CN106982100A - 一种戈壁滩环境空地信道建模方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种戈壁滩环境空地信道建模方法及装置，该方法包括：分析戈壁滩环境中空地信道传输的实际因素,提取在该环境中的实际气候条件下的空地信道建模所需的相关参数；并根据获取到的发射端与接收端的已知信息，设置合理的参数并建立初步的信道模型；提取影响空地信道建模的影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型，实现了所建立的信道模型与真实场景有较强的一致性，能够有效体现实际信道的传输特性的目的。

Description

一种戈壁滩环境空地信道建模方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种适用于戈壁滩环境的空地信道建模方法及装置。

背景技术

最近几年，伴随着无人机和热气球等空中平台技术的发展以及应用场景的日益广泛，越来越多的勘测人员和机构开始研究利用空中平台技术进行空地通信，用来完成数据的勘测、探测和回传。特别是在特殊的地貌环境中，例如戈壁滩或者沙漠，利用空中平台技术可以很好地完成地理勘测和探测任务。

为了将空中平台收集的数据精确回传到地面站进行分析处理，需要建立合适的空地传播信道模型。目前，空地信道建模方法还处于简化的二径(直射径与反射径)模型的理论研究阶段，但是对于特殊的地形地貌环境，该方法并未考虑地形的地理特征和气候条件等因素的影响。比如，戈壁滩的地面几乎被岩漠、粗沙和砾石等所覆盖，风沙活动频繁且很凶猛，地表干燥裸露，沙砾易被吹扬，常形成沙暴；并且气温、地温的日较差和年较差大，多晴天，日照时间长，并且戈壁滩经常遇到大风的天气情况会带来多普勒效应，导致目前的空地信道建模方法建立的模型只能用于理论分析阶段，和实际场景有较大区别，有效性较低。可见，现有的建模方法建立的模型只能处于理论分析阶段，并未考虑实际的应用场景中的地形和气候因素的影响，使得建立的模型与实际场景有较大的区别，有效性低。

发明内容

针对于上述问题，本发明提供一种戈壁滩环境空地信道建模方法及装置，实现了所建立的模型与真实场景有较强的一致性，能够有效体现实际信道的传输特性的目的。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种戈壁滩环境空地信道建模方法，该方法包括：

分析戈壁滩环境中空地信道传输的实际影响因素,提取在该环境中的实际气候条件下空地信道传输的相关参数，其中，所述实际因素包括传输特性、地表地理特征和影响信道建模的气候因素；

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，设置合理的参数并建立初步的信道模型，其中，所述发射端与接收端的已知信息包括:所述发射端与接收端的海拔高度、地理位置和相对运动速度,收发天线高度和增益的相关天线特性指标、电波频率和入射角信号的相关特征；

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，提取影响空地信道建模的影响因素，其中，所述影响因素包括：多径数，多径相对时延、相对功率、多普勒谱，及大气吸收损耗和云雾吸收衰减的相关气候影响因素；

通过所述影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

优选的，所述根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，提取影响空地信道建模的影响因素，包括：

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在直射径，如果是，则计算直射径的路径损耗；

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在反射径，如果是，则确定反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率；

计算多普勒频率，获取多普勒谱；

提取所述相关参数中的大气吸收因素和所述云雾吸收衰减因素，分别计算获得大气吸收损耗和云雾吸收衰减。

优选的，所述根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在反射径，如果是，则确定反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率，包括：

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，对无线电波传输的球形地面反射面进行参数转换，获得平面参数；

根据所述平面参数，获取反射径的反射点的位置和有效反射区；

如果反射点的位置在所述有效反射区内，则根据反射表面的粗糙程度判断入射线在所述反射点位置是否发生反射现象，如果是，则存在反射径，获得所述反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率。

优选的，所述计算多普勒频率，获取多普勒谱，包括：

提取所述信道在实际环境下的所述相关参数中的风速与风向因素，利用风速组合模型，计算获得风速矢量；

对所述风速矢量与空中平台的相对运动数度进行矢量求和，并根据多普勒频率公式计算多普勒频率，获取多普勒谱。

优选的，所述通过所述影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型，包括：

计算视距直射径的路径损耗PL_LOS，其中，

式中，P_t为电波的发射功率，P_rLOS为电波经直射径传播后到达接收端的功率，PL_F(d)[dB]为自由空间路径损耗，PL_AT[dB]为大气吸收损耗，PL_CL[dB]为云雾吸收衰减损耗；

