CN114785438A - 战术通信环境下车对车信道模型构建方法及系统实现方案 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了信息通信技术领域的战术通信环境下车对车信道模型构建方法及系统实现方案,包括:获取移动信道模型的冲激响应;将移动信道模型的冲激响应经过傅里叶变换后,得到时变传输函数;在时变传输函数中引入路径状态变量,得到考虑链路状态变化的时变传输函数;在考虑链路状态变化的时变传输函数中引入偏移点天线增益,最终得到适用于战术通信环境的车对车信道模型。本发明通过构建适用于战术通信环境的车对车信道模型,能够更有效地分析和设计战术车载平台间的通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及战术通信环境下车对车信道模型构建方法及系统实现方案,属于信息通信技术领域。
背景技术
各种履带轮式装甲或轻型车载平台(以下统一称为车载平台)通过信息网络互连一体,协同遂行作战任务是信息化条件下陆战场作战的主要表现形式之一。车载平台间无线通信网络的可靠性对战争胜负具有重要影响。而在实际作战或演习中,车载平台间的无线通信的可靠性面临严峻挑战。尤其在山地和丘陵地区,战术车载平台的通信性能大幅下降,通信中断概率远超平原地区。该问题既同自然环境有关,同时也反映出现现有的工作对战术环境下无线信道的特性掌握不够,通信系统设计的针对性不强。
在战术环境下,两个移动终端在相互移动时受到恶劣地形地貌的影响,其收发链路的中断概率急剧升高。这是造成当前战术车载平台通信性能不佳的重要原因之一。但是,目前战术通信体制设计时所依托的信道模型仍是传统移动信道模型,这类信道模型没有考虑战术场景的特殊性,难以准确地反映出机动车载平台间的无线信道传输特性,因此传统的移动信道模型不再适用于战术场景下的车对车(Vehicle-to-Vehicle,V2V)信道。为更有效地分析和设计战术车载平台间的通信系统,建立一个适用于战术通信环境的V2V信道模型至关重要。
近年来,随着移动通信和车联网的蓬勃发展和应用,移动车载信道的建模成为了人们研究的热点问题之一。其中,固定基站与移动终端之间(Fix-to-Mobile,F2M)蜂窝无线信道和移动终端之间的(Mobile-to-Mobile,M2M)信道已经得到了广泛研究。在F2M场景中,固定基站的天线架高,移动终端与基站之间的信号传输受到遮蔽的影响相对较小。根据是否存在视距分量,F2M信道一般采用经典的莱斯(Rician)信道或瑞利(Rayleigh)信道进行建模。而在M2M场景中,收发双方的天线高度较低,一般在1到2.5米左右,这会导致移动终端周围的障碍物对于信号的遮蔽更加严重,信道衰落特性更加明显。此外,由于移动终端的快速运动,信道状态的平稳时间相对较短,因此信道的非平稳特性也更为突出。因此M2M信道相比于F2M信道,其信道动态特征和衰落特性更为明显,目前常用的方法是采用级联的Rayleigh信道模型对其进行建模。
不同于上述两种场景,在本文所研究的战术通信环境的车对车(Tactical-Vehicle-to-Vehicle,T-V2V)的场景中,复杂的电磁环境导致信号强度较弱,车载平台一般配置高增益的方向性天线来提高发送端天线的辐射功率,以满足高速率和长距离的战术通信需求。但是在T-V2V场景下会产生方向性天线对准问题。在恶劣的战术地形下,收发方向性天线会随着崎岖的地形起伏,导致天线波束无法对准,这会给信号传输造成严重的损耗。另外,机动车载平台的相互运动也会导致多径分量的数量和强度频繁发生动态变化。而在现有的移动信道模型研究中,没有考虑这些T-V2V场景下的特殊问题,无法反映该场景下V2V信道的真实情况。故此类模型不再适用于战术场景下的V2V系统的设计和研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供战术通信环境下车对车信道模型构建方法及系统实现方案,能够更有效地分析和设计战术车载平台间的通信系统。
为达到上述目的,本发明是采用下述技术方案实现的:
第一方面,本发明提供了战术通信环境下车对车信道模型构建方法,包括:
