CN114448540A - 一种基于天线辐射方向图的无人机信道建模方法 - Google Patents

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CN114448540A CN202210143294.8A CN202210143294A CN114448540A CN 114448540 A CN114448540 A CN 114448540A CN 202210143294 A CN202210143294 A CN 202210143294A CN 114448540 A CN114448540 A CN 114448540A
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Abstract

本发明实施例供了一种基于天线辐射方向图的无人机信道建模方法。该方法包括：初始化蜂窝网络下的无人机信道模型参数；使用矩形栅格阵平面阵列来模拟蜂窝网络的基站天线的方向图；基于所述矩形栅格阵平面阵列通过调整波束方向计算发射天线到接收天线的天线方向图、冲击响应和转移函数。本发明实施例提出的一种基于天线辐射方向图的无人机信道建模，通过使用矩形天线阵列来模拟基站天线的方向图，通过调整波束方向来减少信号干扰与增强网络覆盖范围，与实际的无人机通信场景相符合，从而有效提高无人机信道模型的准确性。

Description

一种基于天线辐射方向图的无人机信道建模方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于天线辐射方向图的无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)信道建模方法。
背景技术
由于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)具有灵活部署、高移动性和高视距概率等特性，近年来在无线通信领域引起了极大的关注。在蜂窝网络下，UAV可以作为用户设备部署来执行各种任务，如包裹交付、无线中继和空中基站等，借此提高地网络的覆盖与容量。尽管UAV部署对许多应用都有很大吸引力，但在大量部署之前还有很多问题亟需解决。由于任何通信系统的开发都需要对传播信道有足够的了解，因此，建立准确且可靠的UAV信道模型是必不可少的。
现有技术中的一种方案公开了一种单圆柱体的UAV参考信道模型包括：研究UAV相关的参数，如速度，运动方向，高度对相关函数，多普勒功率谱密度等信道特性的影响。
现有技术中的另一种方案公开了一种球体的UAV参考信道模型包括：建立相应的仿真信道模型。研究了UAV相关参数对信道特性的影响，并通过参考模型来验证了仿真模型的准确性。
现有技术中的另一种方案公开了一种单圆柱体的UAV参考信道模型包括：考虑更加实际的UAV特性，即时变的速度与运动方向。仿真结果表明了时变的UAV运动状态会导致信道的非平稳。
上述现有技术方案中的UAV参考信道模型的缺点为：尽管上述现有技术方案提出了UAV信道模型，探究了模型特性。但在已公开的技术方案中，都是假设基站配备全向天线与UAV进行通信，而实际蜂窝网络下的基站天线却是具有下倾角度的定向天线。因此，目前未从实际通信环境出发，设计基站的天线辐射方向图，对UAV信道进行更为准确的建模。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于天线辐射方向图的UAV信道建模方法，从而有效提高UAV信道模型的准确性。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种基于天线辐射方向图的无人机信道建模方法，包括：
初始化蜂窝网络下的无人机信道模型参数；
使用矩形栅格阵平面阵列来模拟蜂窝网络的基站天线的方向图；
基于所述矩形栅格阵平面阵列通过调整波束方向计算发射天线到接收天线的天线方向图、冲击响应和转移函数。
优选地，所述的初始化蜂窝网络下的无人机信道模型参数，包括：
初始化发射Tx的天线数为LT，相邻天线之间的间隔为dT；初始化接收机Rx的天线数为LR；
初始化Rx的速度υR，水平角γR与俯仰角ξR；
初始化Tx和Rx之间的距离为D；
初始化Tx、Rx的高度分别为HT与HR；
假设Rx周围的散射体分布在半径为RR的圆柱体表面，初始化散射体的数目为M，并使用S(m)表示第m个散射体，
Figure BDA0003507503550000021
是电磁波作用在散射体S(m)上的水平离开角，
Figure BDA0003507503550000022
