校園無線信道衰減特性研究

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢 618307）

0 引言

無人機(jī)相比傳統(tǒng)飛機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、配置隨機(jī)、方便攜帶等［1］，因此在通信領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)無人機(jī)信道進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［2］研究了城郊場(chǎng)景下無人機(jī)空地信道統(tǒng)計(jì)模型，包括時(shí)延擴(kuò)展、路徑損耗、萊斯因子等，雖然實(shí)測(cè)了近城地區(qū)無線信道特性，但模型僅適用于較大場(chǎng)景；文獻(xiàn)［3］采用射線跟蹤方法，給出了視距路徑、一次散射路徑和二次散射路徑傳播損耗和相應(yīng)功率計(jì)算方法，該研究使用的射線追蹤方法基于確定建模方法，計(jì)算量較大；文獻(xiàn)［4］研究了改進(jìn)的SoS信道多種衰落因素，其中包括路徑損耗、陰影衰落等，但沒有進(jìn)行實(shí)際測(cè)試；文獻(xiàn)［5-6］均采用圓柱模型，模擬實(shí)際場(chǎng)景中的房屋、樹木等散射體，其中文獻(xiàn)［5］針對(duì)圓柱表面散射體均勻分布的特征，提出了單跳圓柱體散射模型，并研究了其空間統(tǒng)計(jì)特性；文獻(xiàn)［6］針對(duì)無人機(jī)雙圓柱3D-MI?MO 信道模型，進(jìn)行了確定性仿真與隨機(jī)性仿真，針對(duì)均勻分布這一特點(diǎn)采用隨機(jī)分布進(jìn)行改進(jìn)，但仍與實(shí)際環(huán)境存在差異，而且計(jì)算復(fù)雜度也較高?，F(xiàn)有研究采用不同的模型和計(jì)算方法研究無線信道特性，而本文采用統(tǒng)計(jì)性建模方法，研究中國(guó)民用航空飛行學(xué)院校園內(nèi)兩個(gè)常見場(chǎng)景（西區(qū)大操場(chǎng)、第三教學(xué)樓和后花園之間的林蔭道）信道衰減特性。相較于文獻(xiàn)［2-6］，本文計(jì)算方法簡(jiǎn)單、場(chǎng)景清晰、模型準(zhǔn)確，更具有代表性，可探究校園無人機(jī)常用場(chǎng)景無線信道特性，為通信系統(tǒng)信道估計(jì)、鏈路預(yù)算及系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)［7］。

1 無線信道特性

1.1 自由空間衰減與天線增益

無線通信系統(tǒng)性能取決于無線信道。視距傳播信道是一種比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，視距傳播時(shí)信道無障礙物阻擋，其衰減接近自由空間傳播。

信道研究時(shí)需慎重選擇天線，如小尺度時(shí)定向天線與全向天線的傳播特征可能存在差別。一般研究信道模型時(shí)最先考慮使用全向天線時(shí)的場(chǎng)景，同時(shí)考慮到全向天線不存在波束對(duì)準(zhǔn)問題以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，因此本文使用的是全向天線。

路徑損耗（Path Loss，PL）表示信號(hào)衰減程度值，單位為dB。包含天線增益的自由空間路徑損耗為：

不包含天線增益即假設(shè)天線具有單位增益，其路徑損耗為：

其中，f單位為MHz，d單位為Km。

當(dāng)頻率為1 600MHz、距離為1m 時(shí)，自由空間路徑損耗為36.5dB。

1.2 無線信道衰落特性

在研究無線信道特性時(shí)，可按照距離發(fā)射機(jī)一定距離的不同信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分成大尺度傳播模型與小尺度衰落模型。本文研究的無人機(jī)無線信道衰減特性屬于大尺度傳播模型中的一種——路徑損耗。

路徑損耗也稱作傳播損耗。信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨接收和發(fā)射之間距離變遠(yuǎn)而變?nèi)?。理想條件下，與發(fā)射機(jī)相同距離的接收機(jī)收到的信號(hào)應(yīng)相同，但是實(shí)際收到的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)有所波動(dòng)，文獻(xiàn)［8］認(rèn)為這是環(huán)境復(fù)雜度的影響。

通過實(shí)測(cè)研究表明，對(duì)于大多室內(nèi)外信道，接收信號(hào)平均功率與距離變化呈對(duì)數(shù)關(guān)系，所以對(duì)于任何距離都有平均大尺度路徑損耗，其公式為：

