【《空地链路损耗模型分析综述》7100字】

空地链路损耗模型分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u130921.1链路总损耗 1293441.2路径概率 2111361.1.1视距和非视距路径 3253651.1.2反射和绕射路径 4320441.3路径损耗 5302261.3.1统计性模型 5227331.3.2半确定性模型 91.1链路总损耗城市场景下的无人机空地链路传输损耗不仅与信号频率、传播距离有关，还与天气环境、楼房高度密度等有着密切的关系。无人机与地面移动端的通信链路传播场景如图2-1所示，其中hUAV为无人机有效高度，hGT为地面移动端有效高度，d为无人机与地面移动端之间的水平距离。图2-1无人机空地链路传播场景为了计算空地链路损耗，在仅考虑室外传播场景的情况下，UAV通信链路的可靠性和稳定性可以通过视距路径进行提高，但是伴随着UAV的自身高度变化和周围场景的改变，会发生传播路径受阻的情况，所以把各种传播路径归纳分为两类情况：直射为视距LoS（LineofSight）传播，遇到障碍物时为非视距NLoS传播。不同路径所对应的发生概率和损耗由于不同场景会产生变化，链路总损耗由这两部分组合而成，其预测计算模型如下（2-1）式中Lout为总传播损耗，LLoS和LNLoS分别为视距和非视距情况下的传播损耗，PLoS和PNLoS分别为UAV与地面移动端之间存在LoS和NLoS的概率。进一步，可将NLoS路径改进分为反射REF（reflection）和绕射DIFF（diffraction）情况，则损耗计算模型变化为如下（2-2）式中LREF和LDIFF分别为反射和绕射情况下的传播损耗，PREF和PDIFF分别为UAV与地面移动端之间存在REF和DIFF的概率。1.2路径概率空地链路场景传播路径概率由于与许多因素密切相关，故使用统计性模型进行理论分析较为困难，综合众多条件并考虑不同路径概率对传播损耗的随机影响，使用实际数据拟合的确定性模型进行分析。在确定性模型中，射线追踪法（RayTracing）所构建的模型具有高精确性和高准确性的特点，能对实际场景有更准确的还原。该方法基于几何光学(GeometricalOptics，GO)理论，通过预测已知电磁环境下信号的所有可能出现的传播路径，再利用电磁波理论计算得出各个接收位置的场强、功率和时延等信道参数，进而达到对整个信道环境的预测。基于RT的建模流程首先需要获取不同场景的地理数据，再对建筑物等结构体进行简化重构，正确模拟光线的反射、绕射等不同种类的传播情况，并引入一致性绕射理论来补充几何光学理论，确定好光线在发射点、接收点之间传播路径，最后设置天线类型，天线高度，传播机制，发射功率，信号频率等仿真参数，就可以通过射线追踪计算各路径的信道参数。目前比较成熟的商用射线追踪软件有Volcano模型[14]、WinProp模型[15]、WaveSight模型[16]。文献[5]中通过射线追踪法获取的数据进行建模，得到不同传播路径的概率计算方法。以下进行详细的描述。1.1.1视距和非视距路径针对视距路径，LoS概率通常可以采用场景参数和距离的统计模型表述，如国际电联无线电通信部门(ITU-RP.1411-5建议书)[17]和文献[18]中给出的计算方法。（2-3）（2-4）式中m、n是与场景有关的变量，floor为向下取整函数；另外α、β、γ为与环境相关的统计参数：--α：所有建筑物的占地面积与考虑的总占地面积之比（无量纲）；--β：单位面积内建筑物数量的平均值（栋/km2）；--γ：决定建筑物高度分布的变量。且服从瑞利分布的概率密度函数，建筑物高度H满足方程（2-5）对于不同城市区域可分别取值（α，β，γ）[18]：--一般城区(0.3,500,15),--城市密集建筑群(0.5,300,20),--城市高层建筑群(0.5,300,50)但由于使用式（2-3）进行计算时与实际概率的拟合度较差，所以利用射线追踪法所得数据[5]将其进一步近似等效为（2-6）式（2-6）中视距场景环境参数在不同场景下的取值如表2-1[5]。