无人机通信信道模型仿真分析

无人机通信信道模型仿真分析【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，UnmannedAerialVehicle）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]NijiYoussef，ChengxiangWang，MatthiasPatzoldt，etc.OntheStatisticalPropertiesofGeneralizedRiceMulti-pathFadingChannels[C].IEEEConferenceonVehieularTechnology