CN119402043A 基于无人机irs阵列无线通信的信道构建方法 （南京信息工程大学）

基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法本发明公开基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，包括计算无人机的三维旋转矩阵，计算发射端和接收端与空中IRS阵列之间的传输距离的函数表达式；计算信号经无人机IRS阵列作用到达接收端的传输路径的信道复冲激体反射到达接收端的传输路径的信道复冲激响够准确捕获信道特性，动态适应信道状态的变2在三维空间建立包含发射机、接收机、散射簇以及无人机当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作用到达接收机时，计算无人机的三维旋转矩根据无人机的三维旋转矩阵以及发射机和接收机与无人机IRS阵列之间的传输距离计算信号经无人机IRS阵列作用到达接收机的传输路径根据发射机和接收机与散射簇之间的传输距离计算信号经散射簇反射到达接收机的根据信号经无人机IRS阵列作用到达接收机的传输路径的信道复冲激响应以及信号经散射簇反射到达接收机的传输路径的信道复冲激响应计算当发射机发出的信号经无人机根据发射机与接收机之间传输路径在时域、空间和频域上的相关性构建基于无人机2.根据权利要求1所述的基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，其特征在于，阵列中点且垂直于x轴的线为y轴；定义经过发射机天线阵列中点且垂直于x-y平面的IRS阵列的初始高度表示为H,。3.根据权利要求2所述的基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，其特征在于，;;3;假设在IRS阵列中布置有个单元，则从IRS阵列中心到第m行第m列反射单元;假设,(O表示无人机IRS阵列的运动速度，则从无人机IRS阵列中心到原点的距离向量;其中，d:(o)和dr,0)分别表示无人机IRS阵列在初始时刻的坐标，drr(0、dr,(o)和dr:(0分别表示t时刻无人机IRS阵列的坐标；无人机IRS阵列的运动方向由方位角和仰4.根据权利要求3所述的基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，其特征在于，计算发射机和接收机与无人机IRS阵列之当发射机发出的信号经IRS作用到达接收机时，在t时刻第(m,m)个单元的几何坐标相对于原点的距离向量表示为；m=1,2,…IM，m=1,2当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作用反射到达接收机时，计算发射机第根天;r,()=vz,([eosn,sinn,0]表示发射机的速度矢量，表示为发射机的运动方向和水平距离向量描述为d,()=v,()t；当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作用到达接收机时，计算发射机第根天线与;在无人机IRS阵列辅助V2V无线通信信道中，当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作4;表示接收机的速度矢量,表示为接收机的运动方向和水平当发射机发出的信号经IRS作用到达接收机时，计算接收机第根天线与无人机IRS阵。5.根据权利要求4所述的基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，其特征在于，信号经无人机IRS阵列作用到达接收机的传输路径的信道复冲激;列第()个单元的实时到达方位角和仰角；r,()=vz,([eosn,sinn,0]和。6.根据权利要求5所述的基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，其特征在于，5当发射机发出的信号经散射簇反射后到达接收机时，从原点到簇内第个散射簇的距离向量表示为，表示第条射线的传播距离，计算发射机第p根天线与第e个散射簇之间的传输距离为：5,()=lld,-dr,-d,()ll；计算接收机第q根天线与第个散射簇之间的传输距离为：⃞,r()=lld,-dr,-d,()ll。7.根据权利要求6所述的基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，其特征在于，信号经散射簇反射到达接收机的传输路径的信道复冲激;n表示随机相位；cre和A,分别表示发射机到第e个散射簇的实时出发方位角和仰角；和分别表示接收机到第e个散射簇的实时到达方位角和仰角；er,0和。8.根据权利要求7所述的基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，其特征在于，发射机第p根天线与接收机第q根天线之间传输路径在时域上的自相关函数为：;9.根据权利要求8所述的基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，其特征在于，发射机第p根天线与接收机第q根天线之间传输路径在空间上的互相关函数为：;发射机第p根天线与接收机第q根天线之间传输路径在频域上的相关函数为：;6;其中，ro和ruo分别表示IRS路径和NLoS路径的传播时延。7[0001]本发明涉及基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，属于无线通信技术领需要深入理解相应的信道模型和传播特性，这对于分析和设计空中IRS辅助的通信系统极IRS阵列对信号的相位和幅度调控如何精确影响信号的传播路径、如何有效绕过障碍物并是推动IRS辅助空地通信技术进一步发展的关键所[0006]本发明提供了基于无人机IRS阵列无线通信的信道构建方法，解决了背景技术中[0009]在三维空间建立包含发射机、接收机以及无人机IRS阵列的X-Y-8[0010]当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作用到达接收机时，计算无人机的三维旋[0011]根据无人机的三维旋转矩阵以及发射机和接收机与无人机IRS阵列之间的传输距离计算信号经无人机IRS阵列作用到达接收机的传输[0013]根据发射机和接收机与散射簇之间的传输距离计算信号经散射簇反射到达接收[0014]根据信号经无人机IRS阵列作用到达接收机的传输路径的信道复冲激响应以及信号经散射簇反射到达接收机的传输路径的信道复冲激响应计算当发射机发出的信号经无天线阵列中点且垂直于x轴的线为y轴；定义经过发射机天线阵列中点且垂直于x-y平人机IRS阵列的初始高度表示为H,。