获取移动信道模型的冲激响应;
将移动信道模型的冲激响应经过傅里叶变换后,得到时变传输函数;
在时变传输函数中引入路径状态变量,得到考虑链路状态变化的时变传输函数;
在考虑链路状态变化的时变传输函数中引入偏移点天线增益,得到适用于战术通信环境的车对车信道模型。
进一步的,根据视距信号和非视距信号的叠加效应,所述移动信道模型的冲激响应表示为:
进一步的,所述视距信号分量的信道复系数和第n条非视距信号路径的信道复系数分别表示为:
其中,K为莱斯因子,ΦLoS、分别表示视距分量的随机初始相位、移动终端Tx运动引起的最大多普勒频移、移动终端Rx运动引起的最大多普勒频移、随机离开角、随机到达角。M表示移动终端Tx和移动终端Rx之间经过周围的散射体传播的有效路径数量,分别表示第n条非视距路径分量中移动终端Tx运动引起的最大多普勒频移和移动终端Rx运动引起的最大多普勒频移。分别表示第n条非视距路径分量中第m条散射路径的随机初始相位、随机离开角、随机到达角。γTx和vTx表示移动终端Tx的运动方向角度和速度,γRx和vRx表示移动终端Rx运动方向角度和速度。
进一步的,将信道冲激响应进行傅里叶变换,得到信道时变传输函数为:
进一步的,为了表征车载平台的移动和障碍物遮蔽引起多径链路状态的变化,在信道模型中加入影响链路状态变化的时变因子得到:
进一步的,所述偏移点天线增益GB为:
GB=DB=DA|F(θ,ψ)|2
其中,GB为偏移点天线增益,f(θ,ψ)为方向函数,θ为极轴角,ψ为方位角,F(θ,ψ)为归一化方向函数,DA为天线波束最大增益点天线方向系数,L和k分别表示天线长度和波数,fmax为方向函数f(θ,ψ)模的最大值,{θ,ψ}表示天线主波束方向。
进一步的,综合考虑战术场景中的链路状态变化以及方向性天线的对准问题,所述适用于战术通信环境的车对车信道模型表示为:
第二方面,本发明提供了战术通信环境下车对车信道模型系统实现方案,包括:
接收模块:用于获取移动信道模型的冲激响应;
傅里叶变换模块:用于将移动信道模型的冲激响应经过傅里叶变换后,得到时变传输函数;
路径状态变量引入模块:用于在时变传输函数中引入路径状态变量,得到考虑链路状态变化的时变传输函数;
偏移点天线增益引入模块:用于在考虑链路状态变化的时变传输函数中引入偏移点天线增益,得到适用于战术通信环境的车对车信道模型。
第三方面,本发明提供了战术通信环境下车对车信道模型构建装置,包括处理器及存储介质;
所述存储介质用于存储指令;
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
第四方面,本发明提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果:
一、本发明考虑车载平台在复杂战术环境移动过程中链路状态的变化,与传统信道模型相比,本方案中的模型考虑了链路状态的变化带来的影响,引入路径状态变量来描述车载平台在移动过程中链路状态的变化,从而更好地表征战术场景下链路受复杂环境影响的实际变化情况;
二、本发明考虑了方向性天线对准问题在恶劣的战术地形环境下对信道的影响,在所提模型考虑了地形因素对于信道的影响,加入战术地形条件下的天线功率增益分量来表示方向性天线在起伏战术地形下的变化,更能准确表征恶劣战术地形环境下的V2V信道的实际情况。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的战术车载平台点对点通信系统示意图;
图2是本发明实施例一提供的不同地形下车载平台收发天线对准角度示意图;
图3是本发明实施例一提供的战术通信环境下车对车信道建模流程图;
图4是本发明实施例一提供的所提模型与传统移动信道模型指标对比图;
图5是本发明实施例一提供的不同的莱斯因子对应的电平通过率和平均衰落持续时间指标图;
图6是本发明实施例一提供的不同强度遮蔽效应下的电平通过率和平均衰落持续时间指标图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一:
