基于无人机的三维MIMO信道建模与仿真分析

黄丽莲, 刘　阔, 项建弘

(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)



基于无人机的三维MIMO信道建模与仿真分析

黄丽莲, 刘阔, 项建弘

(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要：针对无人机通信环境特点以及多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)系统,将三维空间相关法建模和机身遮挡现象相结合,提出一种无人机的三维移动空间信道模型(three dimensional dynamic spatial channel model, 3DD-SCM)。推导了无人机天线阵列的相关性表达式,同时提出一种遮挡控制器来表示无人机与地面在通信过程中受到机身遮挡的影响。通过仿真分别分析了无人机不同飞行方向和机身遮挡对信道性能的影响,验证了该信道模型的正确性和有效性。该无人机通信模型可用于指导无人机天线设计,研究编码技术。

关键词：信道建模; 多输入多输出; 空间信道建模; 机身遮挡

0引言

随着合成孔径雷达、红外扫描仪、可见光照相机等侦察设备在无人机上的安装,对无人机通信系统的数据传输能力要求越来越高,而无人机的数据传输能力不高的问题一直制约着这些先进设备的应用。近年来,由于多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)系统有着抑制干扰、抗多径衰落的特点,从而得到了广泛关注。文献[1]表明相比于单输入单输出系统、多输入单输出系统和单输入多输出系统,MIMO系统可以提供更高的信道容量,而建立准确的信道模型来描述无线信道的衰落特性是决定通信性能的一个重要因素。所以,将MIMO技术应用在无人机上,不仅可以解决无人机数据传输能力不高的问题,还可以提高通信系统的可靠性。因此,对于无人机MIMO通信信道模型的研究是极其有意义的。

在实际飞行过程中,无人机的灵活性和作战场景的复杂性都是其被广泛关注的原因之一,所以机身遮挡现象时有发生。文献[2]对机身遮挡问题进行了研究且设计了遮挡模型,建立了2D的信道模型。但是,在建筑密集的都市环境下,来波65%的能量是在俯仰角大于10°时到达接收天线的[3]。文献[4]证实了俯仰角对无线传播信道的影响,显然建立3D信道模型相比于2D模型更符合实际的通信环境,特别是对于地空之间通信来说。文献[5]考虑了俯仰角对空间相关性的影响,针对不同阵列假设可分辨多径的方位角和俯仰角的角度功率谱都服从为均匀分布建立了3D信道模型,对其信道特征进行了研究。文献[6]在文献[5]的基础上,以二元阵为例,对于任意空间距离天线建立MIMO信道接收阵列3D模型。在文献[7]所研究的低空通信模型中,提到将天线设计安装在机体下侧,可以更好地接收信号且抑制机身散射。

本文针对于非频率选择性MIMO信道,考虑俯仰角的角度扩展,采用Rice衰落模型建立更符合实际地空通信情况的3DD-SCM系统,分别推导出基站和无人机空间相关系数和视距传输系数的表达式,并且根据具体通信环境选择角度功率谱(power azimuth spectrum,PAS)的分布,分析了无人机的飞行方向对其空间相关性的影响,同时也研究了机身遮挡对该信道模型的误码率影响。通过仿真分析,证明了该信道模型的正确性和有效性。文中所构建的机身遮挡模型与实际复杂情况相比较为简化,可用于分析一般的飞行情况。

1MIMO信道模型

由于上行链路和下行链路是对称的关系,所以本文只考虑上行链路的MIMO信道模型,即无人机发送信号,地面基站接收信号。地面基站采用如图1所示的坐标系统模型,其天线个数为NR,αR为入射信号的水平方位角,βR为入射信号的俯仰角。

图1　地面基站坐标系统

假设无人机的天线个数为NT,且天线相互间距为dT均匀分布在无人机下侧。本文无人机端的坐标系统(NT=2)的建立如图2所示。其中,αT为发射信号的水平方位角,βT为发射信号的俯仰角,φ0表示飞机飞行方向的俯仰角,θ0表示飞机飞行方向的水平方位角。

图2　无人机端的坐标系统

在飞行过程中,当无人机飞行方向变化时,无人机天线之间空间距离也随之变化,导致空间相关性发生变化,最终对系统性能产生影响;同时,机身不可避免会对天线造成遮挡影响通信,所以有必要对无人机空间相关性和机身遮挡进行研究。

1.1空间相关系数

对于MIMO信道来说,由于信号入射角度的非全向性和非均匀分布,信道传输函数的相关特性与相应的空间距离矢量有关。3D空间中任意阵列中第n根天线相对于第m根天线的相关系数[4]可表示为

(1)

式中, Δr=rm-rn=(xm-xn,ym-yn,zm-zn),rm和rn分别为第m根和第n根天线相对原点的方向矢量。而kα,β为路径的波束矢量,kα,β=2π/λ(cos(α)sin(β),sin(α)sin(β),cos(β)),α和β分别为路径的方位角和俯仰角。Ωi表示当发射端天线发射单位功率电波,第i个天线接收到的功率。Gi(α,β)表示天线i的方向图。p(α)和p(β)分别表示信号到达或发送方向的水平方位角和俯仰角的PAS。