计算第i条地面反射径引起的路径损耗P_rRL(i)，其中，

式中，P_rRL(i)为第i条地面反射径到达接收端的功率，P_rLOS为视距(LOS)直射径到达接收端的功率，Γ(i)为第i条地面反射径的菲涅尔反射系数，Δd(i)为直射径与第i条地面反射径间的程差；

通过所述视距直射径的路径损耗、所述每条地面反射径的路径损耗、所述每条反射径的相对时延和所述多普勒谱对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

根据本发明的第二方面，提供了一种戈壁滩环境空地信道建模装置，该装置包括：

第一提取模块，用于分析戈壁滩环境中空地信道传输的实际影响因素,提取在该环境中的实际气候条件下空地信道传输的相关参数，其中，所述实际因素包括传输特性、地表地理特征和影响信道建模的气候因素；

建立模块，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，设置合理的参数并建立初步的信道模型，其中，所述发射端与接收端的已知信息包括:所述发射端与接收端的海拔高度、地理位置和相对运动速度,收发天线高度和增益的相关天线特性指标、电波频率和入射角信号的相关特征；

第二提取模块，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，提取影响空地信道建模的影响因素，其中，所述影响因素包括：多径数，多径相对时延、相对功率、多普勒谱，及大气吸收损耗和云雾吸收衰减的相关气候影响因素；

校正模块，用于通过所述影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

优选的，所述第二提取模块包括：

第一计算单元，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在直射径，如果是，则计算直射径的路径损耗；

第二计算单元，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在反射径，如果是，则确定反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率；

第三计算单元，用于计算多普勒频率，获取多普勒谱；

第四计算单元，用于提取所述相关参数中的大气吸收因素和所述云雾吸收衰减因素，分别计算获得大气吸收损耗和云雾吸收衰减。

优选的，所述第二计算单元包括：

参数转换单元，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，对无线电波传输的球形地面反射面进行参数转换，获得平面参数；

获取单元，用于根据所述平面参数，获取反射径的反射点的位置和有效反射区；

判断单元，用于如果反射点的位置在所述有效反射区内，则根据反射表面的粗糙程度判断入射线在所述反射点位置是否发生反射现象，如果是，则存在反射径，获得所述反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率。

优选的，其特征在于，所述第三计算单元包括：

风速矢量计算单元，用于提取所述信道在实际环境下的所述相关参数中的风速与风向因素，利用风速组合模型，计算获得风速矢量；

多普勒谱获取单元，用于对所述风速矢量与空中平台的相对运动数度进行矢量求和，并根据多普勒频率公式计算多普勒频率，获取多普勒谱。

优选的，所述校正模块包括：

第一路径损耗计算单元，用于计算视距直射径的路径损耗PL_LOS，其中，

式中，P_t为电波的发射功率，P_rLOS为电波经直射径传播后到达接收端的功率，PL_F(d)[dB]为自由空间路径损耗，PL_AT[dB]为大气吸收损耗，PL_CL[dB]为云雾吸收衰减损耗；

第二路径损耗计算单元，用于计算第i条地面反射径引起的路径损耗P_rRL(i)，其中，

式中，P_rRL(i)为第i条地面反射径到达接收端的功率，P_rLOS为视距(LOS)直射径到达接收端的功率，Γ(i)为第i条地面反射径的菲涅尔反射系数，Δd(i)为直射径与第i条地面反射径间的程差；

细化校正单元，用于通过所述视距直射径的路径损耗、所述每条地面反射径的路径损耗、所述每条反射径的相对时延和所述多普勒谱对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

相较于现有技术，本发明分析戈壁滩环境中空地信道的实际因素,提取在该环境中的实际气候条件下的相关参数，并根据获取到的发射端与接收端的已知信息，设置合理的参数并建立初步的信道模型；提取影响空地信道建模的影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。本发明通过引入了戈壁滩环境的地理特征和气候影响因素，和真实场景有较强的一致性，实现了所建立的信道模型与真实场景有较强的一致性，能够有效体现实际信道的传输特性的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种戈壁滩环境空地信道建模方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的戈壁滩环境中空地信道场景示意图；

图3为本发明实施例的球形地面反射转换的示意图；

图4为本发明实施例二对应的图1中所示S13步骤中的提取影响空地信道建模的影响因素的流程示意图；

图5为本发明实施例二对应的图4中所示S31步骤中的计算相对时延的流程示意图；

图6为本发明实施例的有效菲涅尔反射区的示意图；

图7为本发明实施例二对应的图4中所示S32步骤中的获取多普勒谱的流程示意图；

图8为本发明实施例的风速气候对多普勒效应影响的场景示意图；

图9为本发明实施例二对应的图1中所示S14步骤中的构建戈壁滩的空地信道传输模型的流程示意图；

图10为本发明实施例三提供的一种戈壁滩环境空地信道建模装置的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的说明书和权力要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