由于现有的移动信道模型没有充分考虑战术通信环境对于V2V信道的影响,为了能够反映真实战术环境下车对车系统中的信号传输特性,本实施例提出了一种适用于战术通信环境下的车对车(Tactical Vehicle to Vehicle,T-V2V)信道模型。综合考虑模型的复杂度和准确度,所提模型是基于几何的统计模型(Geometry-Based Stochastic Model,GBSM)对战术通信环境下的V2V信道进行建模,如图1所示,定义两移动终端Tx和Rx,相关的三维射线追踪测量结果表明,车载平台移动过程中复杂散射环境导致Tx和Rx之间存在直射、反射、绕射、透射以及散射等多条信号传播路径,接收信号为视距信号(Line of Sight,LoS)与非视距信号(Non-Line of Sight,NLoS)的叠加信号,因此T-V2V信道模型的冲激响应可表示为:
其中,t为时间,τ为时延,N为路径总数量,hLoS(t)、tLoS分别表示视距信号分量的信道复系数和时延;分别表示第n条非视距信号路径的信道复系数和时延。hLoS(t)和hNLoS(t)进一步表示为式(2)和式(3):
其中,K为莱斯因子,ΦLoS、分别表示视距分量的随机初始相位、移动终端Tx运动引起的最大多普勒频移、移动终端Rx运动引起的最大多普勒频移、随机离开角(Angle of Departure,AOD)、随机到达角(Angle of Arrival,AOA)。M表示移动终端Tx和移动终端Rx之间经过周围的散射体传播的有效路径数量,分别表示第n条非视距路径分量中移动终端Tx运动引起的最大多普勒频移和移动终端Rx运动引起的最大多普勒频移。 分别表示第n条非视距路径分量中第m条散射路径的随机初始相位、随机离开角、随机到达角。γTx和vTx表示移动终端Tx的运动方向角度和速度,γRx和vRx表示移动终端Rx运动方向角度和速度。信道冲激响应经过傅里叶变换后可得出T-V2V信道的时变传输函数,其表达式为:
在战术场景中,车载平台的快速移动导致多径分量的数量和强度频繁发生变化。例如,当Tx和Rx周围存在有效散射体时,此时收发双方之间可能存在可达链路。但是当车载平台离开该区域时,有效散射体消失,该多径分量也会随之消失。同时,由于车载天线高度较低,当收发车载平台之间存在较大的障碍物(例如山地或树林),此时信号的传播会受到遮蔽物影响,导致多径链路分量消失或减弱。因此,本文采用生灭过程建模多径分量状态的变化情况,通过状态转移矩阵(State Transition Matrix,STM)和平稳状态矩阵(SteadyState Matrix,SSM)描述“birth”和“death”两状态的持续和转移。STM和SSM可分别表示为:
其中,“0”代表链路消失,“1”代表链路存在;Pij代表从状态i转移到状态j的概率,那么经过T次转移后,链路的生灭状态概率可由式(7)计算得到:
因此,在T-V2V模型中引入路径状态变量z(t)来表示车载平台的移动和障碍物遮蔽引起多径链路状态的变化,则信道时变传输函数可重新表述为式(8):
为满足速率和通信距离需求,方向性天线在战术通信系统中得到广泛使用。在图2中,当Rx以速度v在理想的平坦地形移动时,收发天线波束最大增益方向可实现对准,通信方向上的天线增益最大,接收方可获得最大的信号功率,视距信号分量在各个位置保持不变;然而在起伏的战术地形中,方向性天线波束最大增益方向会随着地形起伏而发生变化,收发天线波束最大增益方向无法始终保持在同一方向上,天线增益发生损耗,导致视距信号链路功率降低。由于视距信号路径分量在信道电平中发挥主导作用,视距信号分量越弱,信道电平越低,信道出现深衰落的机会越大,以至于无法达到接收机信噪比的灵敏度要求,进一步增大了通信链路的中断概率。图2中A点为天线波束最大增益点,B点为偏移点,假设天线类型为对称阵子天线,其几何结构连同电流分布关于z轴旋转对称,方向函数f(θ,ψ)是极轴角θ的一元函数,与方位角ψ无关,即f(θ,ψ)=f(θ),表达式记为式(9)。进一步推导可以得到其归一化方向函数F(θ,ψ),如式(10)所示。
其中,L和k分别表示天线长度和波数,fmax为方向函数f(θ,ψ)模的最大值。根据天线方向系数的通用计算公式,A点天线方向系数DA可表示为式(11),则偏移点B点的天线增益GB可通过式(12)计算得到。
