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无人机通信信道模型仿真分析

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 【摘要】 本文首先分析了无人机通信的特点,然后从统计模型和非统计模型两个角度对无人机的信道进行分析,研究了以莱斯衰落模型为代表的统计衰落模型,提出了一种新的莱斯仿真模型的算法;最后对无人机通信信道进行非统计模型建模分析,并以两径模型为例进行仿真,结果表明不管是改变地面天线高度还是改变无人机飞行高度,只能改变深衰落区的位置,不能避免深衰落的发生。
  【关键词】 莱斯衰落 瑞利衰落 散射
  一、引言
  无人机[1](UAV,Unmanned Aerial Vehicle)是一种机上无人驾驶、可重复使用的航空器简称。与传统卫星通信和移动通信相比,无人机通信具有三个特点:
  1)信号动态变化范围大;
  2)多普勒频移大;
  3)电磁干扰比较强。
  无人机通信系统属于无线通信,其电波在无线信道中的反射、散射和绕射等特点,使得发射机和接收机之间存在多条传播路径,并且每条路径的传播时延和衰落因子都是时变的,造成了接收信号的衰落,因此多径衰落是无人机通信信道的主要特点。
  无线信号随接收机与发射机之间的距离不断变化即产生了衰落,根据发送信号与信道变化快慢程度的比较,信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。其中信号强度曲线的中直呈现慢速变化称为慢衰落,曲线的瞬时值呈快速变化,称快衰落。
  快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落,快衰落反映的是瞬时值,慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。无人机与主控站间的通信信道可以分成两种情况:当无人机通信仰角较小时,信道为快衰落信道,直射径功率较小;当无人机通信仰角较大时,信道为慢衰落信道,直射径功率较大。
  在无人机通信中,无人机与主控站之间属于莱斯(Rice)衰落信道[2],莱斯衰落信道的特点是信道中存在直视波分量,接收信号是由直视波分量和散射分量叠加而成的一种情况,散射信道是由许多相互独立且服从正态分布的随机信号组成,属于一种统计模型。
  下面将从统计模型和非统计模型两个角度对无人机的信道进行分析。
  二、信道模型建立与分析
  2.1 统计衰落模型建立
  一般传统的莱斯衰落信道模型具有广义非静态特性,导致仿真结果与理论结果出现较大偏差,模型计算量和存储空间要求比较大,硬件实现困难,因此本节提出了一种新的莱斯衰落信道仿真模型,使其更加高效,并具有广义静态特性。
  基于文献[4]中给出的Rayleigh衰落信道的仿真模型[4],Rice仿真模型可以表示为:
  2.2非统计衰落模型建立
  多径传输可归纳为两种类型:一种是直射波与反射波形成的多径;另一种是低空大气层大气效应造成的多径,一般第一种是主要因素,但当地面反射波强度很微弱时,第二种多径影响就将成为主要因素。
  下图1是无人机通信的模型。
  其中Фi为第i-1条散射路径信号与直射信号的相位差,P0-i第i路散射路径信号合成后的合成功率。
  三、仿真分析及结论
  基于图1的无人机通信的模型,以两径为例进行仿真。假设辐射功率为50dB,分两路输出,收发天线增益均为30dB,频率为1.25GHz,散射点的散射系数为1,散射点有效接收面积为1。
  发射机的位置为(0,0,0),散射点的位置(10000,2000,1000),接收机用的坐标随时间变化(18000+i,6000+0.5*i,1000+0.2*i)。
  利用MATLAB对两径传播模型进行仿真,图2是无人机飞行高度为2000m时,地面发射天线高度分别为1.5m、3m和4.5m时无人机系统在两径传播模型空间传播损耗曲线。图3是地面发射天线天线高度3m时,无人机飞行高度分别为1500m、2500m和3500m时无人机系统在两径传播模型空间传播损耗曲线。
  由图2和3可知,在无人机飞行过程中,无人机与地面天线不同距离时存在不同程度的深衰落区域,无论改变地面天线高度还是改变无人机飞行高度,只能改变深衰落区的位置,并不能避免深衰落的发生。
  参 考 文 献
  [1] Paul,Thomas著,吴汉平等译,无人机系统导论 (第二版) ,北京:电子工业出版 社,2003
  [2] Niji Youssef, Chengxiang Wang, Matthias Patzoldt,etc. On the Statistical Properties of Generalized Rice Multi-path Fading Channels [C]. IEEE Conference on Vehieular Technology, 2004,l:162~165
  [3] Jakes W C.Microwave Mobile Communications[M]. Piseataway,NJ:IEEE Press, 1994
出处:中国新通信作者:张巍 段冀新 巩朝阳 谢小芳 转载请注明来源。原文地址:http://m.lw54.com/20161026/6438992.html