CN104158607B - 一种无人机通信系统模型 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人机通信系统模型，不仅包括：基站、通信信道模型和无人机，还包括无人机的机身遮挡模型。无人机的机身遮挡模型用于模拟无人机在通信过程中机身对通信信号的遮挡。本发明的无人机通信系统模型，通过无人机的机身遮挡模型模拟无人机在实际通信过程中机身对通信信号的遮挡，提高了对无人机通信系统中的通信信道进行的性能评估的准确性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种无人机通信系统模型。
背景技术
为了对无人机通信系统中的通信信道进行性能评估，通常需要建立无人机通信通信系统模型。目前的无人机通信通信系统模型通常包括：基站、通信信道模型和无人机，并基于建立的通信信道模型对无人机通信系统中的通信信道进行性能评估。
但是，通常情况下，无人机在实际飞行过程中的飞行方向是不断变化的，无人机飞行方向的变化使得无人机的各天线之间的空间位置也不断变化，最终导致无人机在飞行过程中的实际通信信道与通信信道模型对应的通信信道不一致。
因此，现有技术中的基于通信信道模型对无人机通信系统中的通信信道进行的性能评估，其准确性较低。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种无人机通信系统模型。
本发明提供一种无人机通信系统模型，包括：基站、通信信道模型和无人机，其特征在于，还包括：无人机的机身遮挡模型，所述机身遮挡模型用于模拟所述无人机在通信过程中机身对通信信号的遮挡；
根据所述通信信道模型和所述机身遮挡模型，建立无人机通信信道的视距直射传输矩阵，所述通信信道的视距直射传输矩阵为：
H′LOS＝U*HLOS
其中，HLOS表示未加入机身遮挡模型时通信信道的视距直射传输矩阵，U表示机身遮挡模型。
如上所述的无人机通信系统模型，其中，所述机身遮挡模型U为：
其中，表示无人机上的第NT根天线是否受到无人机机身的遮挡。
如上所述的无人机通信系统模型，其中，当基站只有1根接收天线时，所述基站与所述无人机上的第m根发射天线之间的信道传输系数为：
其中，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，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，j为虚数单位，λ为电波波长。
如上所述的无人机通信系统模型，其中，在所述通信系统模型的三维空间中，第n根天线相对于第m根天线的相关系数为：
其中，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，α和β分别为路径的方位角和俯仰角，kα，β为路径的波束矢量，kα，β＝2π/λ(cos(β)cos(α)，cos(β)sin(α)，sin(ββ))，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角度功率谱(PAS)。
如上所述的无人机通信系统模型，其中，所述基站位于地面，若所述通信系统模型的三维空间中的天线各向同性，即Gm(α，β)＝Gn(α，β)＝1，且假设Ωm＝Ωn＝1，则所述无人机的第n根天线相对于第m根天线的相关系数为：
其中，dT为天线间距，θ0和φ0分别表示无人机飞行方向矢量的水平方位角和俯仰角，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角度功率谱(PAS)。
如上所述的无人机通信系统模型，其中，根据所述通信信道和所述机身遮挡模型建立通信信道的信道传输矩阵，对所述通信系统中的通信信道性能进行评估；
所述通信信道的信道传输矩阵H为：
其中，Hray为所述通信信道的散射矩阵，H′LOS为所述通信信道的视距直射传输矩阵。
本发明的无人机通信系统模型，通过增设无人机的机身遮挡模型，模拟无人机在实际通信过程中机身对通信信号的遮挡，因此，基于本发明的无人机通信系统模型对无人机通信系统中的通信信道进行的性能评估准确性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的无人机通信系统模型示意图；
图2、图3为本发明无人机通信系统模型实施例中基站的坐标系示意图；
图4、图5为本发明无人机通信系统模型实施例中无人机的坐标系示意图；
图6为本发明无人机机身遮挡前侧天线实施例的剖面图；
图7为本发明无人机机身遮挡前侧天线实施例的平面示意图；
图8为本发明无人机机身遮挡后侧天线实施例的剖面图；
图9为本发明无人机机身遮挡后侧天线实施例的平面示意图；
图10为本发明实施例提供的通信信道的仿真流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的无人机通信系统模型示意图。如图1所示，本发明的无人机通信系统模型不仅包括：基站101、通信信道模型102、无人机103，还包括无人机的机身遮挡模型104，其中机身遮挡模型104用于模拟无人机103在通信过程中机身对通信信号的遮挡。
图2、图3为本发明无人机通信系统模型实施例中基站的坐标系示意图。参照图2和图3，基站在地面通过天线接收无人机发送的信号，例如，基站的天线个数为NR，αR为入射信号的水平方位角，βR为入射信号的俯仰角。
图4、图5为本发明无人机通信系统模型实施例中无人机的坐标系示意图。参照图4和图5，无人机通过天线向地面发送信号，假设无人机的天线个数为NT，且天线相互间距为dT并均匀分布在无人机下侧。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表示无人机飞行方向的俯仰角，θ0表示无人机飞行方向的水平方位角。
如上所述的无人机通信系统模型，其中，在所述通信系统模型的三维空间中，第n根天线相对于第m根天线的相关系数可以表示为：