假设天线各向同性,即Gm(α,β)=Gn(α,β)=1,且假设Ωm=Ωn=1,对式(1)进行简化整理可得

(2)

对于如图1所示坐标系中的地面基站来说,即zi=0且yi=0,可对式(2)分析整理出任意阵列的相关系数计算公式,第n根天线相对于第m根天线的相关系数为

(3)

式中,v(α,β)表示天线的阵列流型,描述天线各阵元的接收或发送信号相位差;dR为地面天线阵元间距。

对于图2所示坐标系中的无人机端来说

代入式(2)中可得到无人机端的第n根天线相对于第m根天线的相关系数计算公式为

(4)

式中,方位角和俯仰角的角度功率谱函数有很多种选择,常用的几种角度功率谱分布包括均匀分布、高斯分布、截断拉普拉斯分布等。建立模型时,根据实际环境选择相应的角度功率谱。

1.2机身遮挡

根据图2所示的无人机端的坐标系统,假设地面基站只有一个接收天线的情况下,地面基站与无人机上的第m根发射天线之间的信道传输系数[8]为

ymsinβsinα+zmcosβ)]

(5)

式中,(xm,ym,zm)表示无人机坐标系统中第m根天线的坐标;fm(α,β)表示天线是否受到无人机机身的遮挡,这里的α,β分别表示的是视距分量的方位角和俯仰角;exp(·)表示天线信号干涉所造成的相位差。

MIMO无线通信信道的视距直射传输矩阵的计算公式为

(6)

为表示无人机天线的遮挡情况,根据式(5),加入遮挡控制器的视距直射传输矩阵，可以表示为

(7)

式中,遮挡控制器U表示为

(8)

为了简化模型方便讨论,本文只考虑无人机端存在2根天线的情况,分别安装在机身前后,则加入遮挡控制器的发射天线阵列流型化简表示为

(9)

本文只考虑无人机机翼平稳飞行,即不考虑机翼倾斜发生翻滚。此时,结合实际飞行情况,无人机天线的遮挡分为2种:①机身前侧的天线被遮挡。②机身后侧的天线被遮挡。当飞行方向的俯仰角小于π/2,飞行方向与信号发射方向反向的俯仰夹角大于φα且其方位夹角小于θα时,前侧天线受到机身遮挡;当飞行方向的俯仰角大于π/2,飞行方向与信号发射方向的俯仰夹角大于φβ且其方位夹角小于θβ时,后侧天线受到机身遮挡。天线受遮挡时的剖面和平面示意图如图3所示。

图3　机身遮挡示意图

对于无人机2根天线遮挡控制器的设计,式(8)中的fm(α,β)定义为

(10)

(11)

式(10)和式(11)分别表示前侧和后侧天线的遮挡情况。其中,θα，φα，θβ，φβ的大小由无人机机身的设计和天线位置决定。

2信道传输矩阵

对于上行链路来说,MIMO信道的整体相关矩阵可以表示成移动台端的相关矩阵RMS和基站的相关矩阵RBS的Kronecker乘积[9-10],即

(12)

MIMO信道的抽头系数矩阵计算公式表示为

(13)

非频率选择性信道的信道传输矩阵H可表示为散射矩阵Hray和视距矩阵HLOS的和[12-13],表达式为

(14)

式中,K为莱斯因子,表示LOS分量功率与散射分量功率的比值。

3仿真分析

本文仿真模型假定地面基站是配有4根天线的均匀线阵,即NR=4,且天线间距为半个波长;而无人机端配有2根天线,即NT=2,一根位于机身前侧,一根位于机身后侧,天线间距为5个波长,飞行速度为1 000km/h,载频300MHz。在偏远地区进行地空通信时,假设地面基站天线阵列附近散射体分布密集,即基站观测到的水平方位角和俯仰角的PAS都服从均匀分布;由于无人机周围散射体分布稀疏,所以在无人机端观测到的PAS均服从截断拉普拉斯分布[14]。

3.1相关性仿真分析

仿真中,无人机发出信号的平均方位角为60°,方位角范围为20°,方位角角度扩展10°;平均俯仰角为100°,俯仰角范围为20°,俯仰角角度扩展为10°。

图4中显示出了无人机飞行方向的方位角θ0和俯仰角φ0分别在[0,2π]和[0,π]变化时,对无人机端相关系数的影响。此时,无人机两天线间距取5λ。从图中我们可以看出当[θ0,φ0]取为[60,100]和[240,80]时,相关系数最大;而当[θ0,φ0]取值在[0,40]、[0,140]、[180,40]、[180,140]附近时,相关系数最小。从图5中,可以观察到随着距离的增加,相关系数越来越小;无人机飞行方向与发射信号方向越接近,相关曲线下降越缓,相同天线间距时的相关系数越大。以上都与理论结果一致,当无人机飞行方向与信号发射方向一致或反向,相关性最强;当飞行方向与信号方向垂直时,相关性最弱。

