CN113395126B - 一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法及装置 - Google Patents

一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及地空信道建模技术领域，公开了一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法及装置。该建模方法是，将信号产生装置与信号接收装置在信号产生装置30MHz~1000MHz工作频段内，选择单载波信号作为测量信号通过发射天线辐射出去；每变换一次位置采集存储一组数据，并对测量数据进行处理；建立地空场景下的无线信道传播模型，包括多径数、相对时延、相对幅度、多径衰落分布类型和无线信道仿真模型；本发明能够采集地空传播链路的真实信号、分析衰落的信号，得到衰落信号的多径信息，将实测数据与仿真结果相结合建立了地空传播链路无线信道模型：进行建模仿真，通过多次的迭代及改进实现了对传播场景的精确建模。

Description

一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法及装置
技术领域
本发明涉及地空信道建模技术领域，尤其涉及一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法及装置。
背景技术
无线信号在传播过程中，会有建筑物，山地，树木等障碍物干扰信号的传播，此时就会经过各种复杂的传播路径，如直射、反射、绕射、散射路径以及一些随机组合，因此会出现多径效应，从而使得信号产生衰落。信号衰落在无线信道中经常发生，对于数字传输来说，衰落增加了比特误码率。这种衰落现象严重恶化了接收信号的质量，从而影响通信可靠性。无线信号到达接收端的过程中，一方面是固有的传输损耗，另一方面的信号衰减则是因为碰到了建筑物以及凹凸不平的地形等。此外，当移动台处于运动状态，或者环境有差异时，信号的不规则变化就会出现。与其他通信信道相比，无线信道最显著的特征便是复杂多变的电波传播环境和多径衰落，即无线信道具有复杂性和时变性。
无线电波的射线追踪主要用于无线电波的覆盖预测以及无线信道建模，利用射线模拟电磁波的传播来确定直射、反射、折射和绕射路径等。目前学术和工业界对无线电的射线追踪法研究主要涉及传播环境的数字化方法，各种高效算法的实现，以及应用射线追踪进行电波传播过程的重构以及信道特征参数如传播路径损耗、时延等精确预测。基于射线追踪可以计算出无线电波经过空间的多径时延、相对幅度等时延功率谱信息，但是无法获得多径的衰落分布信息。传统的基于测量的方法，所获取的数据是多径叠加合成的结果，可得到衰落信号的包络分布情况，无法分离多径信息。
发明内容
为了准确的模拟地空链路无线电波传播过程，本发明提供了一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法及装置，利用该方法可实现对该场景下无线信道参数：多径数、相对时延、相对幅度、幅度分布类型的精确建模，从而实现对复杂多变的电波传播环境的建模。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法，其步骤如下：
步骤1：将信号产生装置与信号接收装置分别连接发射天线、接收天线，并将信号产生装置及发射天线放置于建筑物楼顶或山顶上，将信号接收装置及接收天线放置于地面上，测量的场景是城市、乡村或郊区，发射天线的海拔高度应高于接收天线的海拔高度，使收发天线之间形成仰角，模拟地空通信链路的传播过程；发射天线与接收天线之间的距离应保证接收信号的强度大于信号接收装置的接收灵敏度；
步骤2：在信号产生装置30MHz～1000MHz工作频段内，选择单载波信号作为测量信号通过发射天线辐射出去；
步骤3：信号接收装置根据信号产生装置的工作参数设置相应的工作参数，接收天线收到同频的信号后进行采集存储；要增加采集信号的随机性，每次测量需要变换接收天线的位置，接收天线的位置在半径为3m的圆上变换，接收天线位置变换次数大于10次，每变换一次位置采集存储一组数据，每组数据的采集时间大于3s，并对测量数据进行处理；
