1.4 无人机通信中的信道建模

在无线通信中，无线信道是发射器和接收器之间的通信空间。很明显，无线网络的性能受到传播信道特性的影响。因此，关于无线信道的研究对于设计基于无人机网络的无线通信很有意义。此外，无线信道的特征与无人机网络结构的建模对网络性能的分析至关重要。

大部分的信道建模工作都是针对基于地面固定基础设施的无线信道。然而，由于无人机的移动性和小尺寸，这些信道模型可能并不完全适用于使用无人机的无线通信。无人机和地面用户之间的空对地信道意味着更高的链路可靠性，并且由于视线传播的概率更高，只其传输功率更低。在非视线的情况下，功率变化较大，因为空对地链路的地面一侧被障碍物包围，对传播有不利影响。图1.2描述了基于无人机蜂窝网络的空对地传播信道，并显示了信道的视线和非视线之间的区别，其中dp是传播距离。时间的变化和多普勒位移是由无人机的移动引起的。因此，无人机移动模式的多样性与不同的操作环境是空对地信道建模的挑战。此外，其他因素（如机身阴影和机载天线的位置、特性）也会影响接收功率的强度。

空中无人机之间的空对空信道与空对地信道相似，可以实现视线传播。然而，由于无人机的机动性较高，其多普勒偏移也会升高。因此，多个无人机之间的位置很难保持一致。

准确的空对地和空对空传播信道模型对于无人机通信网络的优化部署和设计是必不可少的。本节将讨论最近在空对地和空对空传播信道建模方面的工作。

背景知识

在无线通信中，电磁波从发射器向多个方向辐射。在其到达接收器之前会与周围环境相互作用，此时会出现几种传播现象。由于自然界的障碍物和人工建筑物的影响，会出现反射、散射、衍射和穿透等传播现象，如图1.3所示，这些现象引发了无人机发射信号的多重实现，通常被称为多径分量（MPC）。因此，接收器收到的每个分量都有不同的振幅、相位和延迟。结果信号是传输信号的多个副本的叠加，它们可以根据各自的随机相位进行破坏性的干扰[6]。通常情况下，几种衰减机制以dB为单位线性相加，可以将无线电信道表示为

式中，PL是与距离有关的路径损耗，XL是由环境引起的大规模功率变化造成的衰减，XS是小尺度衰减。信道模型的参数，如路径损耗指数和LoS概率，取决于海拔高度，因为传播条件在不同的海拔高度会发生变化。根据海拔高度通常信道分成以下三个：

（1）地面信道。对于郊区和城市环境，海拔高度分别在0～10m和0～22.5m之间[7]。在这种情况下，地面信道模型可用于模拟空对地传播，因为空中的无人机低于屋顶水平。因此，非视线传播是传播中的主要组成。

（2）受阻的空对地信道。对于郊区和城市环境，海拔高度分别为10～40m和22.5～100m。在这种情况下，视线传播的概率比地面信道要高。

（3）高海拔的空对地信道。在100～300m及以上的高度，所有频道都处于视线传播状态。因此，传播环境与自由空间类似。此外，这些信道也没有出现阴影。

1.路径损耗和大尺度衰落

空对空信道 自由空间路径损耗模型是最简单的信道模型，可以代表空对空传播时在相对高空环境中的传播。因此，接收功率由参考文献[6]给出：

式中，PT表示发射信号功率，GT和GR分别代表发射器和接收器天线的增益，d是发射器和接收器之间的地面距离，λc是载波波长。路径损失指数（η）是与距离有关的功率损失率，其中η随环境不同变化。在自由空间传播时η=2。因此，与距离有关的路径损耗表达式可以被概括为

空对地信道 在城市环境中，空对地信道几乎没有自由空间传播的情况。在现有的关于无人机通信的文献中，对数距离模型因其简单性和在环境参数难以定义时的适用性，成为了最常用的路径损耗模型。因此，以dB为单位的路径损耗由以下公式给出：