图4　无人机飞行方向对相关性的影响

图5　无人机天线距离对相关性的影响

图6表示基站天线的相关性随仰角的变化曲线。假设飞机飞行高度升高,使得基站接收信号的平均到达仰角升高,而对其方位角、仰角的角度扩展没有影响。从图6可以观察到,当平均到达方位角(angleofarrival,AOA)为0°时,相关性随着无人机高度的升高而下降;而当AOA为60°和90°时,相关性随着无人机高度的升高而升高。所以,无人机飞行高度不同,会对基站入射信号的相关性有影响。

3.2机身遮挡对系统性能影响

发射端在未知传输信道的状态信息条件下,归一化的信道容量计算可以表示为

(15)

式中,H为归一化的信道传输矩阵;PT为发射端的总功率,假设各发射天线上的功率相等;Pn为接收端白噪声的功率;nT为发射天线数目;PT/Pn即为信噪比。

图6　相关系数随平均仰角的变化曲线

由于散射分量的传播方向与视距直射分量方向不相同,所以本文假设机身遮挡只针对于视距直射分量,对散射分量无影响,而机身遮挡产生的反射或散射分量并没有进入接收天线。图7显示的是不同飞行方向与信道容量的关系。仿真中,仿真数为1 000 000个数据,莱斯因子K=10 dB,θα=3°,φα=30°,θβ=5°,φβ=20°。

图7　飞行方向对信道容量的影响

在图7中,可以观察到当无人机端天线受到机身遮挡时,相同信噪比的情况下,通信信道的信道容量变大。这是因为发生机身遮挡效应的情况下,视距路径的存在,导致天线之间的相关性减小从而使信道的容量增加。从图7中,还可以发现随着无人机飞行方向与信号发射方向越接近,相关性越强,信道的容量越小;使用单天线发送信号时的信道容量明显低于多天线。

图8显示了采用Alamouti空时编码[15]的信道通信情况下,机身遮挡对误码率的影响。仿真的参数:符号个数为106,调制方式QPSK,莱斯因子K=18dB。根据文献[16]中的结论:莱斯因子越大,误码率越低,或者可以说视距分量越大,误码率越低。而从图7中可以看出,机身遮挡效应对于采用Alamouti空时编码的信道影响很小,并没有与文献[16]中结论相吻合,这说明Alamouti空时编码对机身遮挡效应起到了抑制作用。图8同时也表明2发4收系统相比2发2收系统,分集所造成的误码率降低是极其明显的。通过以上仿真可知,该信道模型的建立是正确的,有效的。

图8　机身遮挡对误码率影响

4结论

针对非频率选择性MIMO信道,在空间相关性建模的基础上,建立了一种用于无人机空地通信的多天线3DD-SCM系统,推导出无人机空间相关性的表达式,并且设计了遮挡控制器来表示无人机天线遮挡情况,分析了无人机飞行方向和天线间距对相关性的影响。得出如下结论:无人机飞行方向与信号方向越接近,相关性越强,信道容量越小;在发生机身遮挡现象时,采用Alamouti空时编码对机身遮挡起到抑制作用。同时,研究结果也表明本文建立的信道模型的正确性和有效性。该模型可用于建立更复杂飞行状况的通信信道模型,研究抑制机身遮挡效应的编码方式,对于飞机天线的设计也有一定的实际应用价值。

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黄丽莲(1972-),女,教授,博士,主要研究方向为非线性系统理论、复杂网络和混沌控制。

E-mail:lilian_huang@163.com

刘阔(1989-),男,硕士研究生,主要研究方向为数字通信、无线信道仿真。

E-mail:liukuo2014@163.com

项建弘(1977-),男,副教授,博士,主要研究方向为天线理论与工程、数字通信。

E-mail:xiangjianhong@hrbeu.edu.cn

网络优先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141017.1606.008.html

Three dimension MIMO channel modeling and simulation analysis

based on UAV

HUANG Li-lian, LIU Kuo, XIANG Jian-hong

(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:For unmaned aerial vehick (UAV) communication environment characteristics and the multiple input multiple output system (MIMO), which combined the three-dimensional (3D) spatial correlation method and the body shadowing phenomenon, a kind of the UAV 3D dynamic spatial channel model is put forward, referred to as 3DD-SCM. Correlation expressions of the UAV antenna array are derived, and a kind of shielding controller is proposed to express body shadowing effects of the UAV and ground in the process of communication. Through the simulation analysis of the UAV in different flight directions and body shadowing effects on channel performance, verify the correctness and effectiveness of the channel model. The UAV communication model can be used to guide the UAV antenna design and research the coding technology.

Keywords:channel modeling; multiple input multiple output(MIMO); spatial channel model; body shadowing

作者简介：

中图分类号：TN 929.5

文献标志码：ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.05.32

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(HEUCFT130805);国防科技重点实验室基金(9140C020201120C02002)资助课题

收稿日期：2014-04-10；修回日期：2014-09-10；网络优先出版日期：2014-10-17。