校園無人機信道建模及性能評估軟件設計

童心玉，程樂樂，張彤彤，朱秋明

（南京航空航天大學，南京 210000）

1 引言

無人機通信一直是近年來的研究熱點，作為空中載體的監測設備，無人機監測與人工監測相比，具有快速、準確、低成本、易操作等優勢，這使其成為5G 通信網絡中的重要通信設施之一。已有大量文獻對無人機通信信道做了理論、實測研究。

目前，將無人機用于各種應用是一個快速發展的研究領域。了解無線UAV 到地面傳播信道對于設計高效通信系統和評估其性能至關重要。文獻[1]基于射線追蹤法研究了城市環境中不同無人機飛行高度下，地面接收信號的覆蓋率，以及時延擴展、到達角分布等信道特性。文獻[2]利用射線追蹤軟件進行無人機群通信的優化，并利用可視化模型軟件復現無人機群通信結構。文獻[3]基于射線追蹤技術模擬了郊區場景中不同高度的小型無人機的空對地（AG）通道，分析了路徑損耗等信道參數。文獻[4]簡要概述了低空無人駕駛飛行器的空地通道模型，并通過將射線追蹤技術模擬結果和郊區開放環境測量結果進行對比驗證了兩者的一致性。文獻[5]為空對地通信信道提供了一種測量框架，從無人機上連續發射頻率帶寬為20MHz、中心頻率為5060MHz 的信號獲得信號沖激響應等數據以研究其信道特性。文獻[6]測量了無人機在200m 高度飛行、信號中心頻率為915MHz 的情況下信道的相關數據，研究了信道特性。

以上對無人機通信信道的研究均基于測量數據，文獻[7]描述了一種基于統計幾何的信道建模方法，用六個參數勾勒出模型的體系結構，并展示了這些參數是如何從測量數據獲得的，利用該模型能捕捉空地無人機信道的時變特性。文獻[8]研究了多徑城市環境中無人機到地面鏈路的信道特性，利用射線追蹤模擬以估計接收功率等參數。文獻[9]提出了一種新穎的三維多輸入多輸出通道模型來描述空對地（A2G）通信環境，研究了不同時間延遲的A2G 信道模型的傳播特性。文獻[10]提出了一種三維球形無人機空對地多輸入多輸出信道模型基于所提出的信道模型，導出該模型的時空相關函數，并根據各種參數進行分析研究。

本文基于上述文獻，針對采用微波技術的無人機信道，提出了一種基于射線追蹤的三維無人機通信幾何信道模型，結合南京航空航天大學江寧校園的場景參數設計出一款用于評估無人機在校園飛行過程中通信鏈路性能的可視化軟件，該軟件可針對選定路徑計算出相關的信道模型參數并進行演示。

2 信道模型及參數計算

本文基于射線追蹤原理，針對南京航空航天大學江寧校園場景，建立無人機通信的沖激響應模型：

圖1 無人機對地信道典型場景

無人機通信場景幾何模型如圖2所示，本文無人機和地面節點在直角坐標下進行。其中假設GS（A 點）和UAV（B 點）的坐標分別記為，沿水平方向飛行。主要考慮直射和在地面的反射。

考慮到直射徑傳播和自由空間傳播類似，因此直射徑的信號幅度可采用如下方法計算

圖2 無人機通信場景幾何模型

對應地面反射中心點D 射線的長度為

結合余弦定理與平面方程可以證明，地面反射區域中心D 點的坐標為

本文利用RomcomWirlessInstite 軟件來評估基于射線跟蹤的電磁傳播環境中的信道特性。仿真場景為如圖3所示的校園，該校園場景占地約，仿真時利用已有的二維建筑物數據結合實測建筑物高度，將該衛星圖中的建筑物信息進行簡化，簡化場景如圖3.b 所示。并在仿真軟件中設置各類與實際場景相吻合的仿真參數，地質采用濕土，地面介電常數，電導率，建筑物統一采用混凝土墻面介電常數，電導率 。仿真時將建筑物信息進行簡化，簡化后場景如圖3.b 所示。UAV 端采用中心頻率為28GHz，帶寬500MHz 的信號，UAV 端的發射天線和GS 端的接收天線均采用全向天線。GS 端大致放置于UAV 飛行軌跡中間，天線高度為2m。UAV 作為信號發射端，以10m/s 的速度在高空橫穿校園飛行120s。

圖3 校園環境示意圖

3 無人機信道性能評估軟件設計

3.1 GUI 開發平臺介紹

圖形用戶界面GUI（Graphical User Interface）是由菜單、工具欄、命令按鈕、光標、按鍵燈構成的一個用戶界面，Matlab 為用戶提供了功能強大的集成圖形用戶界面開發環境（GUIDE），通過GUIDE，用戶可以方便快捷地設計出各種符合要求的圖形用戶界面，極大地減輕了工作量。