是电磁波作用在散射体S(m)上的水平到达角，
Figure BDA0003507503550000023
表示作用在散射体S(m)上的垂直离开角，
Figure BDA0003507503550000024
是作用在散射体S(m)上的垂直到达角；
假设Tx发送信号到Rx有两种方式，分别为视距：发送信号从Tx发出直接到Rx的信号；非视距：发送信号从Tx发出，经过Rx周围的散射体散射，再到Rx的信号。
优选地，所述的使用矩形栅格阵平面阵列来模拟蜂窝网络的基站天线的方向图，包括：
假设蜂窝网络的天线阵列位于yoz平面上，共有Ny×Nz个天线阵元，沿y方向的Ny个阵元以间距d0均匀排列，沿z方向的Nz个阵元以间距d0均匀排列，形成矩形栅格阵的平面阵列。
优选地，所述的基于所述矩形栅格阵平面阵列通过调整波束方向计算发射天线到接收天线的天线方向图、冲击响应和转移函数，包括：
计算视距和非视距分量的传播距离参数：
Figure BDA0003507503550000038
Figure BDA0003507503550000031
Figure BDA0003507503550000032
其中，
Figure BDA0003507503550000033
计算视距和非视距分量的多普勒效应参数；
Figure BDA0003507503550000034
Figure BDA0003507503550000035
其中，λ为波长，
Figure BDA0003507503550000036
计算视距和非视距分量的传播时延参数；
Figure BDA0003507503550000037
Figure BDA0003507503550000041
其中，c0为光速；
平面阵列的方向图函数表示为：
Figure BDA0003507503550000042
其中，φ为方位角，θ为俯仰角，天线阵列的主波束的最大值指向为(θ0,φ0)；
天线波束的方向平行于x轴，蜂窝网络的基站天线下倾了θtilt角度，将全局坐标系XYZ绕着Y轴旋转θtilt角度，得到天线下倾θtilt角度的天线方向图：
Figure BDA0003507503550000043
其中，
θ1＝arccos(cosθtilt·cosθ+sinθtilt·sinθcosφ)，φ1＝arg(cosθtilt·sinθcosφ+sinθtilt·cosθ+sinθsinφ·j)。
优选地，所述的基于所述矩形栅格阵平面阵列通过调整波束方向计算发射天线到接收天线的天线方向图、冲击响应和转移函数，包括：
计算第p根发射天线到第q根接收天线的冲击响应，方法如下：
Figure BDA0003507503550000044
Figure BDA0003507503550000045
其中，ko是自由空间波束，t是时间，τ是时延，KRice是莱斯因子，φm为随机初始相位，在[-π,π)均匀分布,
Figure BDA0003507503550000046
与
Figure BDA0003507503550000047
分别为视距与非视距分量的冲击响应,δ(·)为狄利克雷函数。
优选地，所述的基于所述矩形栅格阵平面阵列通过调整波束方向计算发射天线到接收天线的天线方向图、冲击响应和转移函数，包括：
计算第p根发射天线到第q根接收天线的转移函数，方法如下：
Figure BDA0003507503550000051
Figure BDA0003507503550000052
计算第p根发射天线到第q根接收天线的空时频相关函数，方法如下：
Figure BDA0003507503550000053
Figure BDA0003507503550000054
其中，E(·)表示数学期望运算符，αRμ∈[-π,π]，αTμ∈[-π,π]是散射体在水平方向上分布的平均角度，kT与kR为控制散射体在平均角度周围的扩展程度，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，βTm,βRm与βTμ,βRμ分别表示最大仰角与平均角。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明通过一个矩形阵列天线来模拟实际的基站天线方向图，再让其下倾一定角度，达到降低同频干扰与控制基站的覆盖范围的目的，从而使得蜂窝网络下的UAV电波传播环境变得更加真实可靠。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于天线辐射方向图的UAV信道建模方法的处理流程图。
