无人机毫米波信道建模及统计特性研究

针对传统移动信道模型不适用于无人机毫米波通信场景的问题,本文基于射线追踪原理构建了一个无人机毫米波三维几何信道模型,并提出了一种针对该模型的信道参数更新算法,该算法考虑了通信距离、信号角度、路径时延和功率等传播参数的随时间演进过程。在此基础上,针对南京航空航天大学校园传播场景,研究分析了时延分布、时延扩展、角度分布和角度扩展等信道统计特性。数值仿真结果表明,本文模型能够有效复现无人机信道的时变非平稳特性,输出信道统计特性与实测结果吻合,可用于无人机毫米波通信系统的方案设计、性能优化和评估验证等领域。      

一种基于改进卡尔曼滤波的无人机信道估计算法

主要研究用于无人机下行高速数据链路的信道估计算法,构建了包括正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)传输系统和无人机常用场景信道冲激响应模型的无人机通信系统。针对无人机通信系统快时变的信道特性,提出了一种基于改进卡尔曼滤波器的信道估计算法。仿真结果表明,该算法可以提高无人机信号估计精度,有效抵抗噪声干扰,并在计算量上有了一定的优化,提高了运行速度。     

基于抛物方程的无人机通信场景传播特性分析

摘 要：为提高无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）毫米波通信场景传播特性的分析精度，基于抛物方程（parabolic equation，PE）理论建立了一种无人机通信场景传播特性分析方法，并针对都市和郊区两种典型无人机空地通信场景下的传播特性进行仿真。结果表明，提出的方法能够有效地反映地形地物变化对无人机空地通信信号传播产生的影响，对比ITU-R统计预测方法，两种场景下预测结果趋势均保持一致。该方法可实现毫米波无人机应用场景传播特性有效预测，对无人机毫米波通信系统设计、研制、测试等环节提供支撑。     

工业互联网信道特性与建模研究综述

工业互联网(Industrial Internet of Things, IIoT)是5G及后5G(beyond 5G, B5G)赋能工业制造的应用实例,也是“工业4.0”时代工业生产从制造走向智造的关键基础. IIoT场景的多样性与复杂性为该场景中通信系统的部署带来了挑战,准确刻画IIoT场景中的无线信道特性是该场景中通信系统设计和优化的前提.本文首先对IIoT场景特点进行了分析,其次根据现有文献调研总结了IIoT场景的信道特性,接着介绍了第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)标准中IIoT场景的信道特性建模方法,最后对未来IIoT场景的信道研究进行了展望.     

基于LTE的低空空地信道建模与仿真

低空空地情况下的信道建模是系统分析和设计的基础。在借鉴已有陆地和航空信道建模技术的基础上,分析低空空地信道的特殊性和不同场景下的小尺度衰落参数。针对现有小尺度衰落信道仿真模型的不足,提出了适应低空空地不同场景的小尺度衰落模型。仿真结果表明改进模型更符合理论分析结果。仿真在LTE系统中不同场景下的信道特性,说明区分场景建立低空空地信道模型是必要的。     

面向6G的毫米波多频段多天线信道测量系统构建及实测验证

毫米波是5G和6G无线通信系统的关键技术.设计满足6G多频段、多天线、高动态范围需求的信道测量系统是6G无线信道研究面临的首要挑战.针对这一需求,本文构建了一种毫米波多频段多天线信道测量系统,可以覆盖24.25～28.5 GHz、31.8～33.4 GHz、37～42.5 GHz等毫米波频段,支持最高16×16天线配置.首先介绍该信道测量系统的架构与性能指标,提出多通道并行校准方案以及测量数据处理算法;其次,基于该信道测量系统开展26 GHz室内外场景的信道测量实验,分析路径损耗、时延扩展以及奇异值扩展等信道统计特性.通过对实测结果分析,验证了该信道探测器用于毫米波段测量的有效性.     

