬闊且障礙物較少。然而，在由高山、中低層建筑、非開闊樹木和道路等復(fù)雜障礙物組成的低空場景下［２０］，對大于５００ ｍ 水平長距離的低空空地?zé)o線信道的測量分析研究尚未被發(fā)現(xiàn)。因此，本文在無線電頻率劃分規(guī)定下選擇了３種場景（即水平距離分別為２.５ｋｍ、４．５ｋｍ 和５．４ｋｍ），并在２.４ＧＨｚ頻率下進(jìn)行了實(shí)際信道測試活動，以獲取信號幅度分布情況及多徑個數(shù)與比例分布情況，基于信道數(shù)據(jù)研究分析了ＲＭＳ-ＤＳ和萊斯?fàn)艘蜃拥睦鄯e分布函數(shù)擬合情況。同時，基于抽頭延時線（ｔａｐｐｅｄｄｅｌａｙｌｉｎｅ，ＴＤＬ）模型與實(shí)際測試數(shù)據(jù)構(gòu)建出復(fù)雜低空空地?zé)o線信道模型，并提供仿真建模時調(diào)整信號參數(shù)的方法。該項工作可為提升中小型無人機(jī)在復(fù)雜低空場景中的通信性能奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

１復(fù)雜低空無線信道實(shí)測

１．１測量系統(tǒng)及方法

本文采用基于軟件無線電的收發(fā)機(jī)，并通過滑動相關(guān)法進(jìn)行信道估計，完成信道測量。系統(tǒng)參數(shù)如表１所示，信道收發(fā)鏈路示意圖如圖１ 所示，其中接收機(jī)是ＡＤ９３６１ 和現(xiàn)場可編程門陣列（ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）架構(gòu)的軟件無線電接收機(jī)。發(fā)射端對已知偽噪聲（ｐｓｅｕｄｏｎｏｉｓｅ，ＰＮ）序列進(jìn)行正交相移鍵控（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｋｅｙｉｎｇ，ＱＰＳＫ）調(diào)制并由天線發(fā)送，通過網(wǎng)線直接將ＡＤ９３６１輸出的下變頻數(shù)據(jù)保存到上位機(jī)，之后由軟件接收程序進(jìn)行處理。接收端完成匹配濾波與同步，并與本地ＰＮ 序列進(jìn)行滑動相關(guān)來估計信道的沖激響應(yīng)。

１．２測量場景描述

實(shí)測活動在一郊區(qū)靠近山體區(qū)域進(jìn)行，測量場景如圖２所示。直線距離為２０ｋｍ，有麥田、居民區(qū)和來往車輛的公路，其中山脈是最大的反射體，其余障礙物為不同的散反射體，本文選用的低空測試場景具有復(fù)雜性和代表性。在測試過程中，使用無人機(jī)搭載發(fā)射天線，將上升到離地面１００ｍ高度的低空空域作為發(fā)射端搭載平臺，海拔６３２ ｍ，并使用ＡＤ９３６１＋ＦＰＧＡ 架構(gòu)的軟件無線電作為接收端搭載平臺，采用全向天線進(jìn)行信道實(shí)地測量。本文選取了水平距離分別為２．５ｋｍ、４．５ｋｍ、５．４ｋｍ 的３個場景進(jìn)行分析。其中２．５ｋｍ 處的接收機(jī)前方有矮樹木遮擋，背后距墻１．５ｍ，且靠近村落，海拔４４３ｍ，信號散反射主要受到矮樹木、建筑物和山脈的影響。收發(fā)高度差為１８９ｍ。４．５ｋｍ 處的接收機(jī)位于非常空曠的麥田中，海拔５４９ ｍ，信號散反射主要受山脈、建筑物的影響，視距無遮擋，收發(fā)高度差為８３ｍ。５．４ｋｍ處的接收機(jī)位于一村莊附近，海拔為４６５ｍ，信號散反射主要受到山脈、周圍麥田、建筑物和行駛在公路上的車輛等因素影響，視距在一定程度上受到樹木遮擋，收發(fā)高度差為１６７ｍ。

１．３測量結(jié)果分析

在３個場景下，根據(jù)算法１實(shí)測步驟分別獲得１０００組信道測量數(shù)據(jù)，并對信道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。通過此過程，得到了３種場景的信道幅度顏色圖，如圖３所示。其中，狓軸表示時延，狔軸表示信道測量次數(shù)，用顏色表示幅度的大小。從圖３中可以看出，在收發(fā)水平距離為２．５ｋｍ 的低空空地?zé)o線信道中，存在較多的稀疏多徑現(xiàn)象，４徑出現(xiàn)的概率比其他徑高；而在收發(fā)水平距離為４．５ｋｍ 的低空空地?zé)o線信道中，主要為２徑出現(xiàn)，其他徑出現(xiàn)概率較??；最后，在收發(fā)水平距離為５．４ｋｍ 的低空空地?zé)o線信道中，多徑個數(shù)分布在３～６之間。進(jìn)一步分析信道多徑比例，如算法１所示。

經(jīng)過信道測量，統(tǒng)計了３ 個場景下每次信道測量多徑個數(shù)的分布情況，并對可能出現(xiàn)的多徑個數(shù)進(jìn)行比例計算。根據(jù)表２所示數(shù)據(jù)可知，在收發(fā)距離為２．５ｋｍ 的低空空地?zé)o線信道中，多徑個數(shù)為４的概率最高，達(dá)到３０．８％，主要多徑個數(shù)集中在３～５之間；而在收發(fā)距離為４．５ｋｍ 的低空空地?zé)o線信道中，多徑個數(shù)以２ 出現(xiàn)的概率最高，達(dá)到６２．５％；在收發(fā)距離為５．４ｋｍ 的低空空地?zé)o線信道中，多徑個數(shù)以４出現(xiàn)的概率最高，達(dá)到２３．５％。

作者簡介

于坤燦（１９９７—），女，碩士研究生，主要研究方向為無線通信、航空通信。

向新（１９７４—），男，教授，博士，主要研究方向為無線電通信、機(jī)器學(xué)習(xí)、信號識別、信號處理。

董鵬宇（１９９５—），男，博士研究生，主要研究方向為無線信號處理識別。

王鵬（１９９６—），男，博士研究生，主要研究方向為無線信號處理識別。