無人機通信信道模型仿真分析

張巍+段冀新+鞏朝陽+謝小芳

【摘要】 本文首先分析了無人機通信的特點，然后從統計模型和非統計模型兩個角度對無人機的信道進行分析，研究了以萊斯衰落模型為代表的統計衰落模型，提出了一種新的萊斯仿真模型的算法；最后對無人機通信信道進行非統計模型建模分析，并以兩徑模型為例進行仿真，結果表明不管是改變地面天線高度還是改變無人機飛行高度，只能改變深衰落區的位置，不能避免深衰落的發生。

【關鍵詞】 萊斯衰落 瑞利衰落 散射

一、引言

無人機[1]（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）是一種機上無人駕駛、可重復使用的航空器簡稱。與傳統衛星通信和移動通信相比，無人機通信具有三個特點：

1）信號動態變化范圍大；

2）多普勒頻移大；

3）電磁干擾比較強。

無人機通信系統屬于無線通信，其電波在無線信道中的反射、散射和繞射等特點，使得發射機和接收機之間存在多條傳播路徑，并且每條路徑的傳播時延和衰落因子都是時變的，造成了接收信號的衰落，因此多徑衰落是無人機通信信道的主要特點。

無線信號隨接收機與發射機之間的距離不斷變化即產生了衰落，根據發送信號與信道變化快慢程度的比較，信道可分為快衰落信道和慢衰落信道。其中信號強度曲線的中直呈現慢速變化稱為慢衰落，曲線的瞬時值呈快速變化，稱快衰落。

快衰落與慢衰落并不是兩個獨立的衰落，快衰落反映的是瞬時值，慢衰落反映的是瞬時值加權平均后的中值。無人機與主控站間的通信信道可以分成兩種情況：當無人機通信仰角較小時，信道為快衰落信道，直射徑功率較小；當無人機通信仰角較大時，信道為慢衰落信道，直射徑功率較大。

在無人機通信中，無人機與主控站之間屬于萊斯（Rice）衰落信道[2]，萊斯衰落信道的特點是信道中存在直視波分量，接收信號是由直視波分量和散射分量疊加而成的一種情況，散射信道是由許多相互獨立且服從正態分布的隨機信號組成，屬于一種統計模型。

下面將從統計模型和非統計模型兩個角度對無人機的信道進行分析。

二、信道模型建立與分析

2.1 統計衰落模型建立

一般傳統的萊斯衰落信道模型具有廣義非靜態特性，導致仿真結果與理論結果出現較大偏差，模型計算量和存儲空間要求比較大，硬件實現困難，因此本節提出了一種新的萊斯衰落信道仿真模型，使其更加高效，并具有廣義靜態特性。

基于文獻[4]中給出的Rayleigh衰落信道的仿真模型[4]，Rice仿真模型可以表示為：

2.2非統計衰落模型建立

多徑傳輸可歸納為兩種類型：一種是直射波與反射波形成的多徑；另一種是低空大氣層大氣效應造成的多徑，一般第一種是主要因素，但當地面反射波強度很微弱時，第二種多徑影響就將成為主要因素。

下圖1是無人機通信的模型。

其中Фi為第i-1條散射路徑信號與直射信號的相位差，P0-i第i路散射路徑信號合成后的合成功率。

三、仿真分析及結論

基于圖1的無人機通信的模型，以兩徑為例進行仿真。假設輻射功率為50dB，分兩路輸出，收發天線增益均為30dB，頻率為1.25GHz，散射點的散射系數為1，散射點有效接收面積為1。

發射機的位置為（0，0，0），散射點的位置（10000，2000，1000），接收機用的坐標隨時間變化（18000+i，6000+0.5*i，1000+0.2*i）。

利用MATLAB對兩徑傳播模型進行仿真，圖2是無人機飛行高度為2000m時，地面發射天線高度分別為1.5m、3m和4.5m時無人機系統在兩徑傳播模型空間傳播損耗曲線。圖3是地面發射天線天線高度3m時，無人機飛行高度分別為1500m、2500m和3500m時無人機系統在兩徑傳播模型空間傳播損耗曲線。

由圖2和3可知，在無人機飛行過程中，無人機與地面天線不同距離時存在不同程度的深衰落區域，無論改變地面天線高度還是改變無人機飛行高度，只能改變深衰落區的位置，并不能避免深衰落的發生。

參 考 文 獻

[1] Paul，Thomas著，吳漢平等譯，無人機系統導論 （第二版） ，北京：電子工業出版 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