表2-1视距传播路径概率的参数取值[5]场景A1LoSA2LoSB1LoSB2LoSB3LoS一般城区1.7961.183608987.7243.52密集建筑群1.8621.1354113141.3380.42高层建筑群1.7781.0751040269.1220.3针对非视距路径，NLoS概率可以由LoS概率推导得到（2-7）1.1.2反射和绕射路径进一步，可将NLoS路径改进分为反射REF（reflection）和绕射DIFF（diffraction）情况[5]，对应的概率计算方法分别如下（2-8）（2-9）式（2-8）和式（2-9）中反射场景环境参数和绕射场景环境参数在不同场景下的取值如表2-2[5]和表2-3[5]。表2-2反射传播路径概率的参数取值[5]场景A1REFA2REFA3REFB1REFB2REFB3REFC1REFC2REFC3REF一般城区0.149215.9429.4809.849.06296.2296.229.3626.12密集建筑群0.169540.6431.66741.787.29304.5304.538.2751.56高层建筑群0.207983.0668.5773.2201.8316.8316.894.9394.26表2-3绕射传播路径概率的参数取值[5]场景A1DIFFA2DIFFA3DIFFB1DIFFB2DIFFB3DIFFC1DIFFC2DIFFC3DIFF一般城区0.56819.3828.16888.964.8187.83353.73340密集建筑群0.337448.8629.76781.980.7180.11335.857.3141.05高层建筑群0.400988.88104.2756.7214.1336.2325.260.12135.21.3路径损耗1.3.1统计性模型链路传播损耗可由不同的方法进行预测估计计算，在三种常见的无线信道模型中，统计性模型便于应用且环境参数较少便于使用实测数据拟合，故本文选取了四种常见的此类模型进行对比分析。1)自由空间路径损耗模型自由空间路径损耗(freespacepathloss)是在视距LoS条件下信号强度的丢失量，不适用于反射和衍射等非视距情况。该模型[19]需要满足以下几点条件：(1)收发端之间的传播路径无障碍物遮挡；(2)相对磁导率和介电常数均为1；(3)发射端为理想点源，传播介质是各向同性的均匀媒质。虽然这种传播环境实际中并不存在，但对于研究传输信道与其他参数的关系特点具有重要意义。（2-10）式中f为信号频率（MHz）。2)Okumura-Hata模型此模型是奥村(Okumura)等人在20世纪60年代于东京近郊采用宽范围频率，测量多组基站天线高度和移动台天线高度，以及在各种不规则地形和环境条件下的信号强度，总结得出的一系列与场强距离相关的表达关系和修正因子在Hata模型的基础上用公式拟合得到的[20][21]。为了简化，Okumura-Hata模型做了以下三点假设：作为两个全向天线之间的传播损耗处理；作为准平滑地形而不是不规则地形处理；以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校正公式进行修正。适用条件：工作频率f为150-1500MHz；无人机天线有效高度hUAV为30-200m；地面移动端天线有效高度hGT为1-10m；通信距离d为1~35km；在这里，无人机天线有效高度的计算准则为：设无人机天线离地面的高度为hs，无人机距地面的海拔高度为hg，地面移动端天线离地面的高度为hm，地面移动端所在位置的地面海拔高度为hmg，则无人机天线的有效高度hUAV=hs+hg-hmg，这里建模将其简化为hUAV=hs。地面移动端天线的有效高度为hGT。城市市区的基本损耗中值Lb城可由下式计算：（2-11）其中地面移动端天线高度校正因子：中小城市（2-12）大城市，f200MHz（2-13）大城市，f400MHz（2-14）h=1.5m（2-15）3)COST231-Hata模型该模型[19]是欧洲研究委员会（陆地移动无线电发展）COST231传播模型小组根据Okumura-Hata模型，利用一些修正项使频率覆盖范围从1500MHz扩展到2000MHz所得到的高频段传播公式，适用于通信距离d为1~20km。