其中，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，α和β分别为路径的方位角和俯仰角，kα，β为路径的波束矢量，kα，β＝2π/λ(cos(β)cos(α)，cos(β)sin(α)，sin(β))，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角度功率谱。
进一步的，当基站位于地面时，且通信系统模型的三维空间中的天线各向同性，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：
对于如图2和图3所示坐标系中的地面基站来说，即zi＝0且yi＝0，可对(2)式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：
其中，vm(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。
对于如图4和图5所示坐标系中的无人机端来说，
带入(2)
式中可得到无人机的第n根天线相对于第m根天线的相关系数的计算公式：
其中，dT为天线间距，θ0和φ0分别表示无人机飞行方向矢量的水平方位角和俯仰角，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角度功率谱。
上式中，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。
如上所述的无人机通信系统模型，其中，在地面基站只有1根接收天线的情况下，所述基站与所述无人机上的第m根发射天线之间的信道传输系数可以表示为：
其中，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，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，j为虚数单位，λ为电波波长。
基于本发明实施例提供的无人机通信系统模型，根据通信信道模型和机身遮挡模型，建立无人机通信信道的视距直射传输矩阵，例如，通信信道的视距直射传输矩阵为：
H′LOS＝U*HLOS (6)
HLOS＝vT(αT，βT)*vR(αR，βR)T (7)
其中，HLOS表示未加入机身遮挡模型时通信信道的视距直射传输矩阵，U表示机身遮挡模型。机身遮挡模型U可以表示为：
其中，表示无人机上的第NT根天线是否受到无人机机身的遮挡。
为了简化模型方便讨论，现以无人机端存在2根天线的情况为例，无人机的2根天线分别安装在无人机机身前后，则加入遮挡控制模型的发射天线阵列流型化简表示为：
现只讨论无人机机翼平稳飞行的情况，即不考虑机翼倾斜或发生翻滚的情况。此时，结合实际飞行情况，无人机天线的遮挡分为两种：1)机身前侧的天线被遮挡。2)机身后侧的天线被遮挡。
图6为本发明无人机机身遮挡前侧天线实施例的剖面图，图7为本发明无人机机身遮挡前侧天线实施例的平面示意图。参照图6和图7，当无人机飞行方向的俯仰角小于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；图8为本发明无人机机身遮挡后侧天线实施例的剖面图，图9为本发明无人机机身遮挡后侧天线实施例的平面示意图。参照图8和图9当无人机飞行方向的俯仰角大于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。
对于无人机2根天线遮挡控制器的设计，(8)式中的fm(α，β)定义为：
(10)式、(11)式分别表示前侧和后侧天线的遮挡情况。其中，θα、φβ、θβ、φβ的大小由无人机机身的设计和天线位置决定。
如上所述的无人机通信系统模型，优选地，可以根据所述通信信道模型和所述机身遮挡模型建立通信信道的信道传输矩阵，对所述通信系统中的通信信道性能进行评估。
图10为本发明实施例提供的通信信道的仿真流程图。参照10所示，对于上行链路来说，MIMO(多输入多输出)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(克罗内克函数)乘积，即
MIMO信道的抽头系数矩阵计算公式为：
其中，Pl表示时延扩展，由延迟功率谱决定，对于非频率选择性信道来说，P＝0dB；C表示RMIMO经cholesky(平方根法)分解得到的空间相关成形矩阵；服从复高斯公布，由滤波器法得到，即将零均值、单位方差的独立复高斯变量经过相应的多普勒谱成型。对抽头系数矩阵Al进行整理即可得到散射矩阵Hray，而视距矩阵H′LOS可由公式(6)生成。
非频率选择性信道的信道传输矩阵H可表示为通信信道的散射矩阵Hray和通信信道的视距矩阵H′LOS的和，表达式为：
本发明实施例的无人机通信系统模型，增设了无人机的机身遮挡模型，模拟无人机在实际通信过程中机身对通信信号的遮挡，并对系统模型中的三维空间相关模型进行改进，然后通过将改进的三维空间相关模型和增设的机身遮挡模型相结合，对通信系统中的通信信道进行性能评估，提高了性能评估的准确性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种无人机通信系统模型，包括：基站、通信信道模型和无人机，其特征在于，还包括：无人机的机身遮挡模型，所述机身遮挡模型用于模拟所述无人机在通信过程中机身对通信信号的遮挡；
根据所述通信信道模型和所述机身遮挡模型，建立无人机通信信道的视距直射传输矩阵，所述通信信道的视距直射传输矩阵为：
H′LOS＝U*HLOS
其中，HLOS表示未加入机身遮挡模型时通信信道的视距直射传输矩阵，U表示机身遮挡模型；
所述机身遮挡模型U为：
其中，表示无人机上的第NT根天线是否受到无人机机身的遮挡，α、β分别表示的是视距分量的方位角和俯仰角；
HLOS＝vT(αT，βT)*vR(αR，βR)T
其中vT(αT，βT)表示无人机发射天线的阵列流型，矩阵表示为：
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vR(αR，βR)T表示地面基站接收天线的阵列流型的转置矩阵，矩阵表示为：，
