空-空通信信道的統計特征分析

2016年第7期信息通信總第163期)inforMation COMmUnications(Sum. No 163)空一空通信信道的統計特征分析桂永強,韓后岳,章杰,李小喜,方園(合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院,安徽合肥2300090)摘要:近年來(lái)空—空通信技術(shù)受到了高度關(guān)注,空—空信道建模與分析是空—空通信領(lǐng)域的硏究熱點(diǎn)之一。文章依據徳國宇航局基于實(shí)測數據的空—空信道統計模型,通過(guò)仿真實(shí)驗分析了地面場(chǎng)景切換時(shí)路徑接收信號的統計分布特征,其實(shí)驗結果對空-空信道建模具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)通信;空-空通信;信道建模中圖分類(lèi)號:TN927文獻標識碼:A文章編號:1673-1131(2016)07-0017-03Analysis of the statistical characteristics of the air-to- air communication channelGui Yongqiang, Han Houyue, Zhang Jie, Li Xiaoxi, Fang Yuan(School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)Abstract: In recent years, air-to-air communication technology has been highly concerned, and the air-to-air channel modelingand analysis is one of the research hotspots in the field of air-to-air communication. Based on the statistical air-to-air channelmodel according to the measurements of the German Aerospace Center, the statistical distribution characteristics of path receied signal are analyzed by the simulation experiment when the ground scene changes, and the results have a certain referencevalue for the modeling of the air -to-air channelKeywords: Wireless communication; Air-to-air communication; Channel modeling0引言航空通信在國民經(jīng)濟中具有重要的地位。隨著(zhù)軍用、民用航空的飛速發(fā)展,航空通信已逐漸向寬帶、多媒體、大容量等方向發(fā)展。近幾十年來(lái),對于航空通信大多研究空-地通信,而且側重于理論分析,例如 Philip a.Bll對航空信道特性進(jìn)行了分析", Erik hass將航空通信信道劃分為航行、起飛飛降落、滑行、停場(chǎng)這四種飛行狀態(tài)凹。研究空-空通信的很少Niklas goddemeier用無(wú)人駕駛飛機(UAV)討論了高度對于空空信道統計分布的影響,但是僅限于小范圍,低高度十米左右):德國宇航局在ⅤHF/UHF波段第一次對空空信道參數進(jìn)行測量,填補了空空信道參數的空白,文獻[5]將空空通信發(fā)生場(chǎng)景劃分為:水面、草地、山谷、城區四種,并討圖1空空通信示意圖論了當空空信道處于不同場(chǎng)景下接收信號視距傳輸(Line-1航空信道的雙徑模型of-sigh)路徑與反射傳輸( Specular reflection)路徑振幅的統1.1信道建模計分布。對于航空信道來(lái)說(shuō),環(huán)境變化很快,信道特征是時(shí)變的,但是文獻5]中僅僅考慮空-空通信單一場(chǎng)景,并未考慮場(chǎng)因此對于航空信道建模一般采用統計建模的方法,可以通過(guò)景切換時(shí)數據的統計分布特征。