实施例一

参见图1为本发明实施例一提供的一种戈壁滩空地信道建模方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

S11、分析戈壁滩环境中空地信道传输的实际影响因素,提取在该环境中的实际气候条件下空地信道传输的相关参数；

其中，所述实际因素包括传输特性、地表地理特征和影响信道建模的气候因素，如图2所示，戈壁滩环境中，空中平台可能包括飞机、无人机和热气球等，不同空中平台的飞行参数有所不同，这样与地面站中的接收装置之间的传输特性也会有所不同，同时由于地面站的地理位置和气候条件也有所不同，所以信道建模时要对具体通信情况分析，来提取在特定环境中的实际气候条件下的某些相关参数。

S12、根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，设置合理的参数并建立初步的信道模型；

其中，所述发射端与接收端的已知信息包括:所述发射端与接收端的海拔高度、地理位置和相对运动速度,收发天线高度和增益的相关天线特性指标、电波频率和入射角信号的相关特征。空中平台由于飞行高度较高，且地面站相对固定，所以一般具有“通视”通信条件，即LOS直射径。同时，空地通信传输会受到地面站附近地表明的物理特征和环境气候的影响，可能存在反射径或散射径等现象，需要针对戈壁滩环境特征确定信道模型。

在实际通信信道数据难以获取的情况下，获取发射端和接收端的相关信息尤为重要。如图3所示，空中平台的天线高度h₁、地面站的天线高度h₂、距离信息d、空中平台与地面站的相对运动速度V_y；信号电波的工作频率f_c、电波入射角反射角等；地面站附近的地理特征，如戈壁滩的地表面(沙砾/岩石/湖泊)、起伏面高度、气候条件等。这些信息是识别戈壁滩环境空地信道建模的关键因素，设置合理的参数能够帮助建立准确的信道模型。

S13、根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，提取影响空地信道建模的影响因素；

其中，所述影响因素包括：多径数，多径相对时延、相对功率、多普勒谱，及大气吸收损耗和云雾吸收衰减的相关气候影响因素；

S14、通过所述影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

通过本发明实施例一公开的技术方案，对戈壁滩环境中空地信道的实际因素进行了分析，获取了在特定环境中的实际气候条件下的相关参数，并且结合空中平台和地面站中的发射端与接收端的已知信息设置合理的参数值，建立了初步的信道模型，再通过实际环境获取到的影响因素对初步的信道模型进行细化校正，最终建立了戈壁滩的空地信道传输模型。实现了所建立的信道模型与真实场景有较强的一致性，能够有效体现实际信道的传输特性的目的。

实施例二

参照本发明实施例一和图1中所描述的S11到S14步骤的具体过程，并参见图4为本发明实施例二中所对应的图1中所示S13步骤中的提取影响空地信道建模的影响因素的流程示意图，图1中步骤S13具体包括：

S30、根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在直射径，如果是，则计算直射径的路径损耗；

S31、根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在反射径，如果是，则确定反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率；

具体的，参见图5为本发明实施例二对应的图4中所示步骤S31步骤中的计算相对时延的流程示意图，其中步骤S31包括：

S311、根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，对无线电波传输的球形地面反射面进行参数转换，获得平面参数；

实际的无线电波传输不是在理想平面上，而是在一个曲面上。地球表面可以等效成一个光滑的球面和大小不规则起伏面的组合，这样就形成了以球面的反射点为主，多个不规则面的反射点综合作用的多径模型，到达接收点的电波为LOS直射径和这些反射径的总和。按照经典双径模型理论，考虑到地球曲面对反射的影响，需要将实际的地球曲面平面化，将球形的地面反射面进行参数转换，使其球形参数转换为平面参数。

参照图3，A和B分别为发射点和接收点，T为反射点，EF为通过反射点T的地球切线，A₁和B₁分别是天线A和B在地球上的投影，E和F分别为天线A和B在地球切线上的投影，则AB＝d、ET＝d₁、FT＝d₂、AT＝d₁′、BT＝d₂′。发射点A发射的电磁波照射到地表面会引起反射或漫反射(即散射)。地表面的粗糙程度，直接决定电波是发生反射还是散射，以及反射波的强弱程度。

针对戈壁滩地形地貌环境，主要以光滑反射面的地面反射为主，反射波的电场强度取决于入射波在介质中的菲涅尔反射系数。关于地面对电波反射特性的研究比较成熟，对于不同极化形式的电波，相同的地面呈现不同的反射特性，这与电矢量是否在电磁场的入射平面内有关。根据菲涅尔(Fresnel)反射定律，对于光滑地面反射，菲涅尔反射系数的计算公式：