在WINNER 模型中式（3）可以表示為：

其中，β為路徑損耗指數(shù)，α為在參考距離處的衰減，通常α取1m 處的衰減，d是T-R 之間距離。

β值大小取決于特定傳播環(huán)境，不同的環(huán)境β值也不同，且空間中有阻擋物時(shí)β變大，一般而言自由空間中傳播時(shí)β為2。在建筑物內(nèi)無阻擋視距傳播時(shí)β值為1.6～1.8，被建筑物阻擋時(shí)β值可達(dá)到4～6。在無人機(jī)信道方面，通常認(rèn)為無人機(jī)統(tǒng)計(jì)信道路徑損耗因子n值范圍為1～4。在山地和丘陵地帶無人機(jī)通信信道β值為1～1.8［9］，蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間無人機(jī)通信信道β值為2～3.7［10］。

2 信道模型

無線信道模型根據(jù)使用情況不同大致可以分成兩類。確定性信道模型由于計(jì)算量大，通常用于研究信道小尺度衰落特性，而統(tǒng)計(jì)性信道模型則側(cè)重于研究大尺度傳播特性。所以本文針對(duì)校園無人機(jī)無線信道衰減特性，采用統(tǒng)計(jì)性建模。

統(tǒng)計(jì)性建模也稱為參數(shù)建模，需對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，擬合出測(cè)量數(shù)據(jù)方差、期望等。已有研究通過對(duì)這些統(tǒng)計(jì)量分析得出公式，用于實(shí)際場(chǎng)景。例如，針對(duì)無人機(jī)信道模型而言，文獻(xiàn)［11］基于俯角建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑損耗與陰影效應(yīng)的估計(jì)；文獻(xiàn)［12］根據(jù)無人機(jī)飛行路徑，收集方位角與俯仰角用于無人機(jī)信道建模；文獻(xiàn)［13］將無人機(jī)基站-地通信信道路徑分為直射、反射和散射3 種路徑進(jìn)行建模。綜合現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)無線信道進(jìn)行描述時(shí)，采用不同的建模方法對(duì)同一信道特性研究，結(jié)果不盡相同［14］。

對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型進(jìn)行大量測(cè)試，得出適合于室內(nèi)或室外信道是最具代表性且較為簡(jiǎn)單的模型［15］。根據(jù)式（4）可得：

由上所述，α是收發(fā)之間1m 距離時(shí)自由空間的衰減，在1.6GHz 時(shí)α=36.5dB。β為路徑損耗因子，Xσ為零均值的高斯分布隨機(jī)變量標(biāo)準(zhǔn)差σ，它們單位也是dB。β和σ可以根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)使用線性回歸得到。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

3.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)發(fā)射端采用的是ADF4351-PLL 模塊，并接有20dB 的放大器，接收端采用Anritsu 頻譜儀。本文測(cè)量平臺(tái)測(cè)試參數(shù)如表1 所示。

Table 1 Test parameters表1 測(cè)試參數(shù)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示，場(chǎng)景測(cè)量如圖2 所示。

3.2 信道模型參數(shù)

本文采用統(tǒng)計(jì)性信道模型，數(shù)據(jù)處理采用最小二乘估計(jì)法。通過最小誤差平方和求出最佳函數(shù)匹配，將殘差平方和最小化［16］。

實(shí)驗(yàn)選取開闊地帶與樹木遮擋地帶兩種場(chǎng)景進(jìn)行建模。信道測(cè)量中需獲得各接收端位置、高度及功率信息。

由位置及高度信息即可獲得T-R 距離d，確定一系列散點(diǎn)，根據(jù)式（5）可知，只需選取適當(dāng)?shù)木嚯xd0，即可得到α和β；然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理并擬合可得到估計(jì)值與實(shí)測(cè)數(shù)值誤差平方和最小的1 條直線，找到最小的β；最后計(jì)算出Xσ，并對(duì)這些值進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)服從期望為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的正態(tài)分布。

Fig.1 Test scenario圖1 測(cè)試場(chǎng)景

Fig.2 Open and tree sheltered areas圖2 開闊地帶和樹木遮擋地帶場(chǎng)景

4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

本文采用1.6GHz 頻點(diǎn)，選擇校園操場(chǎng)與校園后花園林蔭道為測(cè)量場(chǎng)地，通過統(tǒng)計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算各場(chǎng)景路徑損耗，從而得出與距離的關(guān)系，建立大尺度路徑損耗模型。

4.1 開闊地帶信道建模

開闊地帶是以校園操場(chǎng)為測(cè)量場(chǎng)地［17］。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試了10 組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)隨距離發(fā)生變化，如圖3 所示。