如圖1所示,當飛行場(chǎng)景切時(shí)延功率譜、時(shí)延拓展、多普勒功率譜、多普勒拓展這幾個(gè)統換時(shí),接收信號的統計分布也會(huì )有所變化。本文通過(guò)對空空計參量,分別從時(shí)域和頻域對空空通信信道特征進(jìn)行描述。通信場(chǎng)景變換時(shí)LOS路徑與SR路徑接收信號的統計分布做本文主要基于 WSSUS理論對信道進(jìn)行建模分析,不考個(gè)仿真與評估,得到場(chǎng)景變換服從的統計分布,其實(shí)慮電離層與對流層的影響,由于信道中存在強的LOS與SR驗結果為空-空信道建模提供必要的數據支撐,具有一定的參路徑分量,通過(guò)文獻[4得到空空通信信道的沖激響應為:考價(jià)值。h(t, r)=h,o(t,r)+hs (t,T)6]馮開(kāi)明ITER實(shí)驗包層計劃綜述肌核聚變與等離子體物[10等溫度對鈹力學(xué)性質(zhì)的影響[J稀有金屬,2015(1)理,2006.26(3):161-169.[111,邱志聰,巫祥超,等.金屬鈹的壓縮變形行為[J爆炸7]張一鳴.IER計劃和核聚變研究的未來(lái)[J真空與低溫,與沖擊,2016(2)2006(4)12]馮勇進(jìn)馮開(kāi)明,張建利中子倍增材料鈹小球的REP制備[8]許德美,等國內外鈹和含鈹材料的研究進(jìn)展中國有色工藝研究磯].中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報告,2011年第2卷:金屬學(xué)報,2014(5)82-86I9Ⅰ許德美,等.組織缺陷對金屬鈹室溫斷裂行為的影響規律∏3余為,等金屬半球殼壓縮力學(xué)性能實(shí)驗和模擬硏究.工研究[稀有金屬,2010(6)程力學(xué),2013(11).信息通信桂永強等:空空通信信道的統計特征分析式(1)中hut)為直射傳播的沖激響應,ht,v)為反射傳其中r(k)是伽馬函數,k為形狀參數。輸的沖激響應,同時(shí)可以得到要考慮的第三種分布是 Weibull分布。 Weibull分布與h2m(,r)=an()6(x-tm(O)exp(-12nftn(1)(2) Nakagami一樣是瑞利分布的一般化。給出概率密度函數公a1、(U)是自由空間傳播損耗,τ。()表示直射路徑的時(shí)延,式如下指數項代表相位偏移量,hs(4,r)=R(Oa。(O)6(-ts(O)exp(-j2兀p4(x)=x≥0,k>0,a>0(6)其中R(ω)是反射系數,αs(t)為反射路徑傳播損耗,τ(表k是形狀參數,a是尺度參數示反射路徑的時(shí)延,指數項代表相位偏移量平均信號幅度的長(cháng)期變化可以用對數正態(tài)( Lognormal)過(guò)2空空飛行場(chǎng)景程進(jìn)行建模。對數正態(tài)分布的概率密度函數公式為:由于飛機飛行時(shí)會(huì )飛越不同場(chǎng)景,在不同的環(huán)境下,受地P(x)(log(x)-m)面反射條件、周?chē)ㄖ锏炔煌挠绊?得到接收端信號幅度的統計特性也不同?？紤]到接收端信號幅度的統計特性與不以上提到的統計分布將用來(lái)描述LOS路徑傳播與SR路同飛行場(chǎng)景有關(guān),因此根據飛行過(guò)程中環(huán)境的不同,假設兩架徑傳播的統計特性。對于飛行器飛經(jīng)不同的場(chǎng)景以及在場(chǎng)景飛機同向飛行,其中一架作為信號發(fā)送端,另一架作為信號接之間進(jìn)行切換時(shí),LOS與SR路徑會(huì )表現出不同的統計分布。收端,飛行高度h=600m時(shí),將飛行場(chǎng)景劃分為:海面、山谷、2信道模型仿真結果城區、草原四種。(1)海面飛行器在不同場(chǎng)景之間進(jìn)行切換時(shí),在原有單一場(chǎng)景的兩架飛機同時(shí)飛過(guò)海面時(shí),由文獻[6得到此時(shí)的多普勒基礎上,考慮不同場(chǎng)景混合對信道產(chǎn)生的影響。在發(fā)送端發(fā)拓展與時(shí)延拓展分別為:0=12.83Hz,G=0.775μ。此時(shí)LOs送一個(gè)OFDM信號,接收端接收經(jīng)過(guò)信道失真的信號并存儲徑得到衰落服從菜斯(Rice)分布,SR徑衰落服從威布爾在內存中。信號由采樣頻率為Vs=20MHz,Nc=513路的載波( WeibulL)分布組成,因此載波間頻率間隔為Av=39.063kHz?？