其中，Γ_V为垂直极化菲涅耳系数，Γ_H为水平极化菲涅耳系数，为电波入射线与地球切线的夹角，即无线电波入射角。ε_c是表述地球表面电特性的参量，即地球表面介电常数。

对于地面反射来说，实际的电波反射并非发生在光滑的平面而是球面上。平面反射与球面反射有明显差别，两者对波束的扩散不一样，球面扩散会使反射电波的场强减弱。如果反射区不能看成平面，就要考虑地球曲面的球面反射，引出球面反射的扩散系数。上述菲涅尔反射系数要乘以球面扩散系数，即Γ_V＝Γ_V×D_f、Γ_H＝Γ_H×D_f，其中球面扩散系数的计算，与反射点到发射天线垂足的球面距离、反射点到接收天线垂足的球面距离、等效地球半径、和电波入射角有关。

S312、根据所述平面参数，获取反射径的反射点的位置和有效反射区；

具体的，针对戈壁滩环境，既有光滑镜面反射又有粗糙面反射，需要确定反射径的反射点位置和有效反射面。根据菲涅尔定理，第一菲涅尔椭圆和等效反射平面相交的阴影区域表示了地面反射的有效作用，即为有效菲涅尔反射区，如图6所示。

空地通信链路的多径信道中，空中平台离地面高度举例一般在20km～100km之间，设发射点位于位置A，地面站接收机位于位置B，则位置B′是位置B相对有效反射平面的镜像。如果没有反射平面，位置A和位置B’确定了第一菲涅尔椭圆区，其与有效反射平面相交的阴影区域是可以引起信号反射的有效菲涅尔反射区，它的形状由仰角、空中平台高度、地面站接收机高度和载波频率决定。

S313、如果反射点的位置在所述有效反射区内，则根据反射表面的粗糙程度判断入射线在所述反射点位置是否发生反射现象，如果是，则存在反射径，获得所述反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率。

具体的，确定了有效菲涅尔反射区后，由反射点T位置判断是否在有效反射区内。如果反射点处于有效反射区内，可根据有效反射区内地表面的起伏粗糙程度判定反射径还是散射径。

有效菲涅尔反射区域外的电波，其反射作用很小，可以不予考虑。反射区域内地表面的粗糙程度，直接决定入射电波是反生反射还是散射，以及反射径的强弱程度。针对戈壁滩环境，如果地表面较为平坦，只有沙石或者湖面，则会出现强烈的镜面反射，引起电信号的严重衰落；如果地表面存在大的岩石或树木，则反射波可能出现多个角度的散射。如何评估地表反射面是光滑反射面还是粗糙反射面，这里引入衡量反射面粗糙程度的参数，根据计算公式1-1：

公式(1-1)中，λ为载波的波长，为电波投射到地面时的射线仰角，Δh是不规则地面的波高。当反射面起伏的最大突起高度δh＞h_c时，认为反射表面是粗糙的，发生散射；反之反射面起伏的最大突起高度δh≤h_c时，认为反射表面是光滑的，发生反射。在发生反射确认存在反射径后，由有效反射区大小、收发天线高度等确定反射径数及每条反射径的相对时延等参数和相对功率，并计算地面的反射损耗。

空间通信链路的特点就是空中平台具有足够的高度，使得电波传播一般具有LOS直射径，而地面反射径带来的多径效应是信道衰落产生的主要原因。确定有效菲涅尔反射区和存在反射径后，根据发射天线等效高度h₁'和接收天线等效高度h₂'、仰角可计算有效反射区的大小(长短轴)。为了使模型更加接近实际传播环境，在经典二径模型的基础上，由有效反射区的大小计算出与LOS直射径的最大时延差，从而根据实际情况可增加发射径数并确定每条反射径的相对时延和相对功率。

如图3所示，根据光线反射原理和平面几何理论及简单近似推导，可计算出d值及计算出发射端到反射点路径长度d₁'和反射点到接收端的路径长度d'₂，求出反射径和直射径的程差，公式1-2如下：

Δd＝(d'₁+d'₂)-d (1-2)

从而求出每条反射径相对LOS直射径的路径时延差

τ＝Δd/c (1-3)

