2016年第7期信息通信總第163期)inforMation COMmUnications(Sum. No 163)空一空通信信道的統(tǒng)計(jì)特征分析桂永強(qiáng),韓后岳,章杰,李小喜,方園(合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽合肥2300090)摘要:近年來空—空通信技術(shù)受到了高度關(guān)注,空—空信道建模與分析是空—空通信領(lǐng)域的硏究熱點(diǎn)之一。文章依據(jù)徳國(guó)宇航局基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的空—空信道統(tǒng)計(jì)模型,通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了地面場(chǎng)景切換時(shí)路徑接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布特征,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)空-空信道建模具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:無線通信;空-空通信;信道建模中圖分類號(hào):TN927文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1673-1131(2016)07-0017-03Analysis of the statistical characteristics of the air-to- air communication channelGui Yongqiang, Han Houyue, Zhang Jie, Li Xiaoxi, Fang Yuan(School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)Abstract: In recent years, air-to-air communication technology has been highly concerned, and the air-to-air channel modelingand analysis is one of the research hotspots in the field of air-to-air communication. Based on the statistical air-to-air channelmodel according to the measurements of the German Aerospace Center, the statistical distribution characteristics of path receied signal are analyzed by the simulation experiment when the ground scene changes, and the results have a certain referencevalue for the modeling of the air -to-air channelKeywords: Wireless communication; Air-to-air communication; Channel modeling0引言航空通信在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的地位。隨著軍用、民用航空的飛速發(fā)展,航空通信已逐漸向?qū)拵?、多媒體、大容量等方向發(fā)展。近幾十年來,對(duì)于航空通信大多研究空-地通信,而且側(cè)重于理論分析,例如 Philip a.Bll對(duì)航空信道特性進(jìn)行了分析", Erik hass將航空通信信道劃分為航行、起飛飛降落、滑行、停場(chǎng)這四種飛行狀態(tài)凹。研究空-空通信的很少Niklas goddemeier用無人駕駛飛機(jī)(UAV)討論了高度對(duì)于空空信道統(tǒng)計(jì)分布的影響,但是僅限于小范圍,低高度十米左右):德國(guó)宇航局在ⅤHF/UHF波段第一次對(duì)空空信道參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,填補(bǔ)了空空信道參數(shù)的空白,文獻(xiàn)[5]將空空通信發(fā)生場(chǎng)景劃分為:水面、草地、山谷、城區(qū)四種,并討圖1空空通信示意圖論了當(dāng)空空信道處于不同場(chǎng)景下接收信號(hào)視距傳輸(Line-1航空信道的雙徑模型of-sigh)路徑與反射傳輸( Specular reflection)路徑振幅的統(tǒng)1.1信道建模計(jì)分布。對(duì)于航空信道來說,環(huán)境變化很快,信道特征是時(shí)變的,但是文獻(xiàn)5]中僅僅考慮空-空通信單一場(chǎng)景,并未考慮場(chǎng)因此對(duì)于航空信道建模一般采用統(tǒng)計(jì)建模的方法,可以通過景切換時(shí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布特征。