捎涗涀畲箝L(cháng)(2)山谷度信道沖擊響應時(shí)間為τm=256s。的當飛機在山谷中飛行,飛機飛行高度沒(méi)有山體高時(shí),山體實(shí)驗一:水面與草地之間場(chǎng)景切換。當空空通信場(chǎng)景發(fā)生在海岸處時(shí),飛行場(chǎng)景會(huì )在水面與行,當飛機轉彎時(shí)接收信號會(huì )有所衰落。此時(shí)1OS徑得到衰草地之間進(jìn)行切換此時(shí)接收信號振幅的統計分布會(huì )有變化,落服從對數正態(tài)( Lognorn)分布,SR徑衰落服從對數正態(tài)分別對LOS與SR路徑信號取一個(gè)權重α和β,對接收端數據進(jìn)( Lognormal)分布行仿真得到結果如圖2所示,顯示了LOS路徑和SR路徑接收(3)城區。信號直方圖的概率密度函數。信號振幅比1大是由于天線(xiàn)增飛機飛經(jīng)城區上空,此時(shí)地面建筑物比較多,反射情況比益的效果LOS路徑信號的振幅均值=1432,方差=0.0019。此較復雜。由文獻[6]得到此時(shí)的多普勒拓展與時(shí)延拓展分別為:σ時(shí)LOS路徑數據的直方圖用式(4)Rice函數擬合效果最好,與=1608Hz,=075us。此時(shí)LOs徑得到衰落服從對數正態(tài)理論曲線(xiàn)只有一個(gè)小的偏差( Lognormal)分布,SR徑衰落服從對數正態(tài)( Lognormal分布。(4)草地Weibull考慮飛機飛越草地,草地一直保持干燥狀態(tài)。由文獻[6!得到此時(shí)的多普勒拓展與時(shí)延拓展分別為:σ=106Hz,01=0356此時(shí)LOS徑衰落服從威布爾( Weibul)分布,SR徑衰落服從Nakagan分布。1.3衰落分布當存在直射分量并且多徑成分到達時(shí)的入射角均勻分布----1------}---信號的幅度可以用萊斯(Rice)分布進(jìn)行描述。這個(gè)模型用于描述存在機身反射的視距傳播路徑是合理的。為了產(chǎn)生萊斯過(guò)程,將高斯噪聲添加到LOS徑信號中,使得幅度分布對應于萊斯分布。萊斯分布的概率密度函數(PDF)為圖2LOS與SR路徑概率密度函數的最佳擬合分布p(x)=5x≥0(4)(水面與草地)可以看到,SR路徑與LOS路徑相似,但是用式(6)的σ是所有散射部分的總幅度,p是直射部分的振幅,J表 Weibu分布能夠更好地對數據進(jìn)行擬合。此時(shí)SR路徑的信示第一類(lèi)零階貝塞爾函數號振幅比LOS路徑要小,其均值m=0.708,方差σ=0.0023,對另一種普遍使用的衰落分布是 Nakagami分布,多用于描于數據的擬合有一個(gè)小的偏差述存在密集建筑的城區,可以通過(guò)形狀參數來(lái)調整數據的分實(shí)驗二:水面與山谷之間場(chǎng)景切換。布形狀。當k=1時(shí) Nakagami分布變成瑞利分布。 Nakagami同樣,當空空通信場(chǎng)景發(fā)生在海岸邊有山的地方時(shí),LOS分布的概率密度函數公式給出為路徑和SR路徑接收信號直方圖和概率密度函數如圖3所示。n()=2(kx“e∞+kox≥0k21/25)此時(shí)信號振幅均值m=1.12l,方差0=004。和在海岸處相r()、Ω同,用式(7)的 Lognormal分布來(lái)對數據擬合較好,但是其均值信息通信桂永強等:空空通信信道的統計特征分析要小,同時(shí)方差會(huì )變大一點(diǎn)?？梢越忉尀樵诖嬖谏襟w的復雜LOS Data環(huán)境下,信號的反射與遮擋作用會(huì )更強,導致信號幅度衰減,SR Data方差變大SR DutaNakagami圖5LOS與SR路徑概率密度函數的最佳擬合分布(草地與山谷)3結論與展望圖3LOS與SR路徑概率密度函數的最佳擬合分布本文基于德國宇航局對于航空通信信道實(shí)測的工作,考(水面與山谷慮當航空通信的場(chǎng)景進(jìn)行切換時(shí),LOS路徑與SR路徑信號振SR路徑統計分布用式(5)的 Nakagami函數來(lái)進(jìn)行匹配幅的統計分布可以用Rice、 Weibul. Lognormal、 Nakagami這更好。其振幅均值m=0362,方差G=018與圖2中數據幾種統計分布來(lái)進(jìn)行擬合。但是由于場(chǎng)景變換,LOS與SR路相比,信號振幅減小,同樣可以認為是山體這種復雜環(huán)境造成徑信號的統計分布有所變化?？