图2是本发明实施例提供的一种基于蜂窝的UAV通信信道模型示意图。
图3是本发明实施例提供的一种基站天线下倾6°的天线方向图。
图4是本发明实施例所提信道模型得到的频率相关函数示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
为了与蜂窝网络下的实际通信环境相符，本发明提出了一种综合考虑多径效应、天线辐射方向图、多普勒效应等因素的UAV信道建模方案。
本发明实施例提供的一种基于天线辐射方向图的UAV信道建模方法的处理流程如图1所示，具体实施步骤如下：
步骤S1：初始化蜂窝网络下的UAV信道模型参数。
图2是本发明实施例提供的一种基于蜂窝的UAV通信信道模型示意图。初始化发射机(Transmitter,Tx)的天线数为LT，相邻天线之间的间隔为dT；初始化接收机(Receiver,Rx)的天线数为LR。
由于Rx在三维空间中运动，初始化Rx的速度υR，水平角γR与俯仰角ξR。
初始化Tx和Rx之间的距离为D。
初始化Tx、Rx的高度分别为HT与HR。
假设Rx周围的散射体分布在半径为RR的圆柱体表面，初始化散射体的数目为M，并使用S(m)表示第m个散射体。
Figure BDA0003507503550000071
是电磁波作用在散射体S(m)上的水平离开角，而
Figure BDA0003507503550000072
是电磁波作用在散射体S(m)上的水平到达角。类似的，
Figure BDA0003507503550000073
表示作用在散射体S(m)上的垂直离开角，而
Figure BDA0003507503550000074
是作用在散射体S(m)上的垂直到达角。
假设Tx发送信号到Rx有两种方式，分别为视距：发送信号从Tx发出直接到Rx的信号；非视距：发送信号从Tx发出，经过Rx周围的散射体散射，再到Rx的信号。
步骤S2：计算视距和非视距分量的传播距离参数。
Figure BDA0003507503550000089
Figure BDA0003507503550000081
Figure BDA0003507503550000082
其中，
Figure BDA0003507503550000083
εpq为第p根发送天线到第q根接收天线的传播距离
εpm为第p根发射天线到第m个散射体的传播距离
εmq为第m个散射体到第q根接收天线的传播距离
Figure BDA0003507503550000084
为第q根接收天线和点OR之间的连线与x轴的夹角
βo为Tx与Rx之间的夹角。
步骤S3：计算视距和非视距分量的多普勒效应参数。
Figure BDA0003507503550000085
Figure BDA0003507503550000086
其中，λ为波长，
Figure BDA0003507503550000087
fD,LoS和fD,m分别表示视距与非视距分量的多普勒频移。
步骤S4：计算视距和非视距分量的传播时延参数；
Figure BDA0003507503550000088
Figure BDA0003507503550000091
其中，c0为光速，τLoS和τSBR分别表示视距与非视距分量的传播时延。
步骤S5：计算发射天线的天线方向图。
假设天线阵列位于yoz平面上，共有Ny×Nz个天线阵元。沿y方向的Ny个阵元以间距d0均匀排列，沿z方向的Nz个阵元以间距d0均匀排列，从而形成矩形栅格阵的平面阵列。平面阵列的方向图函数可以表示为：
Figure BDA0003507503550000092
其中，φ为方位角，θ为俯仰角。天线阵列的主波束的最大值指向为(θ0,φ0)。考虑到天线波束的方向是平行于x轴，由于蜂窝网络下的基站天线下倾了θtilt角度。因此，只需全局坐标系XYZ绕着Y轴旋转θtilt角度即可，容易得到天线下倾θtilt角度的天线方向图，FT(θ,φ)表示基站天线未下倾时的天线方向图。
Figure BDA0003507503550000093
θ1＝arccos(cosθtilt·cosθ+sinθtilt·sinθcosφ)，
φ1＝arg(cosθtilt·sinθcosφ+sinθtilt·cosθ+sinθsinφ·j)。
FT(θ1,φ1)表示基站天线下倾了θtilt角度后的天线方向图。
步骤S6：计算第p根发射天线到第q根接收天线的冲击响应，方法如下：
Figure BDA0003507503550000094
Figure BDA0003507503550000095