步骤4：构建仿真区域的数字地图，包括地形地物、高程、电参数信息，实现收发链路传播场景的数字化重构，利用射线追踪技术对发射位置与接收位置之间的电波传播场景进行仿真，并对仿真输出结果进行的聚合成簇处理，得到无线信道多径信息的多径数、相对时延、相对幅度，并进行处理；
步骤5：依据步骤3和4建立地空场景下的无线信道传播模型，无线信道模型参数包括多径数、相对时延、相对幅度、多径衰落分布类型；
步骤6：依据步骤5建立的无线信道模型参数，在无线信道模拟设备进行建模仿真，采集无线信道模拟设备输出的衰落信号A'fading，统计衰落信号A'fading的包络概率密度曲线；
步骤7：对比实测衰落信号Afading和无线信道模拟设备输出的衰落信号A'fading的包络概率密度曲线，当两者的包络概率密度曲线分布趋势不一致，重复步骤5和6，直至A'fading和Afading的包络概率密度曲线分布趋势一致，则建立的无线信道仿真模型即为该场景下的真实的无线电波衰落模型；
所述测量数据处理，是对采集的衰落信号Afading进行处理，统计包络概率密度，得到地空信道模型的多径衰落分布类型参数；其具体步骤如下：
(1)采集的数据以I、Q基带数字信号I1，Q1，I2，Q2，…I10，Q10的方式存放，根据信号接收装置的AD采样位宽n对数字基带信号进行归一化处理，处理式为
Figure GDA0004182860380000031
对归一化后的I、Q信号取模/>
Figure GDA0004182860380000032
变成一路实信号A1，A2，…A10；
(2)将变换后的10组数据A1，A2，…A10首尾相接，变成一个数组A＝[A1,A2…A10]，A为接收信号的幅度；
(3)将接收信号的幅度A转换为信号的接收电平Gr＝20lg(A)；
(4)计算接收信号电平Gr的中值电平
Figure GDA0004182860380000033
并对接收信号电平Gr去天线增益处理
Figure GDA0004182860380000034
得到衰落信号电平Gfading；
(5)将衰落信号电平Gfading变换为信号幅度Afading。
Figure GDA0004182860380000035
(6)统计Afading的包络概率密度分布曲线；
其中，步骤4中无线信道多径信息多径数、相对时延、相对幅度的处理方法，是对多径相对时延之间分布密集，即多径相对时延之间差值的绝对值小于无线信道模拟设备的时延模拟精度的多径聚合成簇,多径的相对幅度取该时延处幅度最大的多径。
一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法的无线电波信号产生与接收装置，包括信号产生装置、信号接收装置，所述信号产生装置(1)由信号产生单元(1.1)和功率控制单元(1.2)组成，信号产生装置(1)工作频段在30MHz～1000MHz内；所述信号接收装置(2)由功率控制单元(2.2)、信号采集单元(2.2)、数据存储单元(2.3)组成，用于对接收到的信号进行功率控制、采集、存储，并支持数据导出；信号接收装置(2)工作频段在30MHz～1000MHz内。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
本发明的一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法及装置，创新在于利用无线电波信号产生接收装置，采集了地空传播链路的真实信号、分析了衰落信号的包络概率分布情况；通过对地空传播链路的传播场景数字化重构，利用射线追踪仿真得到了衰落信号的多径信息：多径数、相对时延、相对幅度；将实测数据与仿真结果相结合建立了地空传播链路无线信道模型：包括多经数、相对时延、相对幅度、多径衰落分布，并把建立的无线信道模型在无线信道模拟设备进行建模仿真，通过多次的迭代及改进实现了对传播场景的精确建模。
附图说明
图1为无线电波信号产生装置及接收装置的组成框图；
图2为外场基于实测数据与射线追踪相结合的地空信道建模流程图；
图3为地空传播场景的数字化重构图；
图4为有视距传播路径场景下实测信号与无线信道模拟设备输出信号包络概率密度对比图；