GB=DB=DA|F(θ,ψ)|2 (12)
因此,本文引入方向性天线增益G(θ,ψ)表示车载平台在战术地形条件下的天线功率增益,其中{θ,ψ}表示天线主波束方向,需要注意的是,天线波束方向在车载平台运动过程中随着地形起伏变化,因此G(θ,ψ)是与时间相关的变量,为了表达方便,在表达式中将时间t省略。最终完整的T-V2V信道模型表示为:
由于战术环境中丛林、山地、土坡众多,车载平台在其中移动时,通信双方之间的多径分量的数量和强度会发生变化。电磁波信号常常会因为丛林或者山地的遮蔽而造成强度减弱,甚至导致多径链路消失。但当在车载平台移动一段距离过后,当出现有效散射体时,又会出现某条路径。因此,链路状态是一个随时间变化的变量。本实施例考虑车载平台在复杂战术环境移动过程中链路状态的变化,与传统信道模型相比,T-V2V模型考虑了链路状态的变化带来的影响,引入状态变量z(t)来描述车载平台在移动过程中链路状态的变化,从而更好地表征战术场景下链路受复杂环境影响的实际变化情况。
在一般的传统移动信道模型中,一般默认移动车载平台在平坦地面上相互运动,如图2所示,此时收发双方的天线主波束可以实现对准。而战术通信场景中的地形起伏程度更大。另外,由于方向性天线被广泛使用,当战车在恶劣的战术地形环境中运动时,方向性天线的波束起伏很大,导致其主波束无法对准,造成天线增益损耗。相比于传统模型,本实施例还考虑方向性天线在恶劣的战术地形环境下对信道的影响,在T-V2V模型考虑了地形因素对于信道的影响,加入分量G(θ,ψ)来表示方向性天线在起伏战术地形下的变化,更能准确表征恶劣战术地形环境下的V2V信道的实际情况。
为突出所提T-V2V信道模型的性能,做了如下仿真验证。本发明对信道电平衰落特性指标进行统计分析,包括电平通过率(Lever Crossing Rate,LCR)与平均衰落持续时间(Average Duration of Fading,ADF)。其中电平通过率表示单位时间内通信链路中断的次数,而平均衰落持续时间能够反映出信道电平处于深度衰落的平均持续时间。在仿真实验中,将路径总数设置为12条(其中1条为视距信号路径,其余均为非视距信号路径);多径分量的幅值服从瑞利分布;多径时延差参照IEEE 802.11p标准中的VTV Urban Canyon(VTV-UC)场景进行设定;天线类型为半波振子天线,其最大波束角为78°;随机初始相位服从均匀分布U[-π,π];随机到达角和随机离开角均服从均匀分布U[0,π]。
在实际战术环境下,由于方向性天线和恶劣的战术地形条件影响,V2V信道传输条件进一步恶化,衰落特性更加明显,相应的数据包丢包率和重传概率也会急剧升高。图4给出T-V2V信道模型与传统移动信道模型的电平通过率和平均衰落持续时间指标对比。由图可知,对于电平通过率和平均衰落持续时间指标,T-V2V信道模型均大于传统移动信道模型,说明T-V2V信道模型在单位时间内通信中断次数明显增多,且每次通信中断的平均持续时间也显著增大,所得结果与战术车载平台在实际运用中出现的情况一致,说明T-V2V信道模型能够更好地表征战术场景下的V2V信道的实际情况,因此所提模型更适用于对战术通信环境下的V2V信道。
图5分析了莱斯因子的变化对于所提T-V2V信道模型的影响。莱斯因子越大,视距信号路径分量相对于非视距信号路径分量比值越大。由图可知,随着莱斯因子增大,T-V2V信道模型的电平通过率和平均衰落持续时间指标均呈现出上升趋势,说明当视距信号路径分量权重较大时,T-V2V信道衰落特性更为明显。另外,当地形起伏较为剧烈时,电平通过率和平均衰落持续时间增大的幅值更为显著。这是因为T-V2V信道模型中考虑了方向性天线波束在战术地形中的偏移,恶劣的战术地形对视距信号分量的影响较大,造成视距信号路径较大的功率损耗,且地形起伏越大,所对应损耗越大,导致发生深度衰落的概率进一步增大。因此可以得出结论,在复杂的战术地形下,莱斯因子越大,信道的衰落特性越明显,发生通信中断概率越大,并且中断持续时间越长。