其中式(1-3)中c为光速。

S32、计算多普勒频率，获取多普勒谱；

具体的，参照图7为本发明实施例二对应的图4中所示步骤S32步骤中的获取多普勒谱的流程示意图，其中步骤S32包括：

S321、提取所述信道在实际环境下的所述相关参中的风速与风向因素，利用风速组合模型，计算获得风速矢量；

具体的，戈壁滩环境的空地通信链路，当电波从空中平台发往地面站时，要穿过大气层，传输路径中的气候条件，如风速影响、对流层气体吸收都会给信号带来损耗影响，由于戈壁滩终年少雨或无雨，一旦有雨也是暴雨量级，一般空中平台不会在这种气候条件下航行，所以暂时不用考虑降雨对信道建模的影响。这些影响的衰落程度不仅与电波的工作频率有关，还与地面站所处的地理位置(经度、纬度)、天线的仰角有关。所以，判断要模拟信道遇到的气候条件，是戈壁滩环境信道建模的重要影响因素。

戈壁滩风沙活动频繁且很凶猛，无人机、热气球等空中平台在大风气候条件下航行时，与地面站的相对运动速度变化明显，从而造成多普勒频率的变化。所以，需要引入风速模型来分析多普勒效应。风速模型的准确性直接影响到风速模拟结果的可靠性和多普勒效应的逼真度。

为了较精确地描述风速的随机性、间歇性和突变性，风速变化的时空模型原则上通常用以下4种成分来模拟，即基本风(Vb)、阵风(V_g)、渐变风(V_r)、和随机风(V_n)，可建立的风速组合模型如下：

V_x＝V_b+V_g+V_r+V_n (1-4)

其中式(1-4)中基本风速V_b基本反映了风场平均风速的变化，一般认为基本风速不随时间变化，因而可以取常数V_b＝k(k为一常数)。

阵风V_g描述风速突然变化的特性，根据电力系统动态稳定分析通常考虑其在较大风速变化情况下的动态特性。

其中式(1-5)中，V_g为阵风风速；V_gmax为阵风峰值，t₁为阵风开始时间，T_g为阵风周期。

渐变风V_r用来描述风速的渐变性特点。

其中式(1-6)中，V_rmax为渐变风最大值；t_r1为风速渐变开始的时间；t_r2为风速渐变结束的时间；t_r3为渐变风的保持时间。

噪声风作用于风速变化的整个过程，描述在指定相对高度上风速变化的随机特性，可用随机噪声风速来模拟：

其中式(1-7)中，V_n为随机风风速；V_nmax为随机风最大值；R_am(-1,1)为-1到1之间均匀分布的随机数；ω_n是风速波动的平均距离；为随机相位。

S322、对所述风速矢量与空中平台的相对运动数度进行矢量求和，并根据多普勒频率公式计算多普勒频率，获取多普勒谱。

具体的，根据实际场景的风速情况，通过风速组合模型计算获得风速矢量后，可与空中平台的相对运动速度进行矢量求和，计算多普勒频率及变化率，参照图8为本发明实施例的风速气候对多普勒效应影响的场景示意图，假设组合风速模型的风速V_x，空中平台航天器的相对运动速度V_y，进行矢量求和后得到与地面站间的相对运动速度即

根据多普勒效应理论，空中平台与地面站间的相对运动，造成电波频率f_c受到多普勒频移f_d的影响，多普勒频移计算公式如下：

式(1-9)中，c是光速，f_c是电波频率，则瞬时电波频率为

f＝f_c±f_d (1-10)

通过上式(1-10)，可以得到反映多普勒频率变化的多普勒谱。

S33、提取所述相关参数中的大气吸收因素和所述云雾吸收衰减因素，分别计算获得大气吸收损耗和云雾吸收衰减。

具体的，大气吸收损耗一般是指氧气(O₂)吸收衰减和水蒸气(H₂O)吸收衰减，两者的计算公式相同，只是吸收系数不同。ITU-R推荐倾斜传输途径中的氧气/水蒸气吸收衰减损耗的计算公式如下：

上式(1-11)中，表示氧气吸收衰减，是氧气吸收系数，是干燥空气的垂直有效高度，θ是天线仰角。表示水蒸气吸收衰减，是水蒸气吸收系数，是干燥空气的垂直高度，θ是天线仰角。

对于空地通信链路，空中平台到地面站的电波传播路径中可能受到云雾带来的衰减，该衰减量的大小与传播路径中液体水的含量及温度有关。特别是对于低仰角的高纬度地区或波束区域边缘，云雾的衰减影响是不可忽略的，ITU-R推荐的倾斜传输路径中云雾吸收衰减损耗PL_CL[dB]的计算公式为：

