1.4 無人機通信中的信道建模

在無線通信中，無線信道是發射器和接收器之間的通信空間。很明顯，無線網絡的性能受到傳播信道特性的影響。因此，關于無線信道的研究對于設計基于無人機網絡的無線通信很有意義。此外，無線信道的特征與無人機網絡結構的建模對網絡性能的分析至關重要。

大部分的信道建模工作都是針對基于地面固定基礎設施的無線信道。然而，由于無人機的移動性和小尺寸，這些信道模型可能并不完全適用于使用無人機的無線通信。無人機和地面用戶之間的空對地信道意味著更高的鏈路可靠性，并且由于視線傳播的概率更高，只其傳輸功率更低。在非視線的情況下，功率變化較大，因為空對地鏈路的地面一側被障礙物包圍，對傳播有不利影響。圖1.2描述了基于無人機蜂窩網絡的空對地傳播信道，并顯示了信道的視線和非視線之間的區別，其中dp是傳播距離。時間的變化和多普勒位移是由無人機的移動引起的。因此，無人機移動模式的多樣性與不同的操作環境是空對地信道建模的挑戰。此外，其他因素（如機身陰影和機載天線的位置、特性）也會影響接收功率的強度。

空中無人機之間的空對空信道與空對地信道相似，可以實現視線傳播。然而，由于無人機的機動性較高，其多普勒偏移也會升高。因此，多個無人機之間的位置很難保持一致。

準確的空對地和空對空傳播信道模型對于無人機通信網絡的優化部署和設計是必不可少的。本節將討論最近在空對地和空對空傳播信道建模方面的工作。

背景知識

在無線通信中，電磁波從發射器向多個方向輻射。在其到達接收器之前會與周圍環境相互作用，此時會出現幾種傳播現象。由于自然界的障礙物和人工建筑物的影響，會出現反射、散射、衍射和穿透等傳播現象，如圖1.3所示，這些現象引發了無人機發射信號的多重實現，通常被稱為多徑分量（MPC）。因此，接收器收到的每個分量都有不同的振幅、相位和延遲。結果信號是傳輸信號的多個副本的疊加，它們可以根據各自的隨機相位進行破壞性的干擾[6]。通常情況下，幾種衰減機制以dB為單位線性相加，可以將無線電信道表示為

式中，PL是與距離有關的路徑損耗，XL是由環境引起的大規模功率變化造成的衰減，XS是小尺度衰減。信道模型的參數，如路徑損耗指數和LoS概率，取決于海拔高度，因為傳播條件在不同的海拔高度會發生變化。根據海拔高度通常信道分成以下三個：

（1）地面信道。對于郊區和城市環境，海拔高度分別在0～10m和0～22.5m之間[7]。在這種情況下，地面信道模型可用于模擬空對地傳播，因為空中的無人機低于屋頂水平。因此，非視線傳播是傳播中的主要組成。

（2）受阻的空對地信道。對于郊區和城市環境，海拔高度分別為10～40m和22.5～100m。在這種情況下，視線傳播的概率比地面信道要高。

（3）高海拔的空對地信道。在100～300m及以上的高度，所有頻道都處于視線傳播狀態。因此，傳播環境與自由空間類似。此外，這些信道也沒有出現陰影。

1.路徑損耗和大尺度衰落

空對空信道 自由空間路徑損耗模型是最簡單的信道模型，可以代表空對空傳播時在相對高空環境中的傳播。因此，接收功率由參考文獻[6]給出：

式中，PT表示發射信號功率，GT和GR分別代表發射器和接收器天線的增益，d是發射器和接收器之間的地面距離，λc是載波波長。路徑損失指數（η）是與距離有關的功率損失率，其中η隨環境不同變化。在自由空間傳播時η=2。因此，與距離有關的路徑損耗表達式可以被概括為

空對地信道 在城市環境中，空對地信道幾乎沒有自由空間傳播的情況。在現有的關于無人機通信的文獻中，對數距離模型因其簡單性和在環境參數難以定義時的適用性，成為了最常用的路徑損耗模型。因此，以dB為單位的路徑損耗由以下公式給出：

