CN112235059A - 空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法 - Google Patents

空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法 Download PDF

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CN112235059A CN202011039969.1A CN202011039969A CN112235059A CN 112235059 A CN112235059 A CN 112235059A CN 202011039969 A CN202011039969 A CN 202011039969A CN 112235059 A CN112235059 A CN 112235059A
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Abstract

本发明公开了一种空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法，步骤如下：用户输入空地毫米波通信链路的参数，包括地面场景类型，空中和地面节点位置的坐标参数，以及通信频率参数；计算不同场景空地毫米波通信链路出现视距、反射和绕射情况的概率；结合地面和空中节点坐标，通信频率等参数，计算视距情况下的空地毫米波通信路径损耗；计算反射和绕射情况下的空地毫米波通信路径损耗；最终获得不同场景下的毫米波传播路径损耗值。本发明提出的毫米波空地传播路径损耗计算方法，无需用户提供详细的传播场景数据地图，计算方法简单，计算结果的统计偏差较小；考虑了空中节点的高度参数，比传统方法更适用于空地传播场景。

Description

空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法
技术领域：
本发明涉及一种空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法，特别针对不同地面场景、高度、频段和距离的空地链路传播路径损耗的计算，属于无线信息传输领域。
背景技术：
随着毫米波应用越来越广泛，对毫米波通信系统的可靠性和有效性要求趋于严格。为实现频谱资源的高效利用，需要根据毫米波信道特性采取一系列抗衰落和干扰的措施。因此，加强对毫米波信道的研究使得我们能够更加深刻地理解其传播损耗特性。随着通信、微电子、材料等领域技术的兴起和发展，无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技术发展迅速，得到全球各个国家的关注。基于UAV平台的空地毫米波通信技术，得到了学术界和工业界的广泛重视。比如，UAV毫米波空中基站被认为是下一代移动通信系统的典型应用。
空地毫米波通信由于传播地理环境导致的反射和绕射等影响，地面接收机接收到的信号通常包含直射路径、地面反射分量及周围建筑物绕射分量。深入研究空地信道尤其是传播损耗特性反映了毫米波信号在特定通信场景中的大尺度衰落，是空地毫米波通信网络规划和系统设计的重要参考依据，对空中和地面节点的通信系统设计和优化具有重要意义。
发明内容：
本发明提供了一种基于场景分类的空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法，该方法无需提供精确的传播场景数字地图，而是通过前期典型场景大数据分析结果获取场景、高度、频率和距离依赖的模型参数。
本发明所采用的技术方案有：一种空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法，包括如下步骤：
第一步，用户输入空地毫米波通信链路的参数，包括地面场景类型参数、空中和地面节点位置的坐标参数、以及通信频率参数，利用如下方法进行传播路径平均损耗计算
LSUM＝PLOS·LLOS+PREF·LREF+PDIFF·LDIFF+PNS·LNS (17)
其中，PLOS、PREF、PDIFF和PNS分别为该场景下传播过程出现视距路径、无视距路径但存在反射路径、无视距和反射路径但存在绕射路径和接收不到信号情况的统计概率，LLOS、LREF、LDIFF和LNS分别为该场景下视距、反射、绕射和无传播路径情况下对应的信号损耗统计值；
第二步，针对分类场景下空地毫米波通信链路出现视距、反射、绕射和无传播路径概率的具体方法如下：
1)存在视距传播路径的概率计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000021
其中，d2D是地面节点和空中节点的二维距离，通过地面和空中节点的坐标参数计算得到，
Figure BDA0002706324160000022
Figure BDA0002706324160000023
其中，ha是空中节点相对地面节点的高度，参数A1_LOS，A2_LOS，B1_LOS，B2_LOS，B3_LOS通过查视距传播路径概率的参数取值表获得；
2)不存在视距传播路径，但是存在反射传播路径的概率计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000024
其中，
Figure BDA0002706324160000025
Figure BDA0002706324160000026
Figure BDA0002706324160000031
其中，参数A1_REF，A2_REF，A3_REF，B1_REF，B2_REF，B3_REF，C1_REF，C2_REF，C3_REF通过查反射路径概率的参数取值表得到；
3)不存在视距和反射传播路径，但是存在绕射传播路径的概率计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000032
其中，
Figure BDA0002706324160000033
Figure BDA0002706324160000034
Figure BDA0002706324160000035