式(1-12)中，L是云雾厚度；f是载波的工作频率；ε”是水的介电常数，η是和介电常数相关的参数，θ是传输路径的倾斜程度。

参见图4为本发明实施例二对应的图1中所示S14步骤中的构建戈壁滩的空地信道传输模型的流程示意图，图1中步骤S14具体包括：

S41、计算视距直射径的路径损耗PL_LOS，其中，

式中，P_t为电波的发射功率，P_rLOS为电波经直射径传播后到达接收端的功率，PL_F(d)[dB]为自由空间路径损耗，PL_AT[dB]为大气吸收损耗，PL_CL[dB]为云雾吸收衰减损耗；

其中，戈壁滩环境下，地面反射波主要以光滑水平地面的镜面反射为主，镜面反射分量与直射径的频率相同、极化方式相同，只是存在程差引起的相位差和地面反射引起的相位跳变。因此，空地通信链路中接收端的接收功率P_r，是直射径的接收功率P_rLOS与n条地面反射波的接收功率P_rRL(i),i＝1,2,...,n的和，即：

如果传播路径上存在视距(LOS)传播路径时，电波从发射端沿直线路径直接到达接收端。戈壁滩环境下，LOS直射径损耗PL_LOS[dB]主要考虑自由空间路径损耗、大气吸收损耗和云雾衰减损耗，其计算公式如(1-13)

式(1-13)中，已知电波的发射功率P_t，电波经直射径传播后到达接收端的功率P_rLOS，PL_F(d)[dB]表示自由空间路径损耗，PL_AT[dB]表示大气吸收损耗，PL_CL[dB]表示云雾造成的损耗。

S42、计算第i条地面反射径引起的路径损耗P_rRL(i)，其中，

式(1-14)中，P_rRL(i)为第i条地面反射径到达接收端的功率，P_rLOS为视距(LOS)直射径到达接收端的功率，Γ(i)为第i条地面反射径的菲涅尔反射系数，Δd(i)为直射径与第i条地面反射径间的程差；

由上式(1-14)可知，地面反射径损耗反映了直射径和反射径分别到达接收端的功率差。戈壁滩环境下，长距离通信时还要加入球面反射扩散系数D_f对反射系数Γ的影响。

S43、通过所述视距直射径的路径损耗、所述每条地面反射径的路径损耗、所述每条反射径的相对时延和所述多普勒谱对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

根据本发明实施例二公开的技术方案，通过对戈壁滩实际环境因素和气候因素的分析，具体计算获得了所述视距直射径的路径损耗、所述每条地面反射径的路径损耗、所述每条反射径的相对时延和所述多普勒谱，将这些影响建模的实际因素引入到构建信道模型中，最终获得了戈壁滩的空地信道传输模型。通过引入了戈壁滩环境的地理特征和气候因素，和真实场景有较强的一致性。所建模型能准确和有效地反映实际信道的传输特性，为戈壁滩环境下空地通信的传输性能评估提供了判定依据。

实施例三

与本发明实施例一和实施例二所公开的戈壁滩空地信道建模方法相对应，本发明的实施例三还提供了一种戈壁滩空地信道建模装置，参见图10为本发明实施例三提供的戈壁滩空地信道建模装置的结构示意图，该装置具体包括：

第一提取模块1，用于分析戈壁滩环境中空地信道传输的实际影响因素,提取在该环境中的实际气候条件下空地信道传输的相关参数，其中，所述实际因素包括传输特性、地表地理特征和影响信道建模的气候因素；

建立模块2，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，设置合理的参数并建立初步的信道模型，其中，所述发射端与接收端的已知信息包括:所述发射端与接收端的海拔高度、地理位置和相对运动速度,收发天线高度和增益的相关天线特性指标、电波频率和入射角信号的相关特征；

第二提取模块3，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，提取影响空地信道建模的影响因素，其中，所述影响因素包括：多径数，多径相对时延、相对功率、多普勒谱，及大气吸收损耗和云雾吸收衰减的相关气候影响因素；

校正模块4，用于通过所述影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

具体的，所述第二提取模块3包括：

第一计算单元30，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在直射径，如果是，则计算直射径的路径损耗；

第二计算单元31，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在反射径，如果是，则确定反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率；

第三计算单元32，用于计算多普勒频率，获取多普勒谱；

第四计算单元33，用于提取所述相关参数中的大气吸收因素和所述云雾吸收衰减因素，分别计算获得大气吸收损耗和云雾吸收衰减。

其中，所述第二计算单元31包括：

参数转换单元311，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，对无线电波传输的球形地面反射面进行参数转换，获得平面参数；

