无人机通信信道模型仿真分析

张巍+段冀新+巩朝阳+谢小芳

【摘要】 本文首先分析了无人机通信的特点，然后从统计模型和非统计模型两个角度对无人机的信道进行分析，研究了以莱斯衰落模型为代表的统计衰落模型，提出了一种新的莱斯仿真模型的算法；最后对无人机通信信道进行非统计模型建模分析，并以两径模型为例进行仿真，结果表明不管是改变地面天线高度还是改变无人机飞行高度，只能改变深衰落区的位置，不能避免深衰落的发生。

【关键词】 莱斯衰落 瑞利衰落 散射

一、引言

无人机[1]（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）是一种机上无人驾驶、可重复使用的航空器简称。与传统卫星通信和移动通信相比，无人机通信具有三个特点：

1）信号动态变化范围大；

2）多普勒频移大；

3）电磁干扰比较强。

无人机通信系统属于无线通信，其电波在无线信道中的反射、散射和绕射等特点，使得发射机和接收机之间存在多条传播路径，并且每条路径的传播时延和衰落因子都是时变的，造成了接收信号的衰落，因此多径衰落是无人机通信信道的主要特点。

无线信号随接收机与发射机之间的距离不断变化即产生了衰落，根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。其中信号强度曲线的中直呈现慢速变化称为慢衰落，曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。

快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落，快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。无人机与主控站间的通信信道可以分成两种情况：当无人机通信仰角较小时，信道为快衰落信道，直射径功率较小；当无人机通信仰角较大时，信道为慢衰落信道，直射径功率较大。

在无人机通信中，无人机与主控站之间属于莱斯（Rice）衰落信道[2]，莱斯衰落信道的特点是信道中存在直视波分量，接收信号是由直视波分量和散射分量叠加而成的一种情况，散射信道是由许多相互独立且服从正态分布的随机信号组成，属于一种统计模型。

下面将从统计模型和非统计模型两个角度对无人机的信道进行分析。

二、信道模型建立与分析

2.1 统计衰落模型建立

一般传统的莱斯衰落信道模型具有广义非静态特性，导致仿真结果与理论结果出现较大偏差，模型计算量和存储空间要求比较大，硬件实现困难，因此本节提出了一种新的莱斯衰落信道仿真模型，使其更加高效，并具有广义静态特性。

基于文献[4]中给出的Rayleigh衰落信道的仿真模型[4]，Rice仿真模型可以表示为：

2.2非统计衰落模型建立

多径传输可归纳为两种类型：一种是直射波与反射波形成的多径；另一种是低空大气层大气效应造成的多径，一般第一种是主要因素，但当地面反射波强度很微弱时，第二种多径影响就将成为主要因素。

下图1是无人机通信的模型。

其中Фi为第i-1条散射路径信号与直射信号的相位差，P0-i第i路散射路径信号合成后的合成功率。

三、仿真分析及结论

基于图1的无人机通信的模型，以两径为例进行仿真。假设辐射功率为50dB，分两路输出，收发天线增益均为30dB，频率为1.25GHz，散射点的散射系数为1，散射点有效接收面积为1。

发射机的位置为（0，0，0），散射点的位置（10000，2000，1000），接收机用的坐标随时间变化（18000+i，6000+0.5*i，1000+0.2*i）。

利用MATLAB对两径传播模型进行仿真，图2是无人机飞行高度为2000m时，地面发射天线高度分别为1.5m、3m和4.5m时无人机系统在两径传播模型空间传播损耗曲线。图3是地面发射天线天线高度3m时，无人机飞行高度分别为1500m、2500m和3500m时无人机系统在两径传播模型空间传播损耗曲线。

由图2和3可知，在无人机飞行过程中，无人机与地面天线不同距离时存在不同程度的深衰落区域，无论改变地面天线高度还是改变无人机飞行高度，只能改变深衰落区的位置，并不能避免深衰落的发生。

参 考 文 献

[1] Paul，Thomas著，吴汉平等译，无人机系统导论 （第二版） ，北京：电子工业出版 社，2003

[2] Niji Youssef， Chengxiang Wang， Matthias Patzoldt，etc. On the Statistical Properties of Generalized Rice Multi-path Fading Channels [C]. IEEE Conference on Vehieular Technology， 2004，l：162～165

[3] Jakes W C.Microwave Mobile Communications[M]. Piseataway，NJ：IEEE Press， 1994