面向植被覆盖山区的无人机应急通信信道建模_彭艺.pdf

第 卷第 期重庆邮电大学学报（自然科学版）年 月 （）：面向植被覆盖山区的无人机应急通信信道建模收稿日期：修订日期：通讯作者：彭 游 基金项目：国家自然科学基金（）：（）彭 艺，彭 游，杨青青，范泽昊（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，昆明）摘 要：植被覆盖下山区空地信道模型的建立是解决综合山区空地信道和植被覆盖损耗问题的重要方法，对山区无人机应急通信具有重要意义。考虑了山区空地信道以及植被覆盖区域，提出一种新的几何多径信道模型三径模型。基于模型多径分量推导山区复合反射路径长度矩阵并转换为路径最值矩阵，结合植被衰落因子获得山区空地植被损耗，对该模型下的综合损耗进行了仿真。仿真结果表明，植被覆盖山区空地信道模型得到的理论数据能有效地拟合实测数据集，该模型可以用于分析山区无人机应急通信场景。关键词：无人机；植被覆盖信道；高拟合度；山区应急通信中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；引 言无人机通信是超 代移动通信系统（，）的重要组成部分，无人机有组网灵活，机动性强，支持大规模接入和消除通信盲区等优势，近年在山区应急通信中受到了广泛的关注，并成为当下研究的热点。在高原山区应急通信场景中，无人机可以作为空中基站（）连接搜救用户的移动终端（），从而快速地重建可靠的通信服务。虽然无人机在通信领域展现出了巨大的应用潜力，然而还有 个因素会降低无人机中继通信质量：在所提通信场景下，无人机与用户间的视距存在树林和植被等障碍物，导致视距阴影衰落，从而引起接收信号的包络随机变化；无人机与用户处于移动态，将产生多普勒效应导致时域选择性衰落。综上所述，研究植被覆盖下高原山区空地信道建模可以有效拟合复合传输损耗，为实现无人机通信功率分配提供理论依据，这对高原山区应急通信具有重大意义。在植被覆盖下高原山区空地通信场景中，地形、植被会让无线信号传播形成散射、绕射和阴影等情况；复杂山区中基站架设的难度大、成本高，导致信号只能覆盖山区的局部区域。本文提出了一种新的附加植被损耗的射线信道模型，该模型考虑多径衰落和植被覆盖产生了阴影衰落再进一步评估植被山区中通信质量指标。基于无人机与用户在工业、科学、医学（，）频段建立的通信链路和新模型的数学关系推导山体反射的路径长度矩阵，再将多径长度矩阵迭代转换为路径最值矩阵来计算植被损耗，最后分析链路数据定位用户位置。无人机信道模型可分为统计性模型、确定性模型和随机性模型。随机性信道模型有马尔可夫模型、规则形状几何随机信道模型和非规则形状几何随机信道模型。确定性信道模型有射线追踪模型和分析性模型。在实际通信场景中，收发两端之间的信号都是通过散射实现（无直射波分量），且散射分量的数目很多，根据中心极限定理可得出多散射传输信道的统计性模型。在文献提出了一种级联广义 分布信道模型来描述多散射传输信道，分布描述多径衰落，分布描述阴影衰落，发射机、接收机和中继器都看成独立设备，这些设备统计独立不要求同分布。文献描述了逆伽马（，）分布，由于 分布的半重尾特性，也可描述阴影衰落，尤其是由于人的身体产生的阴影衰落。在文献中，分布相较于 分布，能与实测数据更好的拟合。文献提出了阴影双散射模型是级联广义 信道模型的简化，引入了“散射区”的新概念。综上所述，国内外关于无人机空地通信的相关研究，目前已取得了一定的进展，但仍然有场景应用范围的适应性与局限性的问题。因此，本文关注植被覆盖下的高原山区无人机应急通信和相关信道建模问题，具有重要的研究意义。通信场景和信道模型图 为高原山区空地通信场景。高原植被山区场景下无人机和用户相距很远，无人机在单斜面山坡的上方悬停，且四周没有障碍物而有强视距分量，即无人机无视距阴影衰落；用户四周散射区存在大量植被导致其周围产生阴影效应。新模型的优点是同时考虑对小尺度衰落 多径衰落和大尺度衰落 视距阴影衰落对传输信号的影响并进行建模。