获取单元312，用于根据所述平面参数，获取反射径的反射点的位置和有效反射区；

判断单元313，用于如果反射点的位置在所述有效反射区内，则根据反射表面的粗糙程度判断入射线在所述反射点位置是否发生反射现象，如果是，则存在反射径，获得所述反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延。

所述第三计算单元32包括：

风速矢量计算单元321，用于提取所述信道在实际环境下的所述相关参中的风速与风向因素，创建风速组合模型，并计算获得风速矢量；

多普勒谱获取单元322，用于对所述风速矢量与空中平台的相对运动数度进行矢量求和，并根据多普勒频率公式计算多普勒频率，获取多普勒谱。

同时，所述校正模块4包括：

第一路径损耗计算单元41，用于计算视距直射径的路径损耗PL_LOS，其中，

式中，P_t为电波的发射功率，P_rLOS为电波经直射径传播后到达接收端的功率，PL_F(d)[dB]为自由空间路径损耗，PL_AT[dB]为大气吸收损耗，PL_CL[dB]为云雾吸收衰减损耗；

第二路径损耗计算单元42，用于计算第i条地面反射径引起的路径损耗P_rRL(i)，其中，

式中，P_rRL(i)为第i条地面反射径到达接收端的功率，P_rLOS为视距(LOS)直射径到达接收端的功率，Γ(i)为第i条地面反射径的菲涅尔反射系数，Δd(i)为直射径与第i条地面反射径间的程差；

细化校正单元43，用于通过所述视距直射径的路径损耗、所述每条地面反射径的路径损耗、所述每条反射径的相对时延和所述多普勒谱对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

在本发明的实施例三中，根据第一提取模块获得了在特定环境中的实际气候条件下的信道的相关参数，同时通过建立模块建立初步的信道模型，采用第二提取模块提取了影响信道建模的实际因素，在校正模块中通过提取到的实际因素对初步的信道模型进行细化校正，最终获得了戈壁滩空地信道模型。实现了所建立的信道模型与真实场景有较强的一致性，能够有效体现实际信道的传输特性的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种戈壁滩环境空地信道建模方法，其特征在于，该方法包括：

分析戈壁滩环境中空地信道传输的实际影响因素,提取在该环境中的实际气候条件下空地信道传输的相关参数，其中，所述实际因素包括传输特性、地表地理特征和影响信道建模的气候因素；

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，设置合理的参数并建立初步的信道模型，其中，所述发射端与接收端的已知信息包括:所述发射端与接收端的海拔高度、地理位置和相对运动速度,收发天线高度和增益的相关天线特性指标、电波频率和入射角信号的相关特征；

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，提取影响空地信道建模的影响因素，其中，所述影响因素包括：多径数，多径相对时延、相对功率、多普勒谱，及大气吸收损耗和云雾吸收衰减的相关气候影响因素；

通过所述影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，提取影响空地信道建模的影响因素，包括：

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在直射径，如果是，则计算直射径的路径损耗；

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在反射径，如果是，则确定反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率；

计算多普勒频率，获取多普勒谱；

提取所述相关参数中的大气吸收因素和所述云雾吸收衰减因素，分别计算获得大气吸收损耗和云雾吸收衰减。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在反射径，如果是，则确定反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率，包括：

根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，对无线电波传输的球形地面反射面进行参数转换，获得平面参数；

根据所述平面参数，获取反射径的反射点的位置和有效反射区；

如果反射点的位置在所述有效反射区内，则根据反射表面的粗糙程度判断入射线在所述反射点位置是否发生反射现象，如果是，则存在反射径，获得所述反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算多普勒频率，获取多普勒谱，包括：

提取所述信道在实际环境下的所述相关参数中的风速与风向因素，利用风速组合模型，计算获得风速矢量；

对所述风速矢量与空中平台的相对运动数度进行矢量求和，并根据多普勒频率公式计算多普勒频率，获取多普勒谱。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型，包括：

计算视距直射径的路径损耗PL_LOS，其中，

${\mathrm{PL}}_{LOS}\[dB\]=10{\log }_{10}\left(\frac{P_t}{P_{rLOS}}\right)-{\mathrm{PL}}_F\left(d\right)\[dB\]+{\mathrm{PL}}_{AT}\[dB\]+{\mathrm{PL}}_{CL}\[dB\]$

式中，P_t为电波的发射功率，P_rLOS为电波经直射径传播后到达接收端的功率，PL_F(d)[dB]为自由空间路径损耗，PL_AT[dB]为大气吸收损耗，PL_CL[dB]为云雾吸收衰减损耗；