其中，参数A1_DIFF，A2_DIFF，A3_DIFF，B1_DIFF，B2_DIFF，B3_DIFF，C1_DIFF，C2_DIFF，C3_DIFF通过查绕射传播路径概率的参数取值表得到；
4)无传播路径的概率计算方法如下，
PNS＝1-PLOS-PREF-PDIFF (29)
其中，PLOS、PREF和PDIFF可通过前三步得到；
第三步，针对视距情况下的空地毫米波通信路径损耗的计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000036
其中，fc为通信频率，d3D是地面节点和空中节点的三维距离，
Figure BDA0002706324160000037
为零均值高斯随机变量，标准差单位为dB；
第四步，针对反射和绕射情况下的空地毫米波通信路径损耗计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000038
其中，n为传播损耗指数，
Figure BDA0002706324160000039
为零均值高斯随机变量，单位为dB。
进一步地，第三步中：
Figure BDA0002706324160000041
产生方法如下，首先生成一个均值为0，方差为1的标准正态分布χ，令
Figure BDA0002706324160000042
其中，σLOS的值可通过查视距情况σLOS参数的取值表得到。
进一步地，第四步中：
1)传播损耗指数具体计算方法如下
n＝J·ha K (32)
其中，J和K是与环境有关的参数，本发明不同场景的J和K取值如传播损耗模型参数的取值表所示；
2)
Figure BDA0002706324160000043
的产生方法如下，首先生成一个均值为0，方差为1的标准正态分布χ，令
Figure BDA0002706324160000044
其中，σREF/DIFF的取值可通过查反射和绕射情况σREF/DIFF参数的取值表得到。
本发明具有如下有益效果：
(1).本发明提出的毫米波空地传播路径损耗计算方法，无需用户提供详细的传播场景数据地图，计算方法简单，计算结果的统计偏差较小；
(2).本发明提出的毫米波空地传播路径损耗计算方法，考虑了空中节点的高度参数，比传统方法更适用于空地传播场景。
附图说明：
图1为本发明空地毫米波通信传播场景示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法，包括如下步骤：
第一步，用户输入空地毫米波通信链路的参数，包括地面场景类型参数、空中和地面节点位置的坐标参数、以及通信频率参数，本发明利用如下方法进行传播路径平均损耗计算
LSUM＝PLOS·LLOS+PREF·LREF+PDIFF·LDIFF+PNS·LNS (33)
其中，PLOS、PREF、PDIFF和PNS分别为该场景下传播过程出现视距路径(简称视距情况)、无视距路径但存在反射路径(简称反射情况)、无视距和反射路径但存在绕射路径(简称绕射情况)和接收不到信号情况(简称无传播路径情况)的统计概率，LLOS、LREF、LDIFF和LNS分别为该场景下视距、反射、绕射和无传播路径情况下对应的信号损耗统计值，其中无传播路径情况下损耗值默认设置为有效信号功率分贝值减去接收机灵敏度；
第二步，本发明针对分类场景下空地毫米波通信链路出现视距、反射、绕射和无传播路径概率的具体方法如下：
1)存在视距传播路径的概率计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000051
其中，d2D是地面节点和空中节点的二维距离，可以通过地面和空中节点的坐标参数计算得到，
Figure BDA0002706324160000052
Figure BDA0002706324160000053
其中，ha是空中节点相对地面节点的高度，参数A1_LOS，A2_LOS，B1_LOS，B2_LOS，B3_LOS可通过查表1获得；
表1视距传播路径概率的参数取值
Figure BDA0002706324160000054
Figure BDA0002706324160000061
2)不存在视距传播路径，但是存在反射传播路径的概率计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000062
其中，
Figure BDA0002706324160000063
Figure BDA0002706324160000064
Figure BDA0002706324160000065
其中，参数A1_REF，A2_REF，A3_REF，B1_REF，B2_REF，B3_REF，C1_REF，C2_REF，C3_REF可通过查表2得到；
表2反射路径概率的参数取值
场景 郊区 市区 密集城市 高层城市
A<sub>1_REF</sub> 0.2651 0.1492 0.1695 0.2079
A<sub>2_REF</sub> 8.73 15.94 40.64 83.66
A<sub>3_REF</sub> 17.83 29.4 31.66 68.5
B<sub>1_REF</sub> 770.6 809.8 742.7 773.2
B<sub>2_REF</sub> 37.1 49.06 80.49 174.2
B<sub>3_REF</sub> 41.86 44.21 87.29 201.8
C<sub>1_REF</sub> 346 296.2 304.5 316.8
C<sub>2_REF</sub> 22.73 29.36 38.27 94.93
C<sub>3_REF</sub> 24.36 26.12 51.56 94.26
3)不存在视距和反射传播路径，但是存在绕射传播路径的概率计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000071
其中，
Figure BDA0002706324160000072
Figure BDA0002706324160000073
Figure BDA0002706324160000074