基于信道特征高精度提取的空地信道密钥量化

针对无人机空地信道,基于空间期望最大化算法(SAGE)对信道特征参数进行高精确度估计。在提取了多径时延、多径功率等空地信道小尺度衰落特征后,利用均匀量化和非均匀量化方法,对实测数据的主径功率、主径-多径功率差开展无线信道密钥量化。分别针对起飞和巡航场景分析了密钥的量化效率、随机性以及算法运行时间等指标,并与基于大尺度特征的密钥量化结果进行比较。密钥量化效率结果表明：基于非均匀量化优于均匀量化;基于信道特征高精确度估计的量化方法优于传统基于大尺度特征的量化;起飞场景下的量化优于巡航场景的量化。密钥随机性测试结果表明本次量化所获得的密钥都具有较好的随机性;算法运行时间结果则表明不同量化方法的运行时间差异较小。因此基于高精确度提取的2种量化方法复杂度较低。     

三维非平稳V2V 信道建模及统计特性研究

针对车-车(Vehicle-to-Vehicle, V2V)通信场景复杂多样且无线信号呈现三维传播的特点,提出了一种双簇散射体架构的三维非平稳随机几何信道模型(Geometry-Based Stochastic Model, GBSM)。该模型考虑了直射路径、单跳路径、多跳路径和虚拟等效链路,可适用于车联网通信环境各种信号传播场景。在此基础上,针对该模型理论推导了三维场景下信道的统计特性,包括归一化空时相关性、多普勒功率谱(DPSD)、电平通过率(LCR)和平均衰落持续时间(AFD)的理论表达式。仿真结果表明,推导的理论结果和数值仿真及实测结果都比较吻合,从而验证了理论推导的正确性及信道模型的有效性。该模型可用于车联网通信场景下无线通信系统的方案设计和性能分析。     

基于飞行轨迹的无人机通信信道仿真

通过分析无人机之间无线链路的传播损耗、多普勒频率和多径时延等特征参数,提出一种基于三射线的无人机通信信道模型,并给出了无人机飞行轨迹在不同坐标系中的转换公式及已知飞行轨迹求解信道模型参数的方法。最后针对两种不同的典型飞行场景,对无人机通信链路的多径时延、传输损耗及多普勒频率算法进行了仿真验证,并获得了基于飞行轨迹的无人机空空数据链信道模型。该模型对无人机数据链系统参数选取、物理层算法设计和性能分析等具有重要意义。     

太赫兹频段室内场景空-时域信道特性测量与建模研究

掌握太赫兹频段室内信道特性及模型,是太赫兹室内通信系统设计和技术评估的前提。为了解太赫兹频段室内空-时域的信道特性,选取典型室内办公室场景,分别完成视距(Line of Sight, LoS)和非视距(Non Line of Sight, NLoS)场景下100 GHz频段、带宽为1.2 GHz的信道测量。通过分析结果,发现两场景的均方根时延扩展值和均方根角度扩展值都服从正态分布,且NLoS场景的两种参数值都比LoS场景大。此外,由于太赫兹频段多径信号分量较少,且测量场景尺寸较小,使得实测的均方根时延扩展值的测量结果比3GPP标准值约小12 ns。通过建立对数距离模型探讨测量距离对两种参数的影响,发现均方根角度扩展值在NLoS场景中随距离的增加有上升趋势,而均方根时延扩展值在两场景中变化趋势相反。     

一种面向无人机通信的协作干扰安全传输技术

本文利用无人机的高机动特性带来信道的动态变化这一机理,通过合理地控制无人机位置,靠近合法节点并远离窃听节点,增加合法节点的信道增益,削弱窃听节点的信道增益,从而提高信源端和目的端的安全通信容量。已有的无人机空地信道模型大多仅考虑视距传输链路,本文在此基础上增加了非视距链路（Not Line of Sight, NLOS）,并且在窃听者位置存在估计误差条件下,建立了两架无人机协同通信场景,在上述场景下通过合理规划两架无人机飞行轨迹,增强合法信道增益,削弱窃听信道增益,并联合无人机的功率分配,实现最大化平均保密速率。该优化问题为非凸问题,因此采用了连续凸近似（Successive Convex Approximation, SCA）以及块坐标下降算法 （Block Coordinate Descent Algorithm, BCD）来解决问题。仿真结果表明在视距链路和非视距链路同时存在的前提下,通过规划两架无人机的飞行轨迹,信号功率,能有效提升无人机通信系统的保密速率。      

高空平台站空地链路信道建模与QualNet仿真

高空平台站通信是实现中继通信的重要手段,其受大气效应及多径效应制约严重,但网络仿真器中缺少针对高空平台通信系统的准确信道模型,无法进行有效的仿真分析。为此,从分析ITUR模型与Ricean模型出发,在此基础上改进QualNet仿真器内置的信道模型,使之基本实现对真实空地链路信道的近似模拟,将该信道模型应用于网络仿真中,并分析信道特性对空地链路性能的影响。最后,搭建了基于QualNet的半实物仿真平台,进一步增强了空地链路仿真的准确性和合理性。该信道模型及仿真平台对高空平台站通信系统的参数设计、性能分析具有重要意义。     