式中，是參考距離d0的路徑損耗。在同一環境中的不同位置，即使地面設備和無人機之間的傳播距離相同，信號傳播的大規模變化也是不同的。這是由于障礙物的材料不同，對信號傳播的影響程度也不同。因此，對于距離d，式（1.1）中的XL是以dB為單位的陰影衰落。XL被建模為以dB為單位、方差為σ的正態隨機變量。這個模型被廣泛地應用于地面信道的建模。表1.2列出了一些用于估計路徑損耗和大規模空對地傳播衰減的測量活動。

另一個廣泛使用的用于描述無人機通信中空對地傳播的信道模型是參考文獻[4]和參考文獻[17]中的概率路徑損耗模型。在參考文獻[17]中，地面設備和無人機之間的路徑損耗取決于無人機的位置和傳播環境（如郊區、城市、密集的城市、高樓）。因此，在空對地無線電傳播期間，通信鏈路可以是視線或非視線，這取決于環境。許多關于無人機通信的現有工作[18-35]采用了參考文獻[4]和參考文獻[17]的概率路徑損失模型。在這些工作中，視線或非視線鏈接發生的概率是關于環境參數、建筑物的高度以及地面設備和無人機之間仰角的函數。該模型是基于國際電信聯盟（ITU）建議中定義的環境參數。特別地，ITU-R提供了與環境有關的統計參數，這確定了建筑物或障礙物的高度、數量和密度。例如，在參考文獻[36]中，建筑物的高度可以通過使用瑞利分布進行建模。在參考文獻[17]中，空對地傳播的平均路徑損耗為

式中，PLLoS和PLNLoS分別是自由空間傳播的視線和非視線路徑損耗。?LoS是視線傳播的概率，其公式為

式中，A和B是與環境有關的常數，是地面用戶與無人機之間的仰角，h是無人機的高度，d是無人機的地面投影與地面設備之間的距離。根據式（1.6），當仰角隨著無人機高度的增加而增加時，阻塞效應就會減少，空對地傳播就會產生更多視線傳播。這個模型的優點是它適用于不同的環境和不同的無人機高度。然而，由于缺乏與統計參數相關的信息，它無法捕捉到空對地傳播在山區和水面對路徑損耗的影響。

傳統的蜂窩通信信道模型可用于無人機高度在1.5～10m之間的無人機通信。第三代標準化合作伙伴項目（3GPP）在參考文獻[7，37]中為農村環境設計了宏蜂窩網絡模型。

由于視線和非視線路徑被分開處理，視線傳播的概率被表示為

在根據式（1.7）知道視線傳播的概率后，就可以計算出路徑損耗和大規模衰減。隨著通信節點位置的變化，路徑損耗也會發生變化，可以描述為

其中，

式中，fc、hG、ω和c分別為載波頻率、地面基站的高度、街道的平均寬度和光速。

對于無人機在高度10～40m之間的空對地傳播受阻，農村環境中宏蜂窩網絡的視線傳播概率可計算為[7]

其中，

視線和非視線鏈接的路徑損失可以計算為

在空對地傳播中高度在40m＜h≤300m時，視線傳播的概率為1，其路徑損失可以根據式（1.17）計算。

2.小規模衰減

小規模衰減是指在短距離或短時期內，由于多徑分量的建設性或破壞性干擾，接收信號的振幅和相位的隨機波動。對于不同的傳播環境和無線系統，人們提出了不同的分布模型來分析接收信號包絡的隨機變化。萊斯分布和瑞利分布是無線通信文獻中廣泛使用的模型，兩者都是基于中心極限定理的。萊斯分布為空對空和空對地信道提供了更好的擬合，其中視線傳播的影響較強。當多徑分量以隨機的振幅和相位沖擊接收器時，小規模的衰減效應可以由瑞利分布來捕捉[6]。

幾何分析、數值模擬和經驗數據被用來獲得隨機消退模型[38-40]。基于幾何的隨機信道模型（GBSCM）是最流行的小規模消退模型類型。GBSCM又分為基于幾何規則的隨機信道模型（RS-GBSCM）和基于幾何不規則的隨機信道模型（IS-GBSCM）。基于幾何不規則的時變隨機信道模型在參考文獻[41]中提出，基于幾何規則的隨機信道模型在參考文獻[42]和參考文獻[43]中提出。這些工作說明小規模衰落符合萊斯分布。在參考文獻[44]中，提出了非幾何隨機信道模型（NGSCM），其中空對地傳播的小規模效應通過萊斯和Loo模型進行建模。表1.3提供了不同環境下空對地傳播的小規模衰減的測量。