5G網(wǎng)絡(luò)中無人機-車輛非平穩(wěn)信道模型與統(tǒng)計特性分析*

張曉華，彭 小，黃 龍

(重慶市信息通信咨詢設(shè)計院有限公司，重慶 400065)

0 引 言

5G通信技術(shù)的出現(xiàn)，推動了無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)與車輛通信朝著數(shù)字化、智能化方向飛速發(fā)展，設(shè)備像物聯(lián)網(wǎng)一樣隨時隨地相互通信，收發(fā)端不再是固定在某個位置，而是有規(guī)則或無規(guī)則運動[1-2]。

自4G通信以來，主流信道模型研究基本都是基于三維建模的，在5G逐漸登上通信舞臺的同時，基于幾何隨機的三維無人機與車輛的信道模型研究是必不可少的。在文獻(xiàn)[3-8]的幾何隨機模型研究中，并沒有綜合地考慮一次散射、二次散射以及地面反射徑等其他路徑的疊加影響，并且某些模型忽視了根據(jù)信道環(huán)境合理設(shè)置散射體運動或靜止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致研究非平穩(wěn)特性時缺少散射體運動狀態(tài)的影響。

針對以往模型中收發(fā)端運動時速度大小和速度方向較為固定的不足，文獻(xiàn)[9]提出了一種發(fā)送端允許加速和曲線運動的三維非平穩(wěn)幾何隨機信道模型，并研究了相關(guān)統(tǒng)計特性；文獻(xiàn)[10]采用了高斯-馬爾科夫遷移率模型來模擬收發(fā)端速度和軌跡；文獻(xiàn)[11]提出了一種散射體以任意速度任意方向運動的非平穩(wěn)幾何隨機信道模型，并通過馬爾科夫生滅過程演進(jìn)散射體簇的變化；文獻(xiàn)[12]提出了基于無人機場景的任意軌跡無人機的非平穩(wěn)幾何隨機信道，并研究了不同速度方向角對無人機信道的影響。

綜上所述，以往無人機到車輛(Unmanned Aerial Vehicle to Vehicle,UAV-V)通信場景的非平穩(wěn)信道研究中，在信道建模方法上仍存在一些不足。因此，本文主要針對無人機到車輛非平穩(wěn)信道建模展開進(jìn)一步研究，主要貢獻(xiàn)如下：

(1)提出了一種基于橢圓-圓柱-半球幾何隨機非平穩(wěn)UAV-V信道模型——對于一次散射徑的散射體分布，使用同心橢圓面幾何隨機模型模擬；對于二次散射徑的散射體分布，使用了同心圓柱-同心半球體幾何隨機模型模擬，并且還使用了半球底面同心圓模型對地面一次反射分布進(jìn)行了模擬;

(2)基于所建立的模型，推導(dǎo)了空時相關(guān)函數(shù)(Space-Time Correlation Function,STCF)和多普勒功率譜密度(Doppler Spectral Density，DPSD);

(3)基于上述統(tǒng)計特性的表達(dá)式，對無人機到車輛信道統(tǒng)計特性以及信道非平穩(wěn)性進(jìn)行了仿真分析。

1 UAV-V非平穩(wěn)信道建模與統(tǒng)計特性

1.1 信道幾何模型描述

本文采用5G頻段，假設(shè)對城市場景中UAV-V通信系統(tǒng)建立信道模型。這里使用同心圓柱體來模擬無人機周圍散射體分布，使用同心半球體模擬車輛周圍散射體分布。該信道模型由視距與非視距分量組成，其中非視距分量由一次散射、二次散射和地面一次反射分量組成，通信系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 UAV-V通信系統(tǒng)

圖2為圖1中一次散射分量橢圓幾何分布在x-y平面的投影，投影圖中顯示了收發(fā)端速度方向、位置變化以及角度變化。

圖2 UAV-V一次散射x-y平面投影

圖3為圖1中二次散射徑的圓柱-半球幾何分布在x-y平面的投影，投影圖中顯示了收發(fā)端方向變化、角度變量的幾何關(guān)系和速度方向變化。

圖3 UAV-V二次散射徑x-y平面投影

1.2 信道參數(shù)描述

(1)

1.2.1 視距參數(shù)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2.2 一次散射分量參數(shù)

本節(jié)進(jìn)一步展開公式(1)中的一次散射分量沖激響應(yīng)，可表示為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

又由幾何關(guān)系可得

(18)