一种基于无人机MIMO信道的容量分析方法

针对无人机通信环境特点以及多天线系统(Multi-Input Multi-Output,MIMO),建立了具有直射、反射以及散射分量的无人机MIMO三维GBSBCM信道模型,给出了无人机空时频信道相关函数的简要形式;采用信道矩阵分解、信道系数归一化的方法,推导了无人机的MIMO信道相关矩阵的计算方法;根据信道相关矩阵中参数定量分析法,仿真分析了在发射端信道未知条件下的多天线间隔对无人机MIMO信道容量的影响。通过容量的影响分析,对无人机MIMO天线间隔的合理配置具有一定的理论参考价值和实际应用价值。     

面向接入回传一体化的毫米波空地网络建模与分析

无人机(UAV)作为空中基站有望成为传统地面网络的有力补充,以提供灵活覆盖和容量增强的解决方案.然而,大多现有研究忽略空中基站的无线回传这一实际因素对网络性能和用户体验的影响.为此,考虑接入回传一体化的空地毫米波蜂窝网络场景,其中无人机提供热点流量传输服务,地面基站(TBS)提供无人机回传链路并且服务非热点区域用户,以...     

Marine Mobile Wireless Channel Modeling Based on Improved Spatial Partitioning Ray Tracing

In 5G era,it is expected to achieve wireless network coverage including offshore areas.Modeling of marine wireless channels is the basis of constructing a marine communication system.In this paper,a communication scene between an unmanned aerial vehicle(UAV)and a boat is simulated to study the marine wireless channel.Firstly,an improved spatial partitioning ray tracing algorithm is proposed to track the propagation path of electromagnetic waves at sea surface.Secondly,a mobile channel is simulated and modeled based on the track results.Finally,a loss measurement is carried out in the coastal waters based on the simple wireless channel loss measuring platform,and a path loss propagation model is built.Then we compare the actual measurement data with the simulation results and find that the two are have good consistency,which further verifies the reliability of the simulation.     

无人机地空信道模型仿真与特性分析

针对当前无人机地空信道模型存在的局限性,根据实际测量结果,对现有模型进行改进和仿真验证,并对其时变特性和稀疏特性进行了分析。首先,分析了多径的间歇性和瞬时多普勒频移特性。其次,从微观时间尺度上,得到多径的时延和增益仿真数据。最后,对宽带通信系统下的离散信道冲激响应进行了定量分析,即在连续几个符号周期内,抽头增益近似线性变化,并且在时域上具有明显的稀疏特性。研究成果为无实测数据下的无人机地空通信系统提供了验证模型,为线性时变信道稀疏重构方法的应用提供了依据。     

基于K-臂赌博机的多无人机空地网络动态资源分配方法

针对配置大规模MIMO的多无人机空地网络中的动态资源分配问题,从最大化系统吞吐量的角度出发,该文提出一种基于K-臂赌博机的强化学习算法联合优化多个无人机的用户选择与功率分配策略。首先根据地理位置对用户进行分簇,利用簇中心节点规划无人机飞行路径;其次在不考虑无人机之间端到端通信的情况下,将多无人机资源分配问题转化为相互独立的多个智能体强化学习问题;最后提出分幕式多智能体多状态K-臂赌博机算法来实现用户选择与功率分配的联合优化。通过将无人机每个时刻的位置索引定义为状态空间,从而使得无人机可动态适配自身位置及信道的动态变化。仿真结果表明,所提方案可根据环境状态变化自主智能调整资源分配策略,相比于已有方案能有效提升系统总吞吐量。     

一种基于系统采样时钟量化的无人机测距方法

为了解决基于单载波频域均衡(SC-FDE)高速数据链无人机测控系统的地空双向距离测量问题,提出了一种基于系统采样时钟量化的无人机测距方法,将机载/地面测距信息分别量化至机/地系统采样时钟的计时器,完成地空双向距离的测量。理论分析和地空链路测试平台实验结果表明,新方法在复杂多径环境下实现了地空双向距离测量,降低了测距分系统的设计复杂度,地空双向实际测距均值与等效自由空间传输延迟一致,且测距精度满足理论测距误差设计值。该测距方法在无人机测控系统中具有良好的应用前景。