式中，是参考距离d0的路径损耗。在同一环境中的不同位置，即使地面设备和无人机之间的传播距离相同，信号传播的大规模变化也是不同的。这是由于障碍物的材料不同，对信号传播的影响程度也不同。因此，对于距离d，式（1.1）中的XL是以dB为单位的阴影衰落。XL被建模为以dB为单位、方差为σ的正态随机变量。这个模型被广泛地应用于地面信道的建模。表1.2列出了一些用于估计路径损耗和大规模空对地传播衰减的测量活动。

另一个广泛使用的用于描述无人机通信中空对地传播的信道模型是参考文献[4]和参考文献[17]中的概率路径损耗模型。在参考文献[17]中，地面设备和无人机之间的路径损耗取决于无人机的位置和传播环境（如郊区、城市、密集的城市、高楼）。因此，在空对地无线电传播期间，通信链路可以是视线或非视线，这取决于环境。许多关于无人机通信的现有工作[18-35]采用了参考文献[4]和参考文献[17]的概率路径损失模型。在这些工作中，视线或非视线链接发生的概率是关于环境参数、建筑物的高度以及地面设备和无人机之间仰角的函数。该模型是基于国际电信联盟（ITU）建议中定义的环境参数。特别地，ITU-R提供了与环境有关的统计参数，这确定了建筑物或障碍物的高度、数量和密度。例如，在参考文献[36]中，建筑物的高度可以通过使用瑞利分布进行建模。在参考文献[17]中，空对地传播的平均路径损耗为

式中，PLLoS和PLNLoS分别是自由空间传播的视线和非视线路径损耗。ℙLoS是视线传播的概率，其公式为

式中，A和B是与环境有关的常数，是地面用户与无人机之间的仰角，h是无人机的高度，d是无人机的地面投影与地面设备之间的距离。根据式（1.6），当仰角随着无人机高度的增加而增加时，阻塞效应就会减少，空对地传播就会产生更多视线传播。这个模型的优点是它适用于不同的环境和不同的无人机高度。然而，由于缺乏与统计参数相关的信息，它无法捕捉到空对地传播在山区和水面对路径损耗的影响。

传统的蜂窝通信信道模型可用于无人机高度在1.5～10m之间的无人机通信。第三代标准化合作伙伴项目（3GPP）在参考文献[7，37]中为农村环境设计了宏蜂窝网络模型。

由于视线和非视线路径被分开处理，视线传播的概率被表示为

在根据式（1.7）知道视线传播的概率后，就可以计算出路径损耗和大规模衰减。随着通信节点位置的变化，路径损耗也会发生变化，可以描述为

其中，

式中，fc、hG、ω和c分别为载波频率、地面基站的高度、街道的平均宽度和光速。

对于无人机在高度10～40m之间的空对地传播受阻，农村环境中宏蜂窝网络的视线传播概率可计算为[7]

其中，

视线和非视线链接的路径损失可以计算为

在空对地传播中高度在40m＜h≤300m时，视线传播的概率为1，其路径损失可以根据式（1.17）计算。

2.小规模衰减

小规模衰减是指在短距离或短时期内，由于多径分量的建设性或破坏性干扰，接收信号的振幅和相位的随机波动。对于不同的传播环境和无线系统，人们提出了不同的分布模型来分析接收信号包络的随机变化。莱斯分布和瑞利分布是无线通信文献中广泛使用的模型，两者都是基于中心极限定理的。莱斯分布为空对空和空对地信道提供了更好的拟合，其中视线传播的影响较强。当多径分量以随机的振幅和相位冲击接收器时，小规模的衰减效应可以由瑞利分布来捕捉[6]。

几何分析、数值模拟和经验数据被用来获得随机消退模型[38-40]。基于几何的随机信道模型（GBSCM）是最流行的小规模消退模型类型。GBSCM又分为基于几何规则的随机信道模型（RS-GBSCM）和基于几何不规则的随机信道模型（IS-GBSCM）。基于几何不规则的时变随机信道模型在参考文献[41]中提出，基于几何规则的随机信道模型在参考文献[42]和参考文献[43]中提出。这些工作说明小规模衰落符合莱斯分布。在参考文献[44]中，提出了非几何随机信道模型（NGSCM），其中空对地传播的小规模效应通过莱斯和Loo模型进行建模。表1.3提供了不同环境下空对地传播的小规模衰减的测量。