传输损耗计算公式如下：（2-16）α(hUAV)为移动台天线高度修正因子，Cm为城市修正因子：树木密度适中的中等城市和郊区的中心大城市中心4)COST231WalfischIkegami模型COST-231-Walfisch-Ikegami模型[19]基于Walfisch-Bertoni模型和Ikegami模型，能够广泛用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境，经常在移动通信系统（GSM/PCS/DECT/DCS)的设计中使用。此模型充分考虑了自由空间损耗、从建筑物顶到街面的损耗以及受街道方向影响的损耗，可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等不同情况的路径损耗。另外，该模型细分LoS和NLoS两种不同路径进行损耗计算，因此，能够更为准确的描述信号在通信过程中实际的传播损耗情况。视距LoS传播（2-17）其中d为收发端之间的距离（km）；f为所传输信号的频率（MHz）。非视距NLoS传播图2-6城市场景非视距COST231WalfischIkegami模型（2-18）LFSL表示自由空间损耗，计算方法为（2-19）Lrts表示由屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗（屋顶和街道之间的衍射和散射损耗，对应慢衰落），它的计算方法如下：（2-20）（2-21）（2-22）（2-23）（2-24）式中，hr表示建筑物的平均高度（m），φ表示街区轴线与无人机和地面移动端之间连线的夹角（度），表示接收机所在的街道宽度(m)。Lmsd表示沿屋顶的多重衍射引起的衰落损耗（多路径损耗，对应快衰落），计算方法如下：（2-25）（2-26）（2-27）（2-28）ka代表由于基站天线低于附近建筑物屋顶导致路径损耗的增加,计算方法为：（2-29）（2-30）（2-31）kd表示对应于距离的多屏绕射损耗，计算方法为：（2-32）（2-33）kf表示对应于射频的多屏绕射损耗，计算方法为：中等城市和郊区（2-34）大城市（2-35）其中B为相邻行建筑物中心之间的距离(m)。部分参数推荐的取值如表2-4[19]。表2-4COST231推荐使用的缺省值[19]建筑物间距B20-50m街道宽度wW=B/2相对于街道的入射角90°建筑物的平均高度hrhr=楼层数*3m+房顶高(平顶0m，高斜顶3m)1.3.2半确定性模型半确定性模型居于统计性模型和确定性模型两者之间，结合了另外两种方式的优点，计算量低且能够广泛拟合实际场景。其中基于几何统计的随机信道模型由于具有复杂度适中、可适用较大载频等优势，已被广泛应用，因此本文选取了三种常见的此类模型进行对比分析。以下具体描述这三种典型的无线传播模型：1)IMT-Advanced模型IMT-Advanced（简称IMT-A）模型[23]是3GPP在完成IMT-2000的候选技术和标准的征集和制定之后，ITU-R开展的面向IMT-2000系统的所开发的后续演进系统，也即BeyondIMT-2000的相关研究成果。在其方法的标准化过程中，ITU-R制定了详细的评估方法，并写入ITU-R的规范M.2135[22]。在该评估方法中，对于改进后的系统模型中候选技术的性能评估规定了相应的场景，包括IndoorHotspot（室内热点区域），UrbanMacro（市区宏小区），SuburbanMacro（郊区宏小区），UrbanMicro（市区微小区），RuralHighSpeed（农村高速移动）等场景。在本文所讨论的三种城市区域场景（不考虑室内传播和郊区传播）情况下，仅选取市区宏小区概念作为计算路径损耗的方法。