如圖1所示,當(dāng)飛行場(chǎng)景切時(shí)延功率譜、時(shí)延拓展、多普勒功率譜、多普勒拓展這幾個(gè)統(tǒng)換時(shí),接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布也會(huì)有所變化。本文通過對(duì)空空計(jì)參量,分別從時(shí)域和頻域?qū)湛胀ㄐ判诺捞卣鬟M(jìn)行描述。通信場(chǎng)景變換時(shí)LOS路徑與SR路徑接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布做本文主要基于 WSSUS理論對(duì)信道進(jìn)行建模分析,不考個(gè)仿真與評(píng)估,得到場(chǎng)景變換服從的統(tǒng)計(jì)分布,其實(shí)慮電離層與對(duì)流層的影響,由于信道中存在強(qiáng)的LOS與SR驗(yàn)結(jié)果為空-空信道建模提供必要的數(shù)據(jù)支撐,具有一定的參路徑分量,通過文獻(xiàn)[4得到空空通信信道的沖激響應(yīng)為:考價(jià)值。h(t, r)=h,o(t,r)+hs (t,T)6]馮開明ITER實(shí)驗(yàn)包層計(jì)劃綜述肌核聚變與等離子體物[10等溫度對(duì)鈹力學(xué)性質(zhì)的影響[J稀有金屬,2015(1)理,2006.26(3):161-169.[111,邱志聰,巫祥超,等.金屬鈹?shù)膲嚎s變形行為[J爆炸7]張一鳴.IER計(jì)劃和核聚變研究的未來[J真空與低溫,與沖擊,2016(2)2006(4)12]馮勇進(jìn)馮開明,張建利中子倍增材料鈹小球的REP制備[8]許德美,等國(guó)內(nèi)外鈹和含鈹材料的研究進(jìn)展中國(guó)有色工藝研究磯].中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告,2011年第2卷:金屬學(xué)報(bào),2014(5)82-86I9Ⅰ許德美,等.組織缺陷對(duì)金屬鈹室溫?cái)嗔研袨榈挠绊懸?guī)律∏3余為,等金屬半球殼壓縮力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)和模擬硏究.工研究[稀有金屬,2010(6)程力學(xué),2013(11).信息通信桂永強(qiáng)等:空空通信信道的統(tǒng)計(jì)特征分析式(1)中hut)為直射傳播的沖激響應(yīng),ht,v)為反射傳其中r(k)是伽馬函數(shù),k為形狀參數(shù)。輸?shù)臎_激響應(yīng),同時(shí)可以得到要考慮的第三種分布是 Weibull分布。 Weibull分布與h2m(,r)=an()6(x-tm(O)exp(-12nftn(1)(2) Nakagami一樣是瑞利分布的一般化。給出概率密度函數(shù)公a1、(U)是自由空間傳播損耗,τ。()表示直射路徑的時(shí)延,式如下指數(shù)項(xiàng)代表相位偏移量,hs(4,r)=R(Oa。(O)6(-ts(O)exp(-j2兀p4(x)=x≥0,k>0,a>0(6)其中R(ω)是反射系數(shù),αs(t)為反射路徑傳播損耗,τ(表k是形狀參數(shù),a是尺度參數(shù)示反射路徑的時(shí)延,指數(shù)項(xiàng)代表相位偏移量平均信號(hào)幅度的長(zhǎng)期變化可以用對(duì)數(shù)正態(tài)( Lognormal)過2空空飛行場(chǎng)景程進(jìn)行建模。對(duì)數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)公式為:由于飛機(jī)飛行時(shí)會(huì)飛越不同場(chǎng)景,在不同的環(huán)境下,受地P(x)(log(x)-m)面反射條件、周圍建筑物等不同的影響,得到接收端信號(hào)幅度的統(tǒng)計(jì)特性也不同?？紤]到接收端信號(hào)幅度的統(tǒng)計(jì)特性與不以上提到的統(tǒng)計(jì)分布將用來描述LOS路徑傳播與SR路同飛行場(chǎng)景有關(guān),因此根據(jù)飛行過程中環(huán)境的不同,假設(shè)兩架徑傳播的統(tǒng)計(jì)特性。對(duì)于飛行器飛經(jīng)不同的場(chǎng)景以及在場(chǎng)景飛機(jī)同向飛行,其中一架作為信號(hào)發(fā)送端,另一架作為信號(hào)接之間進(jìn)行切換時(shí),LOS與SR路徑會(huì)表現(xiàn)出不同的統(tǒng)計(jì)分布。收端,飛行高度h=600m時(shí),將飛行場(chǎng)景劃分為:海面、山谷、2信道模型仿真結(jié)果城區(qū)、草原四種。(1)海面飛行器在不同場(chǎng)景之間進(jìn)行切換時(shí),在原有單一場(chǎng)景的兩架飛機(jī)同時(shí)飛過海面時(shí),由文獻(xiàn)[6得到此時(shí)的多普勒基礎(chǔ)上,考慮不同場(chǎng)景混合對(duì)信道產(chǎn)生的影響。在發(fā)送端發(fā)拓展與時(shí)延拓展分別為:0=12.83Hz,G=0.775μ。此時(shí)LOs送一個(gè)OFDM信號(hào),接收端接收經(jīng)過信道失真的信號(hào)并存儲(chǔ)徑得到衰落服從菜斯(Rice)分布,SR徑衰落服從威布爾在內(nèi)存中。信號(hào)由采樣頻率為Vs=20MHz,Nc=513路的載波( WeibulL)分布組成,因此載波間頻率間隔為Av=39.063kHz?？