图5为无视距传播路径场景下实测信号与无线信道模拟设备输出信号包络概率密度对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子，对本发明做进一步的详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不限制本发明的使用范围。
如图1、2、3、4、5所示，一种无线电波信号产生装置及接收装置，包括信号产生装置1、信号接收装置2组成。参见图1所示。
所述信号产生装置1为工作频段在30MHz～1000MHz内，由信号产生单元1.1和功率控制单元1.2组成。
所述信号接收装置2为工作频段在30MHz～1000MHz内，由功率控制单元2.1、信号采集单元2.2、数据存储单元2.3组成，可对接收到的信号进行采集存储，并可支持数据导出。
一种基于实测数据与射线追踪相结合的地空信道建模方法，建模流程参见图2，包括如下步骤：
步骤1：将信号产生装置与信号接收装置分别连接发射天线、接收天线，并将信号产生装置及发射天线放置于建筑物楼顶或山顶上，将信号接收装置及接收天线放置于地面上，测量的场景可以是城市、乡村或郊区，发射天线的海拔高度应高于接收天线的海拔高度，使收发天线之间形成一定的仰角，模拟地空通信链路的传播过程。发射天线与接收天线之间的距离应保证接收信号的强度不小于信号接收装置的接收灵敏度。
步骤2：在信号产生装置30MHz～1000MHz工作频段内，选择单载波信号作为测量信号通过发射天线辐射出去。
步骤3：信号接收装置根据信号产生装置的工作参数设置相应的工作参数，接收天线收到同频的信号后进行采集存储。为了增加采集信号的随机性，每次测量需要变换接收天线的位置，接收天线的位置在半径为3m的圆上变换，接收天线位置变换次数不少于10次，每变换一次位置采集存储一组数据，每组数据的采集时间不小于3s，测量数据处理方法如下：
(1)采集的数据以I、Q基带数字信号的方式存放I1,Q1,I2,Q2…I10,Q10，根据信号接收装置的AD采样位宽n对数字基带信号进行归一化处理
Figure GDA0004182860380000051
对归一化后的I、Q信号取模/>
Figure GDA0004182860380000052
变成一路实信号A1,A2…A10；
(2)将变换后的10组数据A1,A2…A10首尾相接，变成一个数组A＝[A1,A2…A10]，A为接收信号的幅度；
(3)将接收信号的幅度A转换为信号的接收电平Gr＝20lg(A)；
(4)计算接收信号电平Gr的中值电平
Figure GDA0004182860380000053
并对接收信号电平Gr去天线增益处理
Figure GDA0004182860380000054
得到衰落信号电平Gfading；
(5)将衰落信号电平Gfading变换
Figure GDA0004182860380000055
为信号幅度Afading；
(6)统计Afading的包络概率密度分布曲线。
步骤4：构建仿真区域的数字地图，参见图3，包括地形地物、高程、电参数等信息，实现收发链路传播场景的数字化重构，利用射线追踪技术对发射位置与接收位置之间的电波传播场景进行仿真，得到无线信道多径信息,多径数、相对时延、相对幅度，并进行处理，处理方法如下：
对多径相对时延之间分布密集，即多径相对时延之间差值的绝对值小于无线信道模拟设备的时延模拟精度的多径聚合成簇，认为该时延处的多径不可分辨的径，多径的相对幅度取该时延处幅度最大的多径。
步骤5：利用步骤3和4的计算结果，建立地空场景下的无线信道传播模型，无线信道模型参数包括多径数、相对时延、相对幅度、多径衰落分布类型。
步骤6：利用步骤5建立的无线信道模型参数，在无线信道模拟设备进行建模仿真，采集无线信道模拟设备输出的衰落信号A'fading，统计衰落信号A'fading的包络概率密度曲线。
步骤7：对比实测衰落信号Afading和无线信道模拟设备输出的衰落信号A'fading的包络概率密度曲线，如果两者的包络概率密度曲线分布趋势不一致，重复步骤5和6，直至A'fading和Afading的包络概率密度曲线分布趋势一致，则建立的无线信道仿真模型即为该场景下的真实的无线电波衰落模型。