图6给出不同的遮蔽强度对T-V2V信道模型的信号传输的影响。在战术车载平台移动过程中,周围复杂的障碍物会对电磁波信号的传输产生遮蔽效应,从而导致路径消失或者功率强度减弱。由图可知,当遮蔽效应较为严重时,多径分量消失或减弱的概率增大,信道电平降低,导致电平通过率和平均衰落持续时间指标增大,信道的衰落特性更加明显。这说明在战术场景中由于车载平台的快速移动和收发天线高度的降低,导致信号传输受到的遮蔽效应更加严重,导致通信中断概率增大,这与现实中的战术通信情况相符。
实施例二:
本发明实施例提供了战术通信环境下车对车信道模型系统实现方案,可实现实施例一所述的战术通信环境下车对车信道模型构建方法,包括:
接收模块:用于获取移动信道模型的冲激响应;
傅里叶变换模块:用于将移动信道模型的冲激响应经过傅里叶变换后,得到时变传输函数;
路径状态变量引入模块:用于在时变传输函数中引入路径状态变量,得到考虑链路状态变化的时变传输函数;
偏移点天线增益引入模块:用于在考虑链路状态变化的时变传输函数中引入偏移点天线增益,得到适用于战术通信环境的车对车信道模型。
实施例三:
本发明实施例还提供了战术通信环境下车对车信道模型构建装置,可实现实施例一所述的战术通信环境下车对车信道模型构建方法,包括处理器及存储介质;
所述存储介质用于存储指令;
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤:
获取移动信道模型的冲激响应;
将移动信道模型的冲激响应经过傅里叶变换后,得到时变传输函数;
在时变传输函数中引入路径状态变量,得到考虑链路状态变化的时变传输函数;
在考虑链路状态变化的时变传输函数中引入偏移点天线增益,得到适用于战术通信环境的车对车信道模型。
实施例四:
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,可实现实施例一所述的战术通信环境下车对车信道模型构建方法,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤:
获取移动信道模型的冲激响应;
将移动信道模型的冲激响应经过傅里叶变换后,得到时变传输函数;
在时变传输函数中引入路径状态变量,得到考虑链路状态变化的时变传输函数;
在考虑链路状态变化的时变传输函数中引入偏移点天线增益,得到适用于战术通信环境的车对车信道模型。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.战术通信环境下车对车信道模型构建方法,其特征是,包括:
获取移动信道模型的冲激响应;
将移动信道模型的冲激响应经过傅里叶变换后,得到时变传输函数;
在时变传输函数中引入路径状态变量,得到考虑链路状态变化的时变传输函数;
在考虑链路状态变化的时变传输函数中引入偏移点天线增益,得到适用于战术通信环境的车对车信道模型。
3.根据权利要求2所述的战术通信环境下车对车信道模型构建方法,其特征是,所述视距信号分量的信道复系数和第n条非视距信号路径的信道复系数分别表示为:
8.战术通信环境下车对车信道模型系统实现方案,其特征是,包括:
接收模块:用于获取移动信道模型的冲激响应;
傅里叶变换模块:用于将移动信道模型的冲激响应经过傅里叶变换后,得到时变传输函数;
路径状态变量引入模块:用于在时变传输函数中引入路径状态变量,得到考虑链路状态变化的时变传输函数;
偏移点天线增益引入模块:用于在考虑链路状态变化的时变传输函数中引入偏移点天线增益,得到适用于战术通信环境的车对车信道模型。
9.战术通信环境下车对车信道模型构建装置,其特征是,包括处理器及存储介质;
所述存储介质用于存储指令;
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1~7任一项所述方法的步骤。
10.计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征是,该程序被处理器执行时实现权利要求1~7任一项所述方法的步骤。
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