计算第i条地面反射径引起的路径损耗P_rRL(i)，其中，

${\mathrm{PL}}_{RL}\left(i\right)\[dB\]=10{\log }_{10}\left(\frac{P_{rLOS}}{P_{rRL}\left(i\right)}\right)=-10{\log }_{10}\[1+\mathrm{\Γ}{\left(i\right)}^2-2\mathrm{\Γ}\left(i\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}d\right(i\left)\right)\]$

式中，P_rRL(i)为第i条地面反射径到达接收端的功率，P_rLOS为视距(LOS)直射径到达接收端的功率，Γ(i)为第i条地面反射径的菲涅尔反射系数，Δd(i)为直射径与第i条地面反射径间的程差；

通过所述视距直射径的路径损耗、所述每条地面反射径的路径损耗、所述每条反射径的相对时延和所述多普勒谱对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

6.一种戈壁滩环境空地信道建模装置，其特征在于，该装置包括：

第一提取模块，用于分析戈壁滩环境中空地信道传输的实际影响因素,提取在该环境中的实际气候条件下空地信道传输的相关参数，其中，所述实际因素包括传输特性、地表地理特征和影响信道建模的气候因素；

建立模块，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，设置合理的参数并建立初步的信道模型，其中，所述发射端与接收端的已知信息包括:所述发射端与接收端的海拔高度、地理位置和相对运动速度,收发天线高度和增益的相关天线特性指标、电波频率和入射角信号的相关特征；

第二提取模块，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，提取影响空地信道建模的影响因素，其中，所述影响因素包括：多径数，多径相对时延、相对功率、多普勒谱，及大气吸收损耗和云雾吸收衰减的相关气候影响因素；

校正模块，用于通过所述影响因素对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二提取模块包括：

第一计算单元，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在直射径，如果是，则计算直射径的路径损耗；

第二计算单元，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，判断是否存在反射径，如果是，则确定反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率；

第三计算单元，用于计算多普勒频率，获取多普勒谱；

第三计算单元，用于提取所述相关参数中的大气吸收因素和所述云雾吸收衰减因素，分别计算获得大气吸收损耗和云雾吸收衰减。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元包括：

参数转换单元，用于根据所述相关参数和获取到的发射端与接收端的已知信息，对无线电波传输的球形地面反射面进行参数转换，获得平面参数；

获取单元，用于根据所述平面参数，获取反射径的反射点的位置和有效反射区；

判断单元，用于如果反射点的位置在所述有效反射区内，则根据反射表面的粗糙程度判断入射线在所述反射点位置是否发生反射现象，如果是，则存在反射径，获得所述反射径的数量并计算所述每条反射径的相对时延和相对功率。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三计算单元包括：

风速矢量计算单元，用于提取所述信道在实际环境下的所述相关参数中的风速与风向因素，利用风速组合模型，计算获得风速矢量；

多普勒谱获取单元，用于对所述风速矢量与空中平台的相对运动数度进行矢量求和，并根据多普勒频率公式计算多普勒频率，获取多普勒谱。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述校正模块包括：

第一路径损耗计算单元，用于计算视距直射径的路径损耗PL_LOS，其中，

${\mathrm{PL}}_{LOS}\[dB\]=10{\log }_{10}\left(\frac{P_t}{P_{rLOS}}\right)={\mathrm{PL}}_F\left(d\right)\[dB\]+{\mathrm{PL}}_{AT}\[dB\]+{\mathrm{PL}}_{CL}\[dB\]$

式中，P_t为电波的发射功率，P_rLOS为电波经直射径传播后到达接收端的功率，PL_F(d)[dB]为自由空间路径损耗，PL_AT[dB]为大气吸收损耗，PL_CL[dB]为云雾吸收衰减损耗；

第二路径损耗计算单元，用于计算第i条地面反射径引起的路径损耗P_rRL(i)，其中，

${\mathrm{PL}}_{RL}\left(i\right)\[dB\]=10{\log }_{10}\left(\frac{P_{rLOS}}{P_{rRL}\left(i\right)}\right)=-10{\log }_{10}\[1+\mathrm{\Γ}{\left(i\right)}^2-2\mathrm{\Γ}\left(i\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}d\right(i\left)\right)\]$

式中，P_rRL(i)为第i条地面反射径到达接收端的功率，P_rLOS为视距(LOS)直射径到达接收端的功率，Γ(i)为第i条地面反射径的菲涅尔反射系数，Δd(i)为直射径与第i条地面反射径间的程差；

细化校正单元，用于通过所述视距直射径的路径损耗、所述每条地面反射径的路径损耗、所述每条反射径的相对时延和所述多普勒谱对所述初步的信道模型进行细化校正，得到所述戈壁滩的空地信道传输模型。