Claims (2)

1.一种基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法，其特征是：其步骤如下：
步骤1：将信号产生装置与信号接收装置分别连接发射天线、接收天线，并将信号产生装置及发射天线放置于建筑物楼顶或山顶上，将信号接收装置及接收天线放置于地面上，测量的场景是城市、乡村或郊区，发射天线的海拔高度应高于接收天线的海拔高度，使收发天线之间形成仰角，模拟地空通信链路的传播过程；发射天线与接收天线之间的距离应保证接收信号的强度大于信号接收装置的接收灵敏度；
步骤2：在信号产生装置30MHz～1000MHz工作频段内，选择单载波信号作为测量信号通过发射天线辐射出去；
步骤3：信号接收装置根据信号产生装置的工作参数设置相应的工作参数，接收天线收到同频的信号后进行采集存储；要增加采集信号的随机性，每次测量需要变换接收天线的位置，接收天线的位置在半径为3m的圆上变换，接收天线位置变换次数大于10次，每变换一次位置采集存储一组数据，每组数据的采集时间大于3s，并对测量数据进行处理；
步骤4：构建仿真区域的数字地图，包括地形地物、高程、电参数信息，实现收发链路传播场景的数字化重构，利用射线追踪技术对发射位置与接收位置之间的电波传播场景进行仿真，并对仿真输出结果进行的聚合成簇处理，得到无线信道多径信息的多径数、相对时延、相对幅度，并进行处理；
步骤5：依据步骤3和4建立地空场景下的无线信道传播模型，无线信道模型参数包括多径数、相对时延、相对幅度、多径衰落分布类型；
步骤6：依据步骤5建立的无线信道模型参数，在无线信道模拟设备进行建模仿真，采集无线信道模拟设备输出的衰落信号A'fading，统计衰落信号A'fading的包络概率密度曲线；
步骤7：对比实测衰落信号Afading和无线信道模拟设备输出的衰落信号A'fading的包络概率密度曲线，当两者的包络概率密度曲线分布趋势不一致，重复步骤5和6，直至A'fading和Afading的包络概率密度曲线分布趋势一致，则建立的无线信道仿真模型即为该场景下的真实的无线电波衰落模型；
所述测量数据处理，是对采集的衰落信号Afading进行处理，统计包络概率密度，得到地空信道模型的多径衰落分布类型参数；其具体步骤如下：
(1)采集的数据以I、Q基带数字信号I1，Q1，I2，Q2，…I10，Q10的方式存放，根据信号接收装置的AD采样位宽n对数字基带信号进行归一化处理，处理式为
Figure QLYQS_1
对归一化后的I、Q信号取模/>
Figure QLYQS_2
变成一路实信号A1，A2，…A10；
(2)将变换后的10组数据A1，A2，…A10首尾相接，变成一个数组A＝[A1,A2…A10]，A为接收信号的幅度；
(3)将接收信号的幅度A转换为信号的接收电平Gr＝20lg(A)；
(4)计算接收信号电平Gr的中值电平
Figure QLYQS_3
并对接收信号电平Gr去天线增益处理/>
Figure QLYQS_4
得到衰落信号电平Gfading；
(5)将衰落信号电平Gfading变换为信号幅度Afading，
Figure QLYQS_5
(6)统计Afading的包络概率密度分布曲线；
其中，步骤4中无线信道多径信息多径数、相对时延、相对幅度的处理方法，是对多径相对时延之间分布密集，即多径相对时延之间差值的绝对值小于无线信道模拟设备的时延模拟精度的多径聚合成簇,多径的相对幅度取该时延处幅度最大的多径。
2.一种采用权利要求1所述的基于实测数据与射线追踪的地空信道建模方法的无线电波信号产生与接收装置，其特征是：包括信号产生装置、信号接收装置，所述信号产生装置(1)由信号产生单元(1.1)和功率控制单元(1.2)组成，信号产生装置(1)工作频段在30MHz～1000MHz内；所述信号接收装置(2)由功率控制单元(2.1)、信号采集单元(2.2)、数据存储单元(2.3)组成，用于对接收到的信号进行功率控制、采集、存储，并支持数据导出；信号接收装置(2)工作频段在30MHz～1000MHz内。
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