空-空通信信道的统计特征分析

2016年第7期信息通信总第163期)inforMation COMmUnications(Sum. No 163)空一空通信信道的统计特征分析桂永强,韩后岳,章杰,李小喜,方园(合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥2300090)摘要:近年来空—空通信技术受到了高度关注,空—空信道建模与分析是空—空通信领域的硏究热点之一。文章依据徳国宇航局基于实测数据的空—空信道统计模型,通过仿真实验分析了地面场景切换时路径接收信号的统计分布特征,其实验结果对空-空信道建模具有一定的参考价值。关键词:无线通信;空-空通信;信道建模中图分类号:TN927文献标识码:A文章编号: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引言航空通信在国民经济中具有重要的地位。随着军用、民用航空的飞速发展,航空通信已逐渐向宽带、多媒体、大容量等方向发展。近几十年来,对于航空通信大多研究空-地通信,而且侧重于理论分析,例如 Philip a.Bll对航空信道特性进行了分析", Erik hass将航空通信信道划分为航行、起飞飞降落、滑行、停场这四种飞行状态凹。研究空-空通信的很少Niklas goddemeier用无人驾驶飞机(UAV)讨论了高度对于空空信道统计分布的影响,但是仅限于小范围,低高度十米左右):德国宇航局在ⅤHF/UHF波段第一次对空空信道参数进行测量,填补了空空信道参数的空白,文献[5]将空空通信发生场景划分为:水面、草地、山谷、城区四种,并讨图1空空通信示意图论了当空空信道处于不同场景下接收信号视距传输(Line-1航空信道的双径模型of-sigh)路径与反射传输( Specular reflection)路径振幅的统1.1信道建模计分布。对于航空信道来说,环境变化很快,信道特征是时变的,但是文献5]中仅仅考虑空-空通信单一场景,并未考虑场因此对于航空信道建模一般采用统计建模的方法,可以通过景切换时数据的统计分布特征。如图1所示,当飞行场景切时延功率谱、时延拓展、多普勒功率谱、多普勒拓展这几个统换时,接收信号的统计分布也会有所变化。本文通过对空空计参量,分别从时域和频域对空空通信信道特征进行描述。通信场景变换时LOS路径与SR路径接收信号的统计分布做本文主要基于 WSSUS理论对信道进行建模分析,不考个仿真与评估,得到场景变换服从的统计分布,其实虑电离层与对流层的影响,由于信道中存在强的LOS与SR验结果为空-空信道建模提供必要的数据支撑,具有一定的参路径分量,通过文献[4得到空空通信信道的冲激响应为:考价值。h(t, r)=h,o(t,r)+hs (t,T)6]冯开明ITER实验包层计划综述肌核聚变与等离子体物[10等温度对铍力学性质的影响[J稀有金属,2015(1)理,2006.26(3):161-169.[111,邱志聪,巫祥超,等.金属铍的压缩变形行为[J爆炸7]张一鸣.IER计划和核聚变研究的未来[J真空与低温,与冲击,2016(2)2006(4)12]冯勇进冯开明,张建利中子倍增材料铍小球的REP制备[8]许德美,等国内外铍和含铍材料的研究进展中国有色工艺研究矶].中国核科学技术进展报告,2011年第2卷:金属学报,2014(5)82-86I9Ⅰ许德美,等.组织缺陷对金属铍室温断裂行为的影响规律∏3余为,等金属半球壳压缩力学性能实验和模拟硏究.工研究[稀有金属,2010(6)程力学,2013(11).信息通信桂永强等:空空通信信道的统计特征分析式(1)中hut)为直射传播的冲激响应,ht,v)为反射传其中r(k)是伽马函数,k为形状参数。输的冲激响应,同时可以得到要考虑的第三种分布是 Weibull分布。 Weibull分布与h2m(,r)=an()6(x-tm(O)exp(-12nftn(1)(2) Nakagami一样是瑞利分布的一般化。给出概率密度函数公a1、(U)是自由空间传播损耗,τ。