图 高原山区空地通信场景 森林场景传播经验模型本文通信场景是植被覆盖下的山区空地信道，由于在场景中存在大量松林和灌木，需要对其树叶、树冠产生的阴影衰落损耗分析进行数学建模。因此，本文根据经典的植被覆盖模型来引入植被衰落因子，以此推导出植被覆盖下山区空地传输损耗表达式。这些经典模型是威斯伯格的指数衰减模型、模型和 模型。威斯伯格模型的衰减因子为，（）（）式中：为传输频率，单位是；为植被中传输的距离。模型的衰减因子为（）模型的衰减因子为第 期 彭 艺，等：面向植被覆盖山区的无人机应急通信信道建模，植被内，植被外（）模型考虑了树叶数量随季节周期变化带来的影响。以上 种经典模型都能描述电磁波在植被中传播的阴影损耗。山区的三径点到点传播模型图 为高原山区三径模型。由图 可见该山区空地模型的多径分量包括直射分量、地面反射分量和斜面反射分量。通过引入斜面反射路径损耗，该射线模型能更准确地还原山区真实场景。图 高原山区三径模型 山区空地信道的综合路径损耗（不附加植被衰落因子）为（）（）（）（）（）式中：（，）为无人机和用户设备距离引起的相位差；为自由空间损耗；为地面反射损耗与斜面反射损耗之和。（）（）（）（）式是对 进一步简化。两种反射的相位差为（地面反射 视距）（地面反射 视距）（）（斜面反射 视距）（斜面反射 视距）（）（）（）式中：、为地面反射路径相位差；为波数。相较于自由空间模型和两径模型，本文设定场景下所提出新的三径模型能更准确还原山区空地通信场景。此外，还有能通过对该模型的数学表达式附加植被衰落因子来完成植被阴影衰落建模。模型的几何计算与衰落因子 三径模型几何计算图 为高原山区坐标系。为无人机纵坐标；为用户纵坐标；为山顶纵坐标；为山顶横坐标；为山底横坐标；为无人机横坐标；为山体倾角。无人机和用户的坐标分别为（，）和（，），无人机与用户在山坡斜面延长线上的垂直投影的坐标分别是（，）和（，），和 两坐标之间的直线距离为，山顶和山底的坐标为（，）和（，）。图 高原山区坐标系 直射路径、地面反射路径和斜面反射路径的数学解析式为 （）（）（）（）（）（）（）（）式中：为无人机户在长方形模型中斜面反射路径的等效高度；为用户在长方形模型中斜面反射路径的等效高度。重 庆 邮 电 大 学 学 报（自然科学版）第 卷无人机与用户在斜面投影坐标为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为无人机在斜面投影横坐标；为无人机在斜面投影纵坐标；为用户在斜面投影横坐标；为用户在斜面投影纵坐标。无人机斜面坐标解析式为 （）（）（）由（）（）式可以得到（，）中 和 的数学解析式。用户斜面坐标解析式为 （）（）通过（）（）式可以得到（，）中 和 的数学解析式。无人机与用户在斜面投影距离为（）（）（）（）式中，是 和 两坐标之间的距离。无人机与用户斜面反射距离为（）（）（）式给出了长方形模型下斜面反射路径的计算表达式，为山区空地通信链路中斜面反射路径。无人机与用户视距和地面反射距离为（）（）（）（）（）（）式中：为山区空地通信链路中视距路径；为山区空地通信链路中地面反射路径。植被衰落的引入无植被损耗的山区空地三径模型传播损耗为（）（）（）式中：为无人机和用户之间的视距距离，单位是；为植被损耗因子；为无线通信发射机输出功率；为接收机的接收功率。对（）式进一步化简得 （）（）式中：为自由空间传播损耗；为地面反射损耗和斜面反射损耗；是电磁波在山区树林中的传播损耗。由（）（）式可知，植被损耗因子 是关于频率 和距离 的二元函数。以 表示平均树高，通过实地测量，可取值为 。图 为植被覆盖下直射路径。由图 可知，直射路径几何关系，分析无人机和用户直射路径中被树林所遮挡的距离，从而建立（，）到（，）之间的直射方程。用户朝着山底 作匀速直线运动，（，）的坐标为（，）。图 植被覆盖下直射路径 无人机与用户直线参数为（）（）（）（）（）式中：上标 为用户移动路径上的第几个采样点，；为第 个采样点的用户横坐标；为第 个采样点直射路径的斜率；为第 个采样点直射路径的截距；为第 个采样点直射路径电磁波与树冠交点横坐标。