其中，参数A1_DIFF，A2_DIFF，A3_DIFF，B1_DIFF，B2_DIFF，B3_DIFF，C1_DIFF，C2_DIFF，C3_DIFF可通过查表3得到；
表3绕射传播路径概率的参数取值
场景 郊区 市区 密集城市 高层城市
A<sub>1_DIFF</sub> 0.705 0.568 0.3374 0.4009
A<sub>2_DIFF</sub> 7.47 19.38 48.86 88.88
A<sub>3_DIFF</sub> 20.67 28.16 29.76 104.2
B<sub>1_DIFF</sub> 882.2 888.9 781.9 756.7
B<sub>2_DIFF</sub> 42.36 64.81 80.71 214.1
B<sub>3_DIFF</sub> 90.17 87.83 80.11 336.2
C<sub>1_DIFF</sub> 467.4 353.7 335.8 325.2
C<sub>2_DIFF</sub> 25.01 33 57.31 60.12
C<sub>3_DIFF</sub> 64.32 40 42.05 135.2
4)无传播路径的概率计算方法如下，
PNS＝1-PLOS-PREF-PDIFF (45)
其中，PLOS、PREF和PDIFF可通过前三步得到；
第三步，本发明针对视距情况下的空地毫米波通信路径损耗的计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000081
其中，fc为通信频率，d3D是地面节点和空中节点的三维距离，
Figure BDA0002706324160000082
为零均值高斯随机变量，标准差单位为dB；
进一步地，
Figure BDA0002706324160000083
产生方法如下，首先生成一个均值为0，方差为1的标准正态分布χ，令
Figure BDA0002706324160000084
其中，σLOS的值可通过查表4得到；
表4视距情况σLOS参数的取值
场景 σ<sub>LOS</sub>
郊区 2.24
市区 1.44
密集城市 1.91
高层城市 2.18
第四步，本发明针对反射和绕射情况下的空地毫米波通信路径损耗计算方法如下，
Figure BDA0002706324160000085
其中，n为传播损耗指数，
Figure BDA0002706324160000086
为零均值高斯随机变量，单位为dB；
1)传播损耗指数具体计算方法如下
n＝J·ha K (48)
其中，J和K是与环境有关的参数，本发明不同场景的J和K取值如表5所示；
表5传播损耗模型参数的取值
Figure BDA0002706324160000087
Figure BDA0002706324160000091
2)
Figure BDA0002706324160000092
的产生方法如下，首先生成一个均值为0，方差为1的标准正态分布χ，令
Figure BDA0002706324160000093
其中，σREF/DIFF的取值可通过查表6得到；
表6反射和绕射情况σREF/DIFF参数的取值
Figure BDA0002706324160000094
下面以不同场景固定位置的空地节点为例，对技术方案进行清楚、完整的描述。
第一步，用户输入空地毫米波通信链路的参数，包括地面场景类型，空中和地面节点位置的坐标参数，以及通信频率参数；本案例假设地面节点位置Lg＝[0,0,2]，空中节点位置La＝[300,300,32]，通信频率28GHz，接收机灵敏度减去信号功率为255dB；
第二步，计算不同场景空地毫米波通信链路出现视距、反射和绕射情况的概率如下：
1)结合地面和空中节点坐标，通信频率等参数，再通过查表1得到不同场景的A1_LOS，A2_LOS，B1_LOS，B2_LOS，B3_LOS，进而利用公式(34)计算出现视距情况的概率，在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为0.917、0.807、0.563、0.330；
2)结合地面和空中节点坐标，通信频率等参数，再通过查表2得到不同场景的A1_REF，A2_REF，A3_REF，B1_REF，B2_REF，B3_REF，C1_REF，C2_REF，C3_REF，进而利用公式(37)计算出现反射情况的概率，在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为0.022、0.059、0.133、0.108；
3)结合地面和空中节点坐标，通信频率等参数，再通过查表3得到不同场景的A1_DIFF，A2_DIFF，A3_DIFF，B1_DIFF，B2_DIFF，B3_DIFF，C1_DIFF，C2_DIFF，C3_DIFF，进而利用公式(41)计算出现绕射情况的概率，在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为0.061、0.134、0.184、0.240；
4)结合PLOS、PREF、PDIFF和公式(45)计算可得到无传播路径的概率，在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为0.000、0.000、0.120、0.322；
第三步，结合地面和空中节点坐标，通信频率等参数，通过查表4得到σLOS，进而利用公式(46)计算视距情况下的空地毫米波通信路径损耗，在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为113.918、113.918、113.918、113.918dB；
第四步，计算反射和绕射情况下的空地毫米波通信路径损耗，具体包括：
1)结合地面和空中节点的坐标、公式(48)和表5，计算获得不同场景下反射和绕射的传播损耗指数，反射的传播损耗指数在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为2.313、2.367、2.361、2.383，绕射的传播损耗指数在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为3.106、3.909、4.362、4.210；