3.2 軟件設計方案

軟件采用Matlab GUI 軟件平臺，基于已有的二維地圖結合實測建筑物高度信息復現了三維南京航空航天大學江寧校園幾何模型，從而實現校園環境特征的三維可視化，將無人機飛行路徑和地面接收站的位置顯示在界面上。系統框圖如圖4所示。

圖4 系統框圖

基于用戶需求，本文設計的南航校園無人機飛行通信鏈路質量評估軟件的流程如圖5所示，軟件功能為：對一定條件參數下無人機飛行通信鏈路的性能評估。在軟件輸入端，用戶首先導入已有的校園地圖文件，選擇無人機飛行路徑，接著對無人機飛行高度進行設置，設置完畢后軟件可對無人機飛行過程進行模擬，計算飛行過程中不同位置無人機的功率、角度等參數，并生成星座圖、誤碼率分析圖，相關參數的數據可導出到外部文檔，作為信道特性分析和無人機通信鏈路性能評估的依據和參考。

圖5 無人機飛行評估軟件流程圖

3.3 軟件界面設計

圖6 軟件主界面

GUI 設計界面如圖6所示。首先導入事先規劃好的備選的三條路徑，“仿真參數”模塊可選擇飛行路徑和飛行高度，選擇“開始仿真”后，軟件將在“路徑演示”模塊顯示校園地圖和無人機飛行路徑，并根據所選路徑進行其性能分析：在“數據分析模塊”生成參數文本文件的同時，“信號強度分析”、“誤碼率分析”、“星座圖”三個模塊將分別顯示對應參數的分析圖，調節上方的距離條可以顯示不同時刻的星座圖，以實現參數的連續性觀察。選擇“保存圖像”即可將三個參數的分析數據導出到外部文檔并保存，以便實現不同路徑參數條件下數據的直觀對比及飛行性能的評估。

該軟件支持導入地圖數據和保存文本數據等功能。用戶可通過“地圖文件路徑”導入南京航空航天大學江寧校區地圖數據的文件，生成地圖飛行路徑；“載入本次數據”可以載入本次參數設置后生成的文本文件，文本文件中包含本次路徑中無人機坐標位置、功率等參數；“載入上一次數據”可以載入上一次的文本文件。

4 軟件運行與測試

設置UAV 端采用中心頻率為28GHz，帶寬500MHz 的信號，UAV 端的發射天線和端的接收天線均采用垂直極化的全向天線。無人機作為信號發射端，在高空橫穿校園飛行。用戶在南航地圖上選擇一條飛行路徑，路徑如圖3所示。若設置的飛行高度為75m，則軟件根據信道模型對無人機飛行過程中的距離、角度和功率進行計算，得到不同位置的參數值。軟件生成的文本文件如圖7，選取不同飛行距離的星座圖如圖8，生成的誤碼率曲線如圖9。

圖7的文本文件記錄了無人機的飛行過程中，接收功率、無人機位置隨其飛行距離的變化情況，飛行距離每增加10m 進行一次數據統計，由于飛行速度為10m/s，因此數據記錄的時間間隔為1s，總飛行時間為116s。

基于文本文件，圖8和圖9分別給出了無人機飛行的星座圖和誤碼率曲線，用于評估無人機飛行過程中的性能情況。圖8給出了無人機飛行距離分別為100m 和600m 時的星座圖。可以看出，飛行100m 時的星座圖中點分布較為分散，說明信號能量比較分散，系統抗噪聲性能較差。由無人機飛行軌跡可知，此時無人機處于遠離接收端的位置，因此通信鏈路質量相對較低，與仿真結果相符合；飛行600m 時的星座圖中點分布較為集中，說明系統抗噪聲性能較好，此時無人機處于靠近接收端的位置，通信鏈路質量較高。圖9給出了無人機從遠處逐漸飛向接收端的飛行過程中誤碼率隨時間的變化曲線，可以看出，隨著時間的增加，無人機漸漸靠近接收端，誤碼率減小，這表明在飛行過程中，數據傳輸的精確性越來越高。

圖7 文本文件

圖8 星座圖

圖9 誤碼率曲線

5 結束語

本文基于射線追蹤法提出了一種三維UAV 通信幾何信道模型，并基于此模型在南航校園的應用設計出一款通信鏈路評估可視化軟件，該軟件可對不同場景下的功率進行準確分析，得到相關星座圖和誤碼率圖，實現無人機的路徑性能評估，該軟件可為無人機巡航路線的規劃、非法頻段監測等功能提供參考。