()表示直射路径的时延,式如下指数项代表相位偏移量,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)是反射系数,αs(t)为反射路径传播损耗,τ(表k是形状参数,a是尺度参数示反射路径的时延,指数项代表相位偏移量平均信号幅度的长期变化可以用对数正态( Lognormal)过2空空飞行场景程进行建模。对数正态分布的概率密度函数公式为:由于飞机飞行时会飞越不同场景,在不同的环境下,受地P(x)(log(x)-m)面反射条件、周围建筑物等不同的影响,得到接收端信号幅度的统计特性也不同。考虑到接收端信号幅度的统计特性与不以上提到的统计分布将用来描述LOS路径传播与SR路同飞行场景有关,因此根据飞行过程中环境的不同,假设两架径传播的统计特性。对于飞行器飞经不同的场景以及在场景飞机同向飞行,其中一架作为信号发送端,另一架作为信号接之间进行切换时,LOS与SR路径会表现出不同的统计分布。收端,飞行高度h=600m时,将飞行场景划分为:海面、山谷、2信道模型仿真结果城区、草原四种。(1)海面飞行器在不同场景之间进行切换时,在原有单一场景的两架飞机同时飞过海面时,由文献[6得到此时的多普勒基础上,考虑不同场景混合对信道产生的影响。在发送端发拓展与时延拓展分别为:0=12.83Hz,G=0.775μ。此时LOs送一个OFDM信号,接收端接收经过信道失真的信号并存储径得到衰落服从菜斯(Rice)分布,SR径衰落服从威布尔在内存中。信号由采样频率为Vs=20MHz,Nc=513路的载波( WeibulL)分布组成,因此载波间频率间隔为Av=39.063kHz。可记录最大长(2)山谷度信道冲击响应时间为τm=256s。的当飞机在山谷中飞行,飞机飞行高度没有山体高时,山体实验一:水面与草地之间场景切换。当空空通信场景发生在海岸处时,飞行场景会在水面与行,当飞机转弯时接收信号会有所衰落。此时1OS径得到衰草地之间进行切换此时接收信号振幅的统计分布会有变化,落服从对数正态( Lognorn)分布,SR径衰落服从对数正态分别对LOS与SR路径信号取一个权重α和β,对接收端数据进( Lognormal)分布行仿真得到结果如图2所示,显示了LOS路径和SR路径接收(3)城区。信号直方图的概率密度函数。信号振幅比1大是由于天线增飞机飞经城区上空,此时地面建筑物比较多,反射情况比益的效果LOS路径信号的振幅均值=1432,方差=0.0019。此较复杂。由文献[6]得到此时的多普勒拓展与时延拓展分别为:σ时LOS路径数据的直方图用式(4)Rice函数拟合效果最好,与=1608Hz,=075us。此时LOs径得到衰落服从对数正态理论曲线只有一个小的偏差( Lognormal)分布,SR径衰落服从对数正态( Lognormal分布。(4)草地Weibull考虑飞机飞越草地,草地一直保持干燥状态。由文献[6!得到此时的多普勒拓展与时延拓展分别为:σ=106Hz,01=0356此时LOS径衰落服从威布尔( Weibul)分布,SR径衰落服从Nakagan分布。1.3衰落分布当存在直射分量并且多径成分到达时的入射角均匀分布----1------}---信号的幅度可以用莱斯(Rice)分布进行描述。这个模型用于描述存在机身反射的视距传播路径是合理的。为了产生莱斯过程,将高斯噪声添加到LOS径信号中,使得幅度分布对应于莱斯分布。莱斯分布的概率密度函数(PDF)为图2LOS与SR路径概率密度函数的最佳拟合分布p(x)=5x≥0(4)(水面与草地)可以看到,SR路径与LOS路径相似,但是用式(6)的σ是所有散射部分的总幅度,p是直射部分的振幅,J表 Weibu分布能够更好地对数据进行拟合。此时SR路径的信示第一类零阶贝塞尔函数号振幅比LOS路径要小,其均值m=0.708,方差σ=0.0023,对另一种普遍使用的衰落分布是 Nakagami分布,多用于描于数据的拟合有一个小的偏差述存在密集建筑的城区,可以通过形状参数来调整数据的分实验二:水面与山谷之间场景切换。布形状。当k=1时 Nakagami分布变成瑞利分布。 