梢钥吹疆斢谐菂^與山谷這種的結果建筑物密集的場(chǎng)景時(shí),SR路徑用 Nakagami分布來(lái)進(jìn)行擬合實(shí)驗三:草地與城區之間場(chǎng)景切換。比較適合,而LOS路徑用 Lognormal與 Weibull分布進(jìn)行擬合當草地與城區兩種環(huán)境同時(shí)存在,即建筑物比較稀疏時(shí)LOS路徑和SR路徑接收信號直方圖和概率密度函數如圖4效果較好。通過(guò)對航空信道場(chǎng)景切換下LOS與SR路徑接收所示。由圖4可以看出,數據分布發(fā)生了變化,此時(shí)對于LOS數據統計分布進(jìn)行分析,為空空信道建模提供有力的數據支路徑用式(6)的 Weibull分布進(jìn)行擬合比較好。其振幅均值撐m=1.325,方差o=0004.其振幅強度與圖2中強度相差不大,參考文獻:但是信號方差G變大l1] Philip A. Bello. Aeronautical channel characterization[JI此時(shí)式(7)中的 Lognormal分布對SR路徑數據幾乎可以IEEE Trans on Communication, 1973 COM-21(5): 548完美擬合,其振幅均值m=0.211,方差為σ=0.0024。由于地面上的建筑物與樹(shù)木會(huì )對接收信號造成影響,因此信號振幅減[2」 Erik haas. Aeronautical Channel ModelinglJl. IEEE Trans小[3 Niklas Goddemeier and C. Wietfeld. Investigation of Air-toAir Channel Characteristics and a UAV Specific Extensionto the Rice ModellCl. IEEE Globecom Workshops, 2015[4] Michael Walter and Michael Schnell. The Doppler-DelayCharacteristic of the Aeronautical Scatter Channel[J. IEEEVehicular Technology conference, 2011: 1-5[5 Michael Walter and Michael Schnell. Statistical DistributionOf Line-Of-Sight And Reflected Path In The aeronauticalystems Conference 2011, 47(10):4D1-1-4D1-9圖4LOS與SR路徑概率密度函數的最佳擬合分布[6 Michael Walter. S Gligorevic and T Detert Michael Schnell(草地與城區)UHF/VHF Air-to-Air Propagation Measurements[C]. Euro實(shí)驗四:草地與山谷之間場(chǎng)景切換pean Conference on Antennas Propagation, 2010: 1-5草地與山谷兩種場(chǎng)景同時(shí)存在時(shí),即當通信發(fā)生在這種7]Said.M. Elnoubi. A simplified stochastic model for the場(chǎng)景下,LOS路徑和SR路徑接收信號直方圖和概率密度函aeronautical mobile radio channel [Jl. in Proc. IEEE Veh數如圖5所示。與圖4中數據相比區別不大,LOS路徑Technol. Conf. 1992, pp 960-963樣用 Weibull分布來(lái)進(jìn)行擬合,均值m=1.295,方差σ=0.0047基金項目:本文工作受2014年國家級創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練項目資助SR路徑用式(5)中 Nakagami分布來(lái)進(jìn)行擬合,此時(shí)信號(項目編號:201410359022)均值m=0.175,方差σ=0.0030。與有水面場(chǎng)景存在下的統計作者簡(jiǎn)介:桂永強(1994-),男,河南信陽(yáng)人,主要研究方向為為分布相比,信號的擬合效果更好,數據誤差更小?？湛胀ㄐ判诺澜７治?/p>