UrbanMacro（市区宏小区）这种场景的特点为有较大的小区半径（基站间距离的典型值为500m），较高的基站天线位置（天线高于屋顶，高度在10～80m之间，通常为25m），中到高的时延和角度扩展以及较高的移动性（0～120km/h）。地面移动端可位于室外街道中的任意区域。假设在城市场景中建筑物的高度或密度基本一致，且高度一般大于4层。则网络的拓扑结构可采用传统的3扇区6边形蜂窝小区，如图2-7[23]。图2-7传统的3扇区六边形拓扑结构[23]对于空地无线通信传输来说，由于存在不可避免的自由空间损耗，发射信号功率在到达接收机时会产生衰减。此外，经过对系统整体模型设计的讨论，当发射端的天线向无线传播环境辐射电磁波时，在到达相距一定距离的接收端之前，通常会与传播路径上的一个或多个物体发生相互作用，从而产生反射、绕射、透射和散射现象。这四种基本传播机制使得接收端所接收到的信号功率随其空间位置的不同而发生变化，即产生衰落。对此，可以根据观察范围的不同将接收信号功率随发射、接收距离的变化分解为三种不同类型的衰落：（1）当距离很短的情况下（大约为一个载波波长），由于各个多径分量（MultipathComponent，MPC）的相互干涉，会出现多径衰落（也称为小尺度衰落），即接收信号功率围绕一个平均值不断的上下波动。（2）如果将观察的范围适当扩大，在约10～40个载波波长上平均后的接收信号功率仍然在一个局部平均值附近呈现出一定的起伏变化。在这个尺度上的衰落是由于大型物体的遮挡造成的阴影衰落。（3）局部平均接收信号功率随着发射和接收距离的增大而减小，这种效应被归结为传播路径损耗。其中阴影衰落和路径损耗这两种类型都是大尺度衰落，在本文中只研究此部分的损耗。大尺度衰落中分为两类模型，即直射路径模型（LoS）和非直射路径模型（NLoS）。在不同模型中路径损耗和阴影标准差的值是不一样的。见如下表述。LoS场景：（1）应用于阴影标准差σ=4dB，10m<d<d’BP，其中2-36中的fc为载频频率(Hz)；c为自由空间传播速度，c=3.8×108；d’BP为断点距离，h’UAV和h’GT分别为无人机和地面移动端的有效高度，h’UAV=hUAV-1m，h’GT=hGT-1m；d为无人机与地面移动端之间的水平距离。（2-36）（2-37）（2）应用于σ=4dB，d’BP<d<5000m，hUAV=25m，hGT=1.5m，其中d1表示无人机到街道拐角的距离（2-38）NLoS场景：适用于σ=6dB，10m<d<5000m，5m<hAV<50m，5m<W<50m，10m<hUAV<150m，1m<hGT<10m，其中hAV为平均建筑高度，W为街道宽度。 （2-39）但在此方法中路径概率的计算不同于式（2-6）中的计算方法，实际的计算方法如下。（2-40）对应于链路总损耗的计算如下：（2-41）2)SCME模型早在2005年欧洲WINNER项目就开发并应用了SCME信道模型[25]。该模型是一个2GHz和5GHz频段的综合空间信道模型，适合的实际场景与SCM（SpatialChannelModel）信道模型相同，包括：郊区宏小区、城市微小区和城市宏小区，支持高达100MHz的带宽，适用LTE-Advanced系统的需求。此外，该模型和SCM信道模型使用了相同的建模方法和参数设置，由此能够很好的保证信道模型的向后兼容性和简便性[25]。在SCME模型中，通过加入中径将每条主径中的20条子径细分为3条中径，每条中径的功率和时延均不相同。因此相较于SCM模型而言，SCME模型具有以下几个优点：其一，带宽增加。增加了在SCM模型中取零值的路径内延迟拓展（DS）。将可能的功率延迟曲线（PDP）变为单边指数函数。这种簇内DS方法最初由Saleh和Valenzuela提出，用于室内传播建模[24]。此外，将20个子路径划分为子集，称为“中间路径”，然后将其移至相对于原始路径不同的延迟处。在这种情况下，即使中间路径由多个子路径组成，它仍然是一个抽头。这种方法将分集增量限制在合理的范围内，避免了单个子路径的延迟可分辨性。多个子路径集中在一起保持了该抽头的衰落分布接近于服从瑞利分布。文献[24]中给出了中间路径的数量以及为每个中间路径选择的功率和延迟参数。