Fig.3 Open area scene measurement results圖3 開闊地帶場(chǎng)景測(cè)量結(jié)果

數(shù)據(jù)擬合后所得路徑損耗模型用實(shí)線表示，自由空間損耗模型用虛線表示，菱形表示采集的樣本點(diǎn)，如圖4 所示。為與自由空間形成明顯對(duì)比，本文將擬合數(shù)據(jù)與自由空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，均采用36.5dB 作為擬合直線起點(diǎn)。

Fig.4 Path loss of open ares圖4 開闊地帶場(chǎng)景路徑損耗

由圖4 可以看出其擬合直線并不完全符合自由空間傳播損耗，所以需要對(duì)其信道模型進(jìn)行分析，由圖4 可以看出，作為同一起點(diǎn)的兩條直線，虛線在實(shí)線下方，即代表開闊地帶模型直線斜率大于自由空間損耗模型斜率。所以操場(chǎng)無線信道路徑損耗因子大于2，而由計(jì)算可知，校園操場(chǎng)路徑損耗因子β=2.664 與圖4 規(guī)律相符，當(dāng)d0=1m 時(shí)，α為36.5。

所以校園操場(chǎng)無人機(jī)路徑損耗衰減指數(shù)模型為：

通過計(jì)算可得校園操場(chǎng)場(chǎng)景下標(biāo)準(zhǔn)差σ=3.882 8。

4.2 樹木遮擋地帶信道建模

樹木遮擋地帶是常用的場(chǎng)景之一，如林蔭小道，是社會(huì)大眾必要的生活區(qū)域，所以本次實(shí)驗(yàn)以校園后花園林蔭道為測(cè)量場(chǎng)景，測(cè)量結(jié)果如圖5 所示。

Fig.5 Scene measurement results in tree sheltered areas圖5 樹木遮擋地帶場(chǎng)景測(cè)量結(jié)果

同樣，將兩直線起點(diǎn)同設(shè)為36.5dB 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得校園林蔭道路徑損耗模型，擬合模型直線、自由空間衰減模型直線、樣本點(diǎn)，如圖6 所示。

由圖6 可看出，實(shí)線代表的校園林蔭道路徑損耗相較于自由空間損耗偏大，即林蔭道損耗n＞2，對(duì)校園林蔭道場(chǎng)景進(jìn)行模型計(jì)算，可得其路徑損耗因子β=2.812，當(dāng)d0=1m時(shí)，α為36.5。

所以校園林蔭道路徑損耗衰減模型為：

通過計(jì)算可得校園林蔭道場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)差σ=3.277 3。

Fig.6 Path loss of campus avenue圖6 校園林蔭道場(chǎng)景路徑損耗

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比兩種場(chǎng)景可知路徑損耗因子隨阻擋物的增多而增大，開闊地帶路徑損耗因子值n=2.664，林蔭道路徑損耗因子值n=2.812，n 值所屬范圍符合機(jī)載通信信道傳播規(guī)律，證明本文實(shí)驗(yàn)有效。因此這兩種模型可很好地模擬校園內(nèi)機(jī)載天線信號(hào)傳輸情況。在無人機(jī)情況下，開闊地帶LOS 場(chǎng)景與林蔭道的衰減大于自由空間情況，可能與天線波束對(duì)準(zhǔn)有關(guān)。雖然收發(fā)使用的是全向天線，但是天線有3dBi 的增益，天線方向圖不是理想的圓形，如圖7 所示，在天線方向圖（pattern）中接收和發(fā)射兩天線增益最高點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)難度很大，大概率是在增益較低點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，但增益較低點(diǎn)增益無法確定；而計(jì)算Pathloss 時(shí)采用的是天線增益確定的點(diǎn)，即增益最高點(diǎn)，因此導(dǎo)致最后處理時(shí)Path loss 偏高，從而導(dǎo)致β偏大。

對(duì)于以上天線增益最高點(diǎn)難以對(duì)準(zhǔn)的難題，建議改進(jìn)方式為在接收端用增益已知的細(xì)波束掃描，以觸發(fā)射端天線最高增益點(diǎn)，同時(shí)在接收端每個(gè)掃描波束接收1 個(gè)相應(yīng)強(qiáng)度的信號(hào)（見圖8），在這些信號(hào)中選取最大數(shù)據(jù)作為波束對(duì)準(zhǔn)情況下的接收數(shù)據(jù)，此時(shí)認(rèn)為發(fā)射和接收均為天線增益最高點(diǎn)，可確定計(jì)算Pathloss 時(shí)收發(fā)天線增益，解決波束對(duì)準(zhǔn)的問題。因此，下一步將在接收端采用波束掃描的方式研究衰減影響。

Fig.7 Antenna pattern alignment at low gain point圖7 天線方向圖（pattern）在增益較低點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)

Fig.8 Beam scanning圖8 波束掃描