2)本案例中
Figure BDA0002706324160000101
在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为2.13、2.92、2.77、3.01dB，
Figure BDA0002706324160000102
在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为4.55、4.37、5.98、5.25dB；
3)将地面和空中节点的坐标，传播损耗指数和零均值高斯随机变量代入公式(47)，可得到不同场景反射和绕射情况下的路径损耗，反射情况下的路径损耗在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为124.284、126.485、126.166、126.988dB，绕射情况下的路径损耗在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下分别为147.550、168.472、181.996、177.270dB；
第五步，将前述步骤获得的路径概率和平均损耗值代入公式(33)，最终获得本案例在郊区场景、市区场景、密集城市场景和高层城市场景下的毫米波传播路径损耗值分别为116.203、121.959、145.016、176.022dB。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，用户输入空地毫米波通信链路的参数，包括地面场景类型参数、空中和地面节点位置的坐标参数、以及通信频率参数，利用如下方法进行传播路径平均损耗计算
LSUM＝PLOS·LLOS+PREF·LREF+PDIFF·LDIFF+PNS·LNS (1)
其中，PLOS、PREF、PDIFF和PNS分别为该场景下传播过程出现视距路径、无视距路径但存在反射路径、无视距和反射路径但存在绕射路径和接收不到信号情况的统计概率，LLOS、LREF、LDIFF和LNS分别为该场景下视距、反射、绕射和无传播路径情况下对应的信号损耗统计值；
第二步，针对分类场景下空地毫米波通信链路出现视距、反射、绕射和无传播路径概率的具体方法如下：
1)存在视距传播路径的概率计算方法如下，
Figure FDA0002706324150000011
其中，d2D是地面节点和空中节点的二维距离，通过地面和空中节点的坐标参数计算得到，
Figure FDA0002706324150000012
Figure FDA0002706324150000013
其中，ha是空中节点相对地面节点的高度，参数A1_LOS，A2_LOS，B1_LOS，B2_LOS，B3_LOS通过查视距传播路径概率的参数取值表获得；
2)不存在视距传播路径，但是存在反射传播路径的概率计算方法如下，
Figure FDA0002706324150000014
其中，
Figure FDA0002706324150000021
Figure FDA0002706324150000022
Figure FDA0002706324150000023
其中，参数A1_REF，A2_REF，A3_REF，B1_REF，B2_REF，B3_REF，C1_REF，C2_REF，C3_REF通过查反射路径概率的参数取值表得到；
3)不存在视距和反射传播路径，但是存在绕射传播路径的概率计算方法如下，
Figure FDA0002706324150000024
其中，
Figure FDA0002706324150000025
Figure FDA0002706324150000026
Figure FDA0002706324150000027
其中，参数A1_DIFF，A2_DIFF，A3_DIFF，B1_DIFF，B2_DIFF，B3_DIFF，C1_DIFF，C2_DIFF，C3_DIFF通过查绕射传播路径概率的参数取值表得到；
4)无传播路径的概率计算方法如下，
PNS＝1-PLOS-PREF-PDIFF (13)
其中，PLOS、PREF和PDIFF可通过前三步得到；
第三步，针对视距情况下的空地毫米波通信路径损耗的计算方法如下，
Figure FDA0002706324150000028
其中，fc为通信频率，d3D是地面节点和空中节点的三维距离，
Figure FDA0002706324150000029
为零均值高斯随机变量，标准差单位为dB；
第四步，针对反射和绕射情况下的空地毫米波通信路径损耗计算方法如下，
Figure FDA0002706324150000031
其中，n为传播损耗指数，
Figure FDA0002706324150000032
为零均值高斯随机变量，单位为dB。
2.如权利要求1所述的空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法，其特征在于：第三步中：
Figure FDA0002706324150000033
产生方法如下，首先生成一个均值为0，方差为1的标准正态分布χ，令
Figure FDA0002706324150000034
其中，σLOS的值可通过查视距情况σLOS参数的取值表得到。
3.如权利要求1所述的空地毫米波通信链路传播路径损耗计算方法，其特征在于：第四步中：
1)传播损耗指数具体计算方法如下
n＝J·ha K (16)
其中，J和K是与环境有关的参数，本发明不同场景的J和K取值如传播损耗模型参数的取值表所示；
2)
Figure FDA0002706324150000035
的产生方法如下，首先生成一个均值为0，方差为1的标准正态分布χ，令
Figure FDA0002706324150000036
其中，σREF/DIFF的取值可通过查反射和绕射情况σREF/DIFF参数的取值表得到。
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