因此，SCME信道是18径或者24径的模型。总的来说，内径时延拓展是SCME信道展宽的原因，多径的数量越多，那么能满足的带宽数量也就越多。其二，通过子径划分为中径，打乱指定中径的子径集，可以改变中径的角度拓展AS。利用对中径的角度拓展ASi（i为中径的序号）进行优化，使得与主径的每径角度路径ASn的偏差即所有的ASi相结合达到最小化。其三，提出了类似于SCM模型中的用于链路级仿真的抽头延迟线模型TDL。对路径功率、延迟拓展和角度参数等进行了设置，并进一步针对频率自相关进行了优化。SCME模型的具体实现原理图如图2-8[25]。图2-8SCME模型原理图[25]SCME模型的路径损耗搭建方法主要基于两类统计性模型。COST-Hata模型用于建立郊区宏小区和城市宏小区场景，而COST-Walfish-Ikegami(COST-WI)模型则用于城市微小区场景的建立。但是由于COST-231-Hata模型是为预测GSM的覆盖情况所设计的，且应用范围为1-20km。所以在实际场景中应使用范围为0.02-5km的COST-WI模型更为合适。此外，该模型充分考虑了城市中不同传播路径的复杂损耗，细分为LoS和NLoS两种不同路径分类计算，能够更为准确的描述信号在通信过程中实际的传播损耗情况。然而，正是因为SCME模型的损耗预测是由统计性建模得来的，所以需要了解和测量的环境数值较多，增加了参数的计算量，导致计算的复杂度相比而言更大。因此，目前该模型主要采用固定参数来建立信道模型，由此得出的路径损耗计算方法如表2-5[26]。表2-5各场景路径损耗计算[26]场景中等城市大城市SCM路径损耗(dB)NLoSLoS-SCM阴影损耗(dB)NLoS810LoS-4短程替代路径损耗(dB)NLoSLoS短程替代阴影衰落(dB)NLoS1010LoS445和2GHz路径损耗(N)LoS+8dB+8dB不同于SCM信道模型中路径损耗和莱斯因子K所定义的受限LoS模型，SCME模型将莱斯因子K进行拓展，使其适用于城市宏小区和城市微小区等多种不同场景。对于所有视距条件下的路径概率的计算方法如下[26]。（2-42）其中dco是截止距离，其他详细取值定义参考文献[26]。当不满足给定使用条件时，视距路径概率为0。3)WINNERII模型WINNER项目共经历了两个发展阶段。第一阶段是从SCME模型的基础上拓展而来的WINNER通用模型，适用于2~5GHz的信道测量。WINNER模型将建模从二维拓展到了三维空间的范围。因此当分析到达角和离开角的时候，不但要考虑水平方向上的角度，还需要考虑垂直的高度角。第二阶段是WINNERII信道模型[27][28]，将信道频率应用范围拓展到2~6GHz，带宽为100MHz，信道应用场景也不断增加达到了13种类型，包括：室内办公室A1、室内热点B3、室内到室外A2以及室外到室内B4、城市室外到室内宏小区C4、固定网络B5、移动网络D2、郊区C1城市C2农村D1以及闹市区C3的宏小区、城市B1和闹市区B2的微小区。可进行链路仿真和系统级仿真。适用于LTE-A系统中。WINNERII信道建模原理见图2-9[27]。图2-9WINNERII建模原理[27]在图2-9中的散射簇是WINNERII信道中的基本单元，与SCME信道模型对比，这里的散射簇相当于SCME模型中径的概念，每个小的散射簇对应20个散射体，而散射体类似于SCME模型中的子径。其建模的整体步骤可进行如下的分解。首先，从列表分布函数中随机提取阴影衰落、延迟和角拓展等大尺度参数。然后，根据列表分布函数和随机LS参数（二阶矩），随机提取小尺度参数。在这个阶段，几何设置是固定的，只有散射体的初始相位值是随机的。通过选择不同的初始相位值，可以实现很多种不同的模型。当初始阶段固定时，模型便是唯一的。WINNERII信道建模中的系数产生过程中主要需要用到大尺度参数和小尺度参数这两部分参数。大尺度参数由概率分布函数随机计算产生，包括时延拓展（DS）及其分布、阴影衰落（SF）及其标准差、离开角（ASD）和到达角（ASA）拓展及其