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)計特征分析桂永強,韓后岳,章杰,李小喜,方園(合肥工業(yè)大學計算機與信息學院,安徽合肥2300090)摘要:近年來空—空通信技術受到了高度關注,空—空信道建模與分析是空—空通信領域的硏究熱點之一。文章依據(jù)徳國宇航局基于實測數(shù)據(jù)的空—空信道統(tǒng)計模型,通過仿真實驗分析了地面場景切換時路徑接收信號的統(tǒng)計分布特征,其實驗結果對空-空信道建模具有一定的參考價值。關鍵詞:無線通信;空-空通信;信道建模中圖分類號:TN927文獻標識碼:A文章編號: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引言航空通信在國民經(jīng)濟中具有重要的地位。隨著軍用、民用航空的飛速發(fā)展,航空通信已逐漸向寬帶、多媒體、大容量等方向發(fā)展。近幾十年來,對于航空通信大多研究空-地通信,而且側重于理論分析,例如 Philip a.Bll對航空信道特性進行了分析", 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(UAV)討論了高度對于空空信道統(tǒng)計分布的影響,但是僅限于小范圍,低高度十米左右):德國宇航局在ⅤHF/UHF波段第一次對空空信道參數(shù)進行測量,填補了空空信道參數(shù)的空白,文獻[5]將空空通信發(fā)生場景劃分為: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空空信道處于不同場景下接收信號視距傳輸(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信道建模計分布。對于航空信道來說,環(huán)境變化很快,信道特征是時變的,但是文獻5]中僅僅考慮空-空通信單一場景,并未考慮場因此對于航空信道建模一般采用統(tǒng)計建模的方法,可以通過景切換時數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布特征。如圖1所示,當飛行場景切時延功率譜、時延拓展、多普勒功率譜、多普勒拓展這幾個統(tǒng)換時,接收信號的統(tǒng)計分布也會有所變化。本文通過對空空計參量,分別從時域和頻域對空空通信信道特征進行描述。通信場景變換時LOS路徑與SR路徑接收信號的統(tǒng)計分布做本文主要基于 WSSUS理論對信道進行建模分析,不考個仿真與評估,得到場景變換服從的統(tǒng)計分布,其實慮電離層與對流層的影響,由于信道中存在強的LOS與SR驗結果為空-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[4得到空空通信信道的沖激響應為:考價值。h(t, r)=h,o(t,r)+hs (t,T)6]馮開明ITER實驗包層計劃綜述肌核聚變與等離子體物[10等溫度對鈹力學性質的影響[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,等國內(nèi)外鈹和含鈹材料的研究進展中國有色工藝研究磯].中國核科學技術進展報告,2011年第2卷:金屬學報,2014(5)82-86I9Ⅰ許德美,等.組織缺陷對金屬鈹室溫斷裂行為的影響規(guī)律∏3余為,等金屬半球殼壓縮力學性能實驗和模擬硏究.工研究[稀有金屬,2010(6)程力學,2013(11).信息通信桂永強等:空空通信信道的統(tǒng)計特征分析式(1)中hut)為直射傳播的沖激響應,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,同時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。()表示直射路徑的時延,式如下指數(shù)項代表相位偏移量,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)示反射路徑的時延,指數(shù)項代表相位偏移量平均信號幅度的長期變化可以用對數(shù)正態(tài)( Lognormal)過2空空飛行場景程進行建模。對數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)公式為:由于飛機飛行時會飛越不同場景,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,得到接收端信號幅度的統(tǒng)計特性也不同。考慮到接收端信號幅度的統(tǒng)計特性與不以上提到的統(tǒng)計分布將用來描述LOS路徑傳播與SR路同飛行場景有關,因此根據(jù)飛行過程中環(huán)境的不同,假設兩架徑傳播的統(tǒng)計特性。對于飛行器飛經(jīng)不同的場景以及在場景飛機同向飛行,其中一架作為信號發(fā)送端,另一架作為信號接之間進行切換時,LOS與SR路徑會表現(xiàn)出不同的統(tǒng)計分布。收端,飛行高度h=600m時,將飛行場景劃分為:海面、山谷、2信道模型仿真結果城區(qū)、草原四種。(1)海面飛行器在不同場景之間進行切換時,在原有單一場景的兩架飛機同時飛過海面時,由文獻[6得到此時的多普勒基礎上,考慮不同場景混合對信道產(chǎn)生的影響。在發(fā)送端發(fā)拓展與時延拓展分別為:0=12.83Hz,G=0.775μ。此時LOs送一個OFDM信號,接收端接收經(jīng)過信道失真的信號并存儲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。可記錄最大長(2)山谷度信道沖擊響應時間為τm=256s。的當飛機在山谷中飛行,飛機飛行高度沒有山體高時,山體實驗一:水面與草地之間場景切換。當空空通信場景發(fā)生在海岸處時,飛行場景會在水面與行,當飛機轉彎時接收信號會有所衰落。