(19)

結(jié)合公式(16)～(19)可得

d(p,S(m,b))(t)=

(20)

d(q,S(m,b))(t)=

(21)

1.2.3 二次散射分量參數(shù)

(22)

(24)

d(q,S(m2,l2))(t))/λ。

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

同理，由幾何關(guān)系可得，l1同心圓柱面上的第m1個一次散射體位置矢量dS(m1,l1)(t)表示為

(34)

l2同心圓柱面上的第m2個一次散射體位置矢量dS(m2,l2)描述為

(35)

因此，由式(34)和式(35)可進(jìn)一步得出

(36)

(37)

(38)

d(S(m1,l1),S(m2,l2))≈d(p,q)(t)-

(39)

由式(25)與式(39)進(jìn)一步可得出

(40)

(41)

(42)

1.2.4 地面一次反射分量參數(shù)

(43)

(44)

(45)

(46)

1.3 UAV-V非平穩(wěn)信道統(tǒng)計特性

1.3.1 空時相關(guān)函數(shù)

公式(1)中hpq(t)的信道空時相關(guān)函數(shù)可表示為

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

(53)

(54)

(55)

(56)

1.3.2 多普勒功率譜密度函數(shù)

多普勒功率譜密度S(f,t)可由時間ACF的傅里葉變換推得。令δT=0，δR=0，式(47)中Rpq,p′q′(δT,δR,Δt,t)變?yōu)镽pq(Δt,t)。因此，DPSD表示為

(57)

2 仿真分析

系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)表

為了描述各徑分量的信道統(tǒng)計特性，本文各分量相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 各徑分量參數(shù)設(shè)置

圖4 不同天線仰角方位角非視距空間CCF絕對值

為了進(jìn)一步分析非視距分量空間CCF與收發(fā)端距離關(guān)系，本節(jié)將無人機位置分別設(shè)置為[100,0,200]，[200,0,300]，[200,500,300]，圖4給出了不同無人機位置下的空間CCF變化曲線，可以看出，收發(fā)端距離越大，視野越廣闊，非視距更接近視距情況，因此空間相關(guān)性越高。

圖5 不同無人機位置非視距空間CCF絕對值

圖6 無人機在不同方向移動的DPSD變化

圖7給出了各模型的時間ACF值隨著Δt變化曲線，其中包括本文非視距分量以及本文非視距下各分量、文獻(xiàn)[2]無人機非視距測量值和文獻(xiàn)[4，6]無人機到地模型。通過將本文模型與無人機測量模型的時間ACF進(jìn)行對比，結(jié)果表明，理論模型與真實測量模型ACF變化較為接近。同時，本文模型與文獻(xiàn)[6]模型對比發(fā)現(xiàn)，本文模型的變化趨勢與其較為相似，并且波動趨勢類似于一次散射徑的時間ACF波動趨勢。這是由于本文模型增加二次散射徑分量所致，同時一次散射徑分量所占比例要大于二次散射徑分量。本文模型與文獻(xiàn)[6]對比發(fā)現(xiàn)，本文模型的時間相關(guān)性明顯高于文獻(xiàn)[6]模型，且波動較為平緩。這是由于本文采用同心圓柱和半球體來模擬UAV-V信道環(huán)境中散射體分布，而文獻(xiàn)[6]僅考慮半球體模擬接收側(cè)散射體分布。綜上所示，鑒于本文模型在各模型中的優(yōu)越性，可以將其作為無人機與車輛非平穩(wěn)信道模型建模方案的參考。

圖7 不同模型的非視距時間ACF變化

3 結(jié)束語

本文基于UAV-V信道場景提出了一種新型UAV-V非平穩(wěn)信道模型。該模型考慮了無人機側(cè)和車輛側(cè)散射體不同分布狀態(tài)，使用橢圓面模擬一次散射中散射體分布，同心圓柱體來模擬無人機周圍散射體變化，同心半球體來對車輛周圍散射體進(jìn)行模擬。仿真結(jié)果表明，本文所建模型能夠較好地模擬UAV-V場景信道模型，為UAV-V非平穩(wěn)信道建模提供了新的理論參考。當(dāng)前移動到移動通信系統(tǒng)中，主要使用車輛、無人機作為收發(fā)端，未來可以考慮向衛(wèi)星或者新一代通信設(shè)備方向拓展，或者將研究環(huán)境設(shè)置得更為復(fù)雜。