捎涗涀畲箝L(zhǎng)(2)山谷度信道沖擊響應(yīng)時(shí)間為τm=256s。的當(dāng)飛機(jī)在山谷中飛行,飛機(jī)飛行高度沒有山體高時(shí),山體實(shí)驗(yàn)一:水面與草地之間場(chǎng)景切換。當(dāng)空空通信場(chǎng)景發(fā)生在海岸處時(shí),飛行場(chǎng)景會(huì)在水面與行,當(dāng)飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)接收信號(hào)會(huì)有所衰落。此時(shí)1OS徑得到衰草地之間進(jìn)行切換此時(shí)接收信號(hào)振幅的統(tǒng)計(jì)分布會(huì)有變化,落服從對(duì)數(shù)正態(tài)( Lognorn)分布,SR徑衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分別對(duì)LOS與SR路徑信號(hào)取一個(gè)權(quán)重α和β,對(duì)接收端數(shù)據(jù)進(jìn)( Lognormal)分布行仿真得到結(jié)果如圖2所示,顯示了LOS路徑和SR路徑接收(3)城區(qū)。信號(hào)直方圖的概率密度函數(shù)。信號(hào)振幅比1大是由于天線增飛機(jī)飛經(jīng)城區(qū)上空,此時(shí)地面建筑物比較多,反射情況比益的效果LOS路徑信號(hào)的振幅均值=1432,方差=0.0019。此較復(fù)雜。由文獻(xiàn)[6]得到此時(shí)的多普勒拓展與時(shí)延拓展分別為:σ時(shí)LOS路徑數(shù)據(jù)的直方圖用式(4)Rice函數(shù)擬合效果最好,與=1608Hz,=075us。此時(shí)LOs徑得到衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)理論曲線只有一個(gè)小的偏差( Lognormal)分布,SR徑衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)( Lognormal分布。(4)草地Weibull考慮飛機(jī)飛越草地,草地一直保持干燥狀態(tài)。由文獻(xiàn)[6!得到此時(shí)的多普勒拓展與時(shí)延拓展分別為:σ=106Hz,01=0356此時(shí)LOS徑衰落服從威布爾( Weibul)分布,SR徑衰落服從Nakagan分布。1.3衰落分布當(dāng)存在直射分量并且多徑成分到達(dá)時(shí)的入射角均勻分布----1------}---信號(hào)的幅度可以用萊斯(Rice)分布進(jìn)行描述。這個(gè)模型用于描述存在機(jī)身反射的視距傳播路徑是合理的。為了產(chǎn)生萊斯過程,將高斯噪聲添加到LOS徑信號(hào)中,使得幅度分布對(duì)應(yīng)于萊斯分布。萊斯分布的概率密度函數(shù)(PDF)為圖2LOS與SR路徑概率密度函數(shù)的最佳擬合分布p(x)=5x≥0(4)(水面與草地)可以看到,SR路徑與LOS路徑相似,但是用式(6)的σ是所有散射部分的總幅度,p是直射部分的振幅,J表 Weibu分布能夠更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。此時(shí)SR路徑的信示第一類零階貝塞爾函數(shù)號(hào)振幅比LOS路徑要小,其均值m=0.708,方差σ=0.0023,對(duì)另一種普遍使用的衰落分布是 Nakagami分布,多用于描于數(shù)據(jù)的擬合有一個(gè)小的偏差述存在密集建筑的城區(qū),可以通過形狀參數(shù)來調(diào)整數(shù)據(jù)的分實(shí)驗(yàn)二:水面與山谷之間場(chǎng)景切換。布形狀。當(dāng)k=1時(shí) Nakagami分布變成瑞利分布。 Nakagami同樣,當(dāng)空空通信場(chǎng)景發(fā)生在海岸邊有山的地方時(shí),LOS分布的概率密度函數(shù)公式給出為路徑和SR路徑接收信號(hào)直方圖和概率密度函數(shù)如圖3所示。n()=2(kx“e∞+kox≥0k21/25)此時(shí)信號(hào)振幅均值m=1.12l,方差0=004。和在海岸處相r()、Ω同,用式(7)的 Lognormal分布來對(duì)數(shù)據(jù)擬合較好,但是其均值信息通信桂永強(qiáng)等:空空通信信道的統(tǒng)計(jì)特征分析要小,同時(shí)方差會(huì)變大一點(diǎn)?？梢越忉尀樵诖嬖谏襟w的復(fù)雜LOS Data環(huán)境下,信號(hào)的反射與遮擋作用會(huì)更強(qiáng),導(dǎo)致信號(hào)幅度衰減,SR Data方差變大SR DutaNakagami圖5LOS與SR路徑概率密度函數(shù)的最佳擬合分布(草地與山谷)3結(jié)論與展望圖3LOS與SR路徑概率密度函數(shù)的最佳擬合分布本文基于德國(guó)宇航局對(duì)于航空通信信道實(shí)測(cè)的工作,考(水面與山谷慮當(dāng)航空通信的場(chǎng)景進(jìn)行切換時(shí),LOS路徑與SR路徑信號(hào)振SR路徑統(tǒng)計(jì)分布用式(5)的 Nakagami函數(shù)來進(jìn)行匹配幅的統(tǒng)計(jì)分布可以用Rice、 Weibul. Lognormal、 Nakagami這更好。