此時1OS徑得到衰草地之間進行切換此時接收信號振幅的統(tǒng)計分布會有變化,落服從對數(shù)正態(tài)( Lognorn)分布,SR徑衰落服從對數(shù)正態(tài)分別對LOS與SR路徑信號取一個權重α和β,對接收端數(shù)據(jù)進( Lognormal)分布行仿真得到結果如圖2所示,顯示了LOS路徑和SR路徑接收(3)城區(qū)。信號直方圖的概率密度函數(shù)。信號振幅比1大是由于天線增飛機飛經(jīng)城區(qū)上空,此時地面建筑物比較多,反射情況比益的效果LOS路徑信號的振幅均值=1432,方差=0.0019。此較復雜。由文獻[6]得到此時的多普勒拓展與時延拓展分別為:σ時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LOs徑得到衰落服從對數(shù)正態(tài)理論曲線只有一個小的偏差( Lognormal)分布,SR徑衰落服從對數(shù)正態(tài)( Lognormal分布。(4)草地Weibull考慮飛機飛越草地,草地一直保持干燥狀態(tài)。由文獻[6!得到此時的多普勒拓展與時延拓展分別為:σ=106Hz,01=0356此時LOS徑衰落服從威布爾( Weibul)分布,SR徑衰落服從Nakagan分布。1.3衰落分布當存在直射分量并且多徑成分到達時的入射角均勻分布----1------}---信號的幅度可以用萊斯(Rice)分布進行描述。這個模型用于描述存在機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徑信號中,使得幅度分布對應于萊斯分布。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分布能夠更好地對數(shù)據(jù)進行擬合。此時SR路徑的信示第一類零階貝塞爾函數(shù)號振幅比LOS路徑要小,其均值m=0.708,方差σ=0.0023,對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)的分實驗二:水面與山谷之間場景切換。布形狀。當k=1時 Nakagami分布變成瑞利分布。 Nakagami同樣,當空空通信場景發(fā)生在海岸邊有山的地方時,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)此時信號振幅均值m=1.12l,方差0=004。和在海岸處相r()、Ω同,用式(7)的 Lognormal分布來對數(shù)據(jù)擬合較好,但是其均值信息通信桂永強等:空空通信信道的統(tǒng)計特征分析要小,同時方差會變大一點?？梢越忉尀樵诖嬖谏襟w的復雜LOS Data環(huán)境下,信號的反射與遮擋作用會更強,導致信號幅度衰減,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宇航局對于航空通信信道實測的工作,考(水面與山谷慮當航空通信的場景進行切換時,LOS路徑與SR路徑信號振SR路徑統(tǒng)計分布用式(5)的 Nakagami函數(shù)來進行匹配幅的統(tǒng)計分布可以用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)計分布來進行擬合。但是由于場景變換,LOS與SR路相比,信號振幅減小,同樣可以認為是山體這種復雜環(huán)境造成徑信號的統(tǒng)計分布有所變化?？梢钥吹疆斢谐菂^(qū)與山谷這種的結果建筑物密集的場景時,SR路徑用 Nakagami分布來進行擬合實驗三:草地與城區(qū)之間場景切換。比較適合,而LOS路徑用 Lognormal與 Weibull分布進行擬合當草地與城區(qū)兩種環(huán)境同時存在,即建筑物比較稀疏時LOS路徑和SR路徑接收信號直方圖和概率密度函數(shù)如圖4效果較好。通過對航空信道場景切換下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,此時對于LOS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布進行分析,為空空信道建模提供有力的數(shù)據(jù)支路徑用式(6)的 Weibull分布進行擬合比較好。其振幅均值撐m=1.325,方差o=0004.其振幅強度與圖2中強度相差不大,參考文獻:但是信號方差G變大l1] Philip A. Bello. Aeronautical channel characterization[JI此時式(7)中的 Lognormal分布對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對接收信號造成影響,因此信號振幅減[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實驗四:草地與山谷之間場景切換pean Conference on Antennas Propagation, 2010: 1-5草地與山谷兩種場景同時存在時,即當通信發(fā)生在這種7]Said.M. Elnoubi. A simplified stochastic model for the場景下,LOS路徑和SR路徑接收信號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分布來進行擬合,均值m=1.295,方差σ=0.0047基金項目:本文工作受2014年國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目資助SR路徑用式(5)中 Nakagami分布來進行擬合,此時信號(項目編號:201410359022)均值m=0.175,方差σ=0.0030。與有水面場景存在下的統(tǒng)計作者簡介:桂永強(1994-),男,河南信陽人,主要研究方向為為分布相比,信號的擬合效果更好,數(shù)據(jù)誤差更小?？湛胀ㄐ判诺澜７治?/p>