其中，ko是自由空间波束，t是时间，τ是时延，KRice是莱斯因子，φm为随机初始相位，在[-π,π)均匀分布，
Figure BDA0003507503550000101
分别为视距与非视距分量的冲击响应。
步骤S7：计算第p根发射天线到第q根接收天线的转移函数，方法如下：
Figure BDA0003507503550000102
Figure BDA0003507503550000103
其中，
Figure BDA0003507503550000104
分别为视距与非视距分量的转移函数。
步骤S8：计算第p根发射天线到第q根接收天线的空时频相关函数，方法如下：
Figure BDA0003507503550000105
Figure BDA0003507503550000106
其中，E(·)表示数学期望运算符，αRμ∈[-π,π]，αTμ∈[-π,π]是散射体在水平方向上分布的平均角度，kT与kR为控制散射体在平均角度周围的扩展程度，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，βTm,βRm与βTμ,βRμ分别表示最大仰角与平均角。值得注意的是，当散射体趋近于无穷大(M→∞)时，离散水平角
Figure BDA0003507503550000107
和仰角
Figure BDA0003507503550000108
可以分别用连续型随机变量αR和βR代替。
下面具体通过附图和实施例来说明本发明一种基于天线辐射方向图的UAV信道建模。图3是本发明实施例提供的一种基站天线下倾6°的天线方向图。本实例中，具体仿真参数如表1所示。
表1仿真参数
L<sub>T</sub> 1 υ<sub>R</sub> 10m/s K<sub>Rice</sub> 0dB
L<sub>R</sub> 16 θ<sub>tilt</sub> 6° k<sub>T</sub>,k<sub>R</sub> 3，3
f<sub>c</sub> 1.8GHz H<sub>T</sub> 25m β<sub>Tμ</sub>,β<sub>Rμ</sub> 30°,30°
d<sub>0</sub> 0.5λ H<sub>R</sub> 0m β<sub>Tm</sub>,β<sub>Rm</sub> 7.5°,7.5°
d<sub>R</sub> 0.475λ D 350m α<sub>Tμ</sub>,α<sub>Rμ</sub> 0°,0°
M 25 R<sub>R</sub> 20m θ<sub>0</sub>,φ<sub>0</sub> 90°,0°
为了探究本发明得到的频率相关函数，将考虑了天线方向图的相关函数与未考虑进行比较。图4是本发明实施例所提信道模型得到的频率相关函数示意图。从图4中能够看到考虑了方向图的相关函数远高于未考虑方向图的相关函数，这是由于基站的天线增益导致的。此外，也能得到目前未考虑天线方向图的信道模型不具备普适性。
综上所述，本发明实施例提出的基于天线辐射方向图的UAV信道建模方法为现有UAV信道模型的修正与扩展提供了思路。本发明实施例提出的一种基于天线辐射方向图的UAV信道建模，通过使用矩形天线阵列来模拟基站天线的方向图，通过调整波束方向来减少信号干扰与增强网络覆盖范围，与实际的UAV通信场景相符合，从而有效提高UAV信道模型的准确性。
本发明实施例通过模拟发射端天线方向图，使得波束的下倾，达到控制基站覆盖半径的作用，从而将基于蜂窝的无人机通信变得与实际相符，为准确进行UAV通信系统设计与评估提供保障。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于天线辐射方向图的无人机信道建模方法，其特征在于，包括：
初始化蜂窝网络下的无人机信道模型参数；
使用矩形栅格阵平面阵列来模拟蜂窝网络的基站天线的方向图；
基于所述矩形栅格阵平面阵列通过调整波束方向计算发射天线到接收天线的天线方向图、冲击响应和转移函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的初始化蜂窝网络下的无人机信道模型参数，包括：
初始化发射Tx的天线数为LT，相邻天线之间的间隔为dT；初始化接收机Rx的天线数为LR；
初始化Rx的速度υR，水平角γR与俯仰角ξR；
初始化Tx和Rx之间的距离为D；
初始化Tx、Rx的高度分别为HT与HR；
假设Rx周围的散射体分布在半径为RR的圆柱体表面，初始化散射体的数目为M，并使用S(m)表示第m个散射体，
Figure FDA0003507503540000011