联立 和可以求解出第 个采样点对应的交点坐标（，）。联立 和，植被覆盖下直射路径矩阵 为（）（）（）（）式中：为第 个采样点的植被覆盖直射路径；为植被覆盖直射路径矩阵，该矩阵是 维列向量。图 为植被覆盖下地面反射路径。定性分析了植被覆盖下山区空地的地面反射路径关系。在第 第 期 彭 艺，等：面向植被覆盖山区的无人机应急通信信道建模个采样点时，由于地面存在许多的反射点，所以无人机发射的电磁波在经过地面反射后会按不同的路径传播到用户。同时地面反射路径上有植被覆盖，所以在第 个采样点时，会有植被覆盖地面反射路径会有一个最大值和最小值。通过图 中表达的地面反射路径几何关系，分析无人机和用户地面反射路径中被树林所遮挡的距离，从而建立（，）到（，）之间的直线方程。图 植被覆盖下地面反射路径 无人机与地面反射点直线参数为 （）（）（）（）式中：为第 个采样点对应的所有地面反射点矩阵；为第 个采样点所对应的 的斜率矩阵；为第 个采样点所对应的 的截距矩阵；为第 个采样点的 路径与树冠交点横坐标矩阵。联立，解出第 个采样点对应的交点矩阵（，）。植被覆盖下地面反射路径的相关矩阵为（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为第 个采样点时从（，）到（，）路径中植被覆盖下地面反射路径矩阵；（）为第 个采样点时从（，）到（，）路径矩阵；（）第 个采样点植被覆盖地面反射路径矩阵。植被覆盖下地面反射路径最值为（）（）（）（）式中：为植被覆盖地面反射路径最大值矩阵；为植被覆盖地面反射路径最小值矩阵。使用 让（）作为嵌套循环的输入，循环输出的结果为最大值矩阵 和最小值矩阵。图 为植被覆盖下斜面反射路径。定性分析了植被覆盖下山区空地的斜面反射路径关系。在第 个采样点时，由于斜面存在许多的反射点，所以无人机发射的电磁波在经过斜面反射后会按不同的路径传播到用户。同时地面反射路径上有植被覆盖，所以在第 个采样点时，会有植被覆盖斜面路径的一个最大值和最小值。图 植被覆盖下斜面反射路径 通过图 中的表达的斜面反射路径几何关系，分析无人机和用户斜面反射路径中被树林所遮挡的距离，从而建立（，）到（，），（）的直线。当 时，植被会覆盖直线，可推导出（）（）（）（）（）式中：为第 个采样点对应的所有斜面反射点矩阵；为第 个采样点所对应的 的斜率矩阵，为第 个采样点所对应的 的截距矩阵；为第 个采样点的 路径与树冠交点横坐标矩阵。联立，解出第 个采样点对应的交点矩阵（，）。满足 约束下的植被覆盖下斜面反射路径的相关矩阵为（）（）（）（）（）（）重 庆 邮 电 大 学 学 报（自然科学版）第 卷（）（）（）（）（）式中：（）为第 个采样点时的（，）到（，）路径的植被覆盖下斜面反射路径矩阵；（）为第 个采样点时（，）到（，）路径矩阵；（）为当 时，第 个采样点植被覆盖斜面反射路径矩阵。当 时，植被会覆盖直线，可推导出（）（）（）（）（）式中：为第 个采样点对应的所有斜面反射点，所以 是矩阵；为第 个采样点所对应的 的斜率矩阵，为第 个采样点所对应的 的截距矩阵；为第 个采样点的 路径电磁波与树冠交点横坐标矩阵。联立，解出第 个采样点对应的交点矩阵（，）。满足约束下的植被覆盖下斜面反射路径的相关矩阵为（）（）（）（）（）（）（）式中，（）为第 个采样点植被覆盖下（，）到（，）路径矩阵。植被覆盖下地面反射路径最值为（），（）（），（）（）（）（）（）（）式中：（，）为取最大值函数，函数返回 和 中的最大值；（，）为取最小值函数，函数返回 和 中的最小值；为植被覆盖斜面反射路径最大值矩阵；为植被覆盖斜面反射路径最小值矩阵。种反射的路径最值矩阵为 （）（）式中，为植被覆盖下的山区空地路径最大值矩阵；为植被覆盖下的山区空地路径最小值矩阵。综合植被损耗最值矩阵为 （）（）（）式 中：为 植 被 损 耗 最 大 值 矩 阵；为植被损耗最小值矩阵。（）式用理论植被损耗的最值逼近实际植被损耗。仿真分析本文的实测数据集来源于在云南某个植被覆盖的山区开展的实测活动。实测环境的山