其振幅均值m=0362,方差G=018與圖2中數(shù)據(jù)幾種統(tǒng)計(jì)分布來進(jìn)行擬合。但是由于場(chǎng)景變換,LOS與SR路相比,信號(hào)振幅減小,同樣可以認(rèn)為是山體這種復(fù)雜環(huán)境造成徑信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分布有所變化。可以看到當(dāng)有城區(qū)與山谷這種的結(jié)果建筑物密集的場(chǎng)景時(shí),SR路徑用 Nakagami分布來進(jìn)行擬合實(shí)驗(yàn)三:草地與城區(qū)之間場(chǎng)景切換。比較適合,而LOS路徑用 Lognormal與 Weibull分布進(jìn)行擬合當(dāng)草地與城區(qū)兩種環(huán)境同時(shí)存在,即建筑物比較稀疏時(shí)LOS路徑和SR路徑接收信號(hào)直方圖和概率密度函數(shù)如圖4效果較好。通過對(duì)航空信道場(chǎng)景切換下LOS與SR路徑接收所示。由圖4可以看出,數(shù)據(jù)分布發(fā)生了變化,此時(shí)對(duì)于LOS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布進(jìn)行分析,為空空信道建模提供有力的數(shù)據(jù)支路徑用式(6)的 Weibull分布進(jìn)行擬合比較好。其振幅均值撐m=1.325,方差o=0004.其振幅強(qiáng)度與圖2中強(qiáng)度相差不大,參考文獻(xiàn):但是信號(hào)方差G變大l1] Philip A. Bello. Aeronautical channel characterization[JI此時(shí)式(7)中的 Lognormal分布對(duì)SR路徑數(shù)據(jù)幾乎可以IEEE Trans on Communication, 1973 COM-21(5): 548完美擬合,其振幅均值m=0.211,方差為σ=0.0024。由于地面上的建筑物與樹木會(huì)對(duì)接收信號(hào)造成影響,因此信號(hào)振幅減[2」 Erik haas. Aeronautical Channel ModelinglJl. IEEE Trans小[3 Niklas Goddemeier and C. Wietfeld. Investigation of Air-toAir Channel Characteristics and a UAV Specific Extensionto the Rice ModellCl. IEEE Globecom Workshops, 2015[4] Michael Walter and Michael Schnell. The Doppler-DelayCharacteristic of the Aeronautical Scatter Channel[J. IEEEVehicular Technology conference, 2011: 1-5[5 Michael Walter and Michael Schnell. Statistical DistributionOf Line-Of-Sight And Reflected Path In The aeronauticalystems Conference 2011, 47(10):4D1-1-4D1-9圖4LOS與SR路徑概率密度函數(shù)的最佳擬合分布[6 Michael Walter. S Gligorevic and T Detert Michael Schnell(草地與城區(qū))UHF/VHF Air-to-Air Propagation Measurements[C]. Euro實(shí)驗(yàn)四:草地與山谷之間場(chǎng)景切換pean Conference on Antennas Propagation, 2010: 1-5草地與山谷兩種場(chǎng)景同時(shí)存在時(shí),即當(dāng)通信發(fā)生在這種7]Said.M. Elnoubi. A simplified stochastic model for the場(chǎng)景下,LOS路徑和SR路徑接收信號(hào)直方圖和概率密度函aeronautical mobile radio channel [Jl. in Proc. IEEE Veh數(shù)如圖5所示。與圖4中數(shù)據(jù)相比區(qū)別不大,LOS路徑Technol. Conf. 1992, pp 960-963樣用 Weibull分布來進(jìn)行擬合,均值m=1.295,方差σ=0.0047基金項(xiàng)目:本文工作受2014年國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目資助SR路徑用式(5)中 Nakagami分布來進(jìn)行擬合,此時(shí)信號(hào)(項(xiàng)目編號(hào):201410359022)均值m=0.175,方差σ=0.0030。與有水面場(chǎng)景存在下的統(tǒng)計(jì)作者簡(jiǎn)介:桂永強(qiáng)(1994-),男,河南信陽人,主要研究方向?yàn)闉榉植枷啾?信號(hào)的擬合效果更好,數(shù)據(jù)誤差更小?？湛胀ㄐ判诺澜７治?/p>