Nakagami同样,当空空通信场景发生在海岸边有山的地方时,LOS分布的概率密度函数公式给出为路径和SR路径接收信号直方图和概率密度函数如图3所示。n()=2(kx“e∞+kox≥0k21/25)此时信号振幅均值m=1.12l,方差0=004。和在海岸处相r()、Ω同,用式(7)的 Lognormal分布来对数据拟合较好,但是其均值信息通信桂永强等:空空通信信道的统计特征分析要小,同时方差会变大一点。可以解释为在存在山体的复杂LOS Data环境下,信号的反射与遮挡作用会更强,导致信号幅度衰减,SR Data方差变大SR DutaNakagami图5LOS与SR路径概率密度函数的最佳拟合分布(草地与山谷)3结论与展望图3LOS与SR路径概率密度函数的最佳拟合分布本文基于德国宇航局对于航空通信信道实测的工作,考(水面与山谷虑当航空通信的场景进行切换时,LOS路径与SR路径信号振SR路径统计分布用式(5)的 Nakagami函数来进行匹配幅的统计分布可以用Rice、 Weibul. Lognormal、 Nakagami这更好。其振幅均值m=0362,方差G=018与图2中数据几种统计分布来进行拟合。但是由于场景变换,LOS与SR路相比,信号振幅减小,同样可以认为是山体这种复杂环境造成径信号的统计分布有所变化。可以看到当有城区与山谷这种的结果建筑物密集的场景时,SR路径用 Nakagami分布来进行拟合实验三:草地与城区之间场景切换。比较适合,而LOS路径用 Lognormal与 Weibull分布进行拟合当草地与城区两种环境同时存在,即建筑物比较稀疏时LOS路径和SR路径接收信号直方图和概率密度函数如图4效果较好。通过对航空信道场景切换下LOS与SR路径接收所示。由图4可以看出,数据分布发生了变化,此时对于LOS数据统计分布进行分析,为空空信道建模提供有力的数据支路径用式(6)的 Weibull分布进行拟合比较好。其振幅均值撑m=1.325,方差o=0004.其振幅强度与图2中强度相差不大,参考文献:但是信号方差G变大l1] Philip A. Bello. Aeronautical channel characterization[JI此时式(7)中的 Lognormal分布对SR路径数据几乎可以IEEE Trans on Communication, 1973 COM-21(5): 548完美拟合,其振幅均值m=0.211,方差为σ=0.0024。由于地面上的建筑物与树木会对接收信号造成影响,因此信号振幅减[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图4LOS与SR路径概率密度函数的最佳拟合分布[6 Michael Walter. S Gligorevic and T Detert Michael Schnell(草地与城区)UHF/VHF Air-to-Air Propagation Measurements[C]. Euro实验四:草地与山谷之间场景切换pean Conference on Antennas Propagation, 2010: 1-5草地与山谷两种场景同时存在时,即当通信发生在这种7]Said.M. Elnoubi. A simplified stochastic model for the场景下,LOS路径和SR路径接收信号直方图和概率密度函aeronautical mobile radio channel [Jl. in Proc. IEEE Veh数如图5所示。与图4中数据相比区别不大,LOS路径Technol. Conf. 1992, pp 960-963样用 Weibull分布来进行拟合,均值m=1.295,方差σ=0.0047基金项目:本文工作受2014年国家级创新创业训练项目资助SR路径用式(5)中 Nakagami分布来进行拟合,此时信号(项目编号:201410359022)均值m=0.175,方差σ=0.0030。与有水面场景存在下的统计作者简介:桂永强(1994-),男,河南信阳人,主要研究方向为为分布相比,信号的拟合效果更好,数据误差更小。空空通信信道建模分析