[0026]假设在IRS阵列中布置有个单元，则从IRS阵列中心到第m行第m列反射9和分别表示时刻无人机IRS阵列的坐标；无坐标相对于原点的距离向量表示为；m=1,2,…IM，m=1,2,…M:；[0033]当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作用反射到达接收机时，计算发射机第[0036]r,()=vz,([eosn,sinn,0]表示发射机的速度矢量，表示为发射机的运动方向和[0037]当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作用到达接收机时，计算发射机第根天[0039]在无人机IRS阵列辅助V2V无线通信信道中，当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作用反射到达接收机时，计算接收机第根天线与天线阵列中点之间的时变传输距离[0042]表示接收机的速度矢量,表示为接收机的运动方向和[0043]当发射机发出的信号经IRS作用到达接收机时，计算接收机第根天线与无人机[0045]进一步地，信号经无人机IRS阵列作用到达接收机的传输路径的信道复冲激响应;e表示自然常数；j表示复数；ro表示姿态变化衰落系数；za.n,(0和收机与无人机IRS阵列的相对实时运动速度；和分别表示发射机到无人机IRS阵列第()个单元的实时出发方位角和仰角；和分别表示发射机到无人机IRS阵列第()个单元的实时出发方位角和仰角；和分别表示接r,(0)=y,(o[eosm,sinn,0l和分别表示发射机和接收及的速度矢示为：[0051]当发射机发出的信号经散射簇反射后到达接收机时，从原的距离向量表示为，表示第条射线的传播距离，计算发射机第p根天线与第e个散射簇之间的传输距离为：5,()=lld,-dr,-d,()ll；计算接收机第q根天线与第e个散射簇之间的传输距离为：。n表示随机相位；cre和A,分别表示发射机到第e个散射簇的实时出发方。[0055]进一步地，发射机第p根天线与接收机第q根天线之间传输路径在时域上的自相第a根天线的复冲激响应函数；表示发射机第p'根天线和接收机第q'根天线的复冲激响应函数。和分别表示IRS路径和NLoS路径的时域自相关函[0057]发射机第p根天线与接收机第q根天线之间传输路径在空间上的互相关函数为：;[0059]进一步地，发射机第p根天线与接收机第q根天线之间传输路径在频域上的相关[0063]其中，ro和ruo分别表示IRS路径和NLoS路径的传播时延。[0065]本发明引入了无人机的三维旋转和散射效应，构建了基于几何特性的空中IRS无[0069]图4为无人机姿态变化衰落对于无人机IRS阵列分量信号传输路径的影响示意[0071]图6为发射机和接收机在不同运动状态下对无人机IRS阵列辅助车辆无线通信时[0072]图7为不同莱斯因子对无人机IRS阵列辅助车辆无线通信信道空域互相关特性造[0073]图8为不同无人机高度对无人机IRS阵列辅助车辆无线通信时域自相关特性造成[0074]图9为不同无人机高度对无人机IRS阵列辅助车辆无线通信频域相关特性造成的[0075]图10为不同IRS阵元数目和尺寸对无人机IRS阵列辅助车辆无线通信信道容量造[0078]步骤1、构建无人机IRS阵列辅助车辆无线通信的信道模型，在三维空间中建立x-y-2直角坐标系，设定模型参数。阵列部署在无人机上，形成无人机IRS阵列辅助V2V无线通信信道，建立X-Y-Z直角坐标天线阵列中点且垂直于x轴的线为y轴；定义经过发射机天线阵列中点且垂直于x-y平;[0087]假设在无人机IRS阵列中布置有个单元，则从无人机IRS阵列中心到第[0091]其中，d:(o)和dr,0)分别表示空中IRS在初始时刻的坐标，而drr(0、dr,()和分别表示时刻时反射面的坐标；无人机IRS阵列的运动方向可以由方位角和仰[0092]假设在IRS中布置有M,XM,个单元，其中在t时刻IRS第(m,m)个(m=1,2,…IM,m=1,2,…M:)单元的几何坐标相对于原点的距离向量表示为。人机IRS阵列作用反射到达接收机时，计算发射机第P根(P=1,2,…P)天线与天线阵列中点[0096]r,()=vz,([eosn,sinn,0]表示发射机的速度矢量，表示为发射机的运动方向和中点的距离向量可以描述为d,()=v,()t。[0097]当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作用到达接收机时，计算发射机第根(=1,2,…,P)天线与无人机IRS阵列的时变传输距离为：人机IRS阵列作用反射到达接收机时，计算接[0102]当发射机发出的信号经无人机IRS阵列作用到达接收机时，计算接收机第根(q=1,2,…2)天线与无人机IRS阵列的时变传输距离为：e表示自然常数；j表示复数；ro表示姿态变化衰落系数；za.n,(0和收机与无人机IRS阵列的相对实时运动速度；和分别表示发射机到无人机IRS阵列第()个单元的实时出发方位角和仰角；和分别表示接收机到表示第条射线的传播距离，计算发射机第根天线与第个散射簇之间；n表示随机相位；cre和A,分别表示发射机到第e个散射簇的实时出发方稳特性,揭示信道的非平稳性和参数配置之间的关系，构建无人机IRS阵列辅助V2V无线通人机IRS阵列作用和散射簇反射到达接收机时，计算发射机第P根天线与接收机第q根天第a根天线的复冲激响应函数；表示发射机第p'根天线和接收机第q'根天线的复冲激响应函数。和分别表示IRS路径和NLoS路径的时域自相关函机IRS阵列作用和散射簇反射后到达接收机时，发射机第P根天线与接收机第q根天线之;作用和散射簇反射后到达接收机时，计算发射机第p根天线与接收机第q根天线之间传输[0127]其中ro和ruo分别表示IRS路径和NLoS路径的传播时延。下降的速度变缓。以上观察结果揭示了空中IRS在信道中的应用能显著提升无线通信环境率相关特性推导和仿真结果的准确性，充分说明了引入无人机IRS阵列对信道优化具有显[0131]如图8所