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其中，λ为电磁波波长，xm，ym，zm表示发端无人机坐标系统中第m根天线的坐标，xk，yk，zk表示收端基站第k根天线的坐标，αT表示直射视距LOS路径的发送方位角，即LOS场景下直射视距LOS路径与发送端基站天线阵列的法线方向之间的夹角，αR表示直射视距LOS路径的接收方位角，即LOS场景下直射视距LOS路径与接收端无人机天线阵列的法线方向之间的夹角，βT表示直射视距LOS路径的发送俯仰角，βR表示直射视距LOS路径的接收俯仰角。
2.根据权利要求1所述的无人机通信系统模型，其特征在于，当基站只有1根接收天线时，所述基站与所述无人机上的第m根发射天线之间的信道传输系数为：
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其中，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，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，j为虚数单位，λ为电波波长。
3.根据权利要求1所述的无人机通信系统模型，其特征在于，在所述通信系统模型的三维空间中，第n根天线相对于第m根天线的相关系数为：
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其中，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，α和β分别为路径的方位角和俯仰角，kα，β为路径的波束矢量，kα，β＝2π/λ(cos(β)cos(α)，cos(β)sin(α)，sin(β))，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角度功率谱(PAS)。
4.根据权利要求3所述的无人机通信系统模型，其特征在于，所述基站位于地面，若所述通信系统模型的三维空间中的天线各向同性，即Gm(α，β)＝Gn(α，β)＝1，且假设Ωm＝Ωn＝1，则所述无人机的第n根天线相对于第m根天线的相关系数为：
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>&rho;</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>n</mi>
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<mo>=</mo>
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<mi>exp</mi>
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<mn>0</mn>
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<mn>0</mn>
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<mn>0</mn>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>d</mi>
<mi>&beta;</mi>
<mi>d</mi>
<mi>&alpha;</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，dT为天线间距，θ0和φ0分别表示无人机飞行方向矢量的水平方位角和俯仰角，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角度功率谱(PAS)。
5.根据权利要求1-4任意项所述的无人机通信系统模型，其特征在于，根据所述通信信道和所述机身遮挡模型建立通信信道的信道传输矩阵，对所述通信系统中的通信信道性能进行评估；
所述通信信道的信道传输矩阵H为：
<mrow>
<mi>H</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mfrac>
<mi>K</mi>
<mrow>
<mi>K</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
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<msub>
<mi>H</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
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<mi>y</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msqrt>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<mi>K</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
</msqrt>
<msub>
<msup>
<mi>H</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mi>O</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
其中，Hray为所述通信信道的散射矩阵，H′LOS为所述通信信道的视距直射传输矩阵。
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| Analysis of Unmanned Aerial Vehicle MIMO Channel Capacity Based on Aircraft Attitude;Xijun Gao .et;《WSEAS Transactions on Information Science & Applications》;20130301;第10卷(第2期);全文 * |
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