是电磁波作用在散射体S(m)上的水平离开角，
Figure FDA0003507503540000012
是电磁波作用在散射体S(m)上的水平到达角，
Figure FDA0003507503540000013
表示作用在散射体S(m)上的垂直离开角，
Figure FDA0003507503540000014
是作用在散射体S(m)上的垂直到达角；
假设Tx发送信号到Rx有两种方式，分别为视距：发送信号从Tx发出直接到Rx的信号；非视距：发送信号从Tx发出，经过Rx周围的散射体散射，再到Rx的信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的使用矩形栅格阵平面阵列来模拟蜂窝网络的基站天线的方向图，包括：
假设蜂窝网络的天线阵列位于yoz平面上，共有Ny×Nz个天线阵元，沿y方向的Ny个阵元以间距d0均匀排列，沿z方向的Nz个阵元以间距d0均匀排列，形成矩形栅格阵的平面阵列。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的基于所述矩形栅格阵平面阵列通过调整波束方向计算发射天线到接收天线的天线方向图、冲击响应和转移函数，包括：
计算视距和非视距分量的传播距离参数：
Figure FDA0003507503540000021
Figure FDA0003507503540000022
Figure FDA0003507503540000023
其中，
Figure FDA0003507503540000024
计算视距和非视距分量的多普勒效应参数；
Figure FDA0003507503540000025
Figure FDA0003507503540000026
其中，λ为波长，
Figure FDA0003507503540000027
计算视距和非视距分量的传播时延参数；
Figure FDA0003507503540000028
Figure FDA0003507503540000029
其中，c0为光速；
平面阵列的方向图函数表示为：
Figure FDA0003507503540000031
其中，φ为方位角，θ为俯仰角，天线阵列的主波束的最大值指向为(θ0,φ0)；
天线波束的方向平行于x轴，蜂窝网络的基站天线下倾了θtilt角度，将全局坐标系XYZ绕着Y轴旋转θtilt角度，得到天线下倾θtilt角度的天线方向图：
Figure FDA0003507503540000032
其中，
Figure FDA0003507503540000033
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的基于所述矩形栅格阵平面阵列通过调整波束方向计算发射天线到接收天线的天线方向图、冲击响应和转移函数，包括：
计算第p根发射天线到第q根接收天线的冲击响应，方法如下：
Figure FDA0003507503540000034
Figure FDA0003507503540000035
其中，ko是自由空间波束，t是时间，τ是时延，KRice是莱斯因子，φm为随机初始相位，在[-π,π)均匀分布,
Figure FDA0003507503540000036
与
Figure FDA0003507503540000037
分别为视距与非视距分量的冲击响应,δ(·)为狄利克雷函数。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的基于所述矩形栅格阵平面阵列通过调整波束方向计算发射天线到接收天线的天线方向图、冲击响应和转移函数，包括：
计算第p根发射天线到第q根接收天线的转移函数，方法如下：
Figure FDA0003507503540000041
Figure FDA0003507503540000042
计算第p根发射天线到第q根接收天线的空时频相关函数，方法如下：
Figure FDA0003507503540000043
Figure FDA0003507503540000044
其中，E(·)表示数学期望运算符，
Figure FDA0003507503540000045
是散射体在水平方向上分布的平均角度，kT与kR为控制散射体在平均角度周围的扩展程度，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，βTm,βRm与βTμ,βRμ分别表示最大仰角与平均角。
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