1、第 45 卷 第 2 期国防科技大学学报Vol 45 No 22023 年 4 月JOUNAL OF NATIONAL UNIVESITY OF DEFENSE TECHNOLOGYApr 2023doi:10 11887/j cn 202302009http:/journal nudt edu cn海面空 空无线信道特征*董宇良1，2，雷菁1，黄英1，李为1(1 国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙410073;2 北京机电工程研究所，北京100074)摘要:针对海上远距通信场景，基于无人机之间的无线通信链路，对接收功率进行实际测量。在大尺度路径损耗方面，采用对数距离线性模型进行拟合，分析
2、海上远距空 空无线信道特征，获取路径损耗指数，并采用射线跟踪方法进行仿真验证，通过仿真所得信道冲激响应在多径时延和功率方面分析产生接收功率快速变化的原因。分析结果表明，近岸的多径反射会造成接收功率的波动，并且会造成路径损耗的升高。利用三种分布函数对测量数据进行分布拟合，分析海面和近岸两种通信条件下空 空无线信道的小尺度分布特征。测量分析结果表明，小尺度特征受陆地反射影响明显，在距离陆地较远的海面呈现高斯分布特征，而在近陆地处未呈现典型分布特征。关键词:空 空无线信道;特征提取;信道建模;路径损耗;小尺度分布中图分类号:TN95文献标志码:A文章编号:1001 2486(2023)02 081
3、06Characteristics of air to air wireless channel in sea scenarioDONG Yuliang1，2，LEI Jing1，HUANG Ying1，LI Wei1(1 College of Electronic Science and Technology，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China;2 Beijing Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing 100074，Chi
4、na)Abstract:For the remote communication scenario of UAV(unmanned aerial vehicle)at sea，the received power was measured on the basis ofthe wireless communication link between UAVs In terms of large-scale path loss，the logarithmic distance linear model was used to fit themeasurement data The characte
5、ristics of remote air-to-air wireless channel at sea were analyzed，and the path loss index was obtained The raytracing method was used to simulate and verify the measurement results Through the simulation of channel impulse response，the reasons for therapid change of received power were analyzed in
6、terms of multipath delay and power The analysis results show that the multipath reflection in thenearshore causes the fluctuation of the received power and increases the path loss Three kinds of distribution functions were used to fit themeasured data，and the small-scale distribution characteristics
7、 of air-to-air wireless channel under sea surface and inshore communication conditionswere analyzed The analysis of the measurement results shows that the small scale characteristics are significantly affect by the land reflection，showing Gaussian distribution characteristics at the sea surface far
8、from the land，but not typical distribution characteristics near the landKeywords:air-to-air wireless channel;feature extraction;channel modeling;path loss;small scale distribution海洋是未来无人机应用的重要领域，无论是对于海上搜救或是海上中继通信，无人机具有长航时、高空飞行特性稳定等无与伦比的应用优势。随着无人机技术的快速发展，研究保障无人机间无线链路通信质量的物理层关键技术成为一个亟待解决的重要问题。而物理层技术发展
9、的核心驱动力是对特定场景无线信道特征的掌握和利用。目前已有部分文献对多种复杂场景空 空无线信道特征做出研究。Supramongkonset 等通过测量得出在 2.4 GHz 频率条件下，大尺度路损模型可以采用对数距离线性模型描述的结论，同时指出空 空无线信道符合自由空间传播特征1。路径损耗指数可参考的值有 1.92、2.05、2.03等2。文献 3 8在小尺度特征方面进行了研究，均采用莱斯分布拟合数据，莱斯 K 因子为10 15 dB;在多径时延特征方面，得出不同时延的多径比直射径小6 dB、12 dB、18 dB，最大的多径时延为 570 ns。文献得出的无线信道特征具有很好的参考意义，但是
10、其飞行场景局限在低空近距通信，无法将该信道特征迁移至远距离无人机通信场景。另外在文献 9 11 中指出空 空无线信道中，机体可以引发一部分阴影衰落，范围可达*收稿日期:2021 05 11基金项目:国家自然科学基金资助项目(61702536);湖南省自然科学基金资助项目(2018JJ3609)作者简介:董宇良(1983)，女，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，博士研究生，E-mail:yuliangtea163 com;雷菁(通信作者)，女，陕西西安人，教授，博士，博士生导师，E-mail:leijing nudt edu cn国 防 科 技 大 学 学 报第 45 卷5 20 dB。该测量值为经验
11、值，针对不同飞机和频段会有较大差异。Walter 等采用两架飞机对四种地面场景在250 MHz 频率下的空 空信道做了测量 12。飞行高度600 m，场景分为:海面、山谷、城区、草原。针对四种场景下的小尺度特征采用了四种不同的分布对直射径和反射径进行拟合。文献 13 14 总结了在 S 波段和 C 波段的典型无人机空 空信道测量参数值。测量信号包括 OFDM、MSK 等信号。测量结果指出在海上可以建模成双射线模型，包含直射径+海面反射多径。澳大利亚 Joanneum 研究所、西班牙 Vigo 大学和德国航空局受欧洲太空总署(European spaceagency，ESA)委托联合进行测量并提
12、出 1.95 GHzESA-SDS(ESAsignaldesignandtransmissionstudy)信道模型15。该信道模型包含一条直射路径和一条反射路径，此外还有一条缓慢变化的机翼反射路径及一条快速变化的地面反射路径。基于该模型，文献 16 17对不同飞行情景、飞机动力学、飞行器选择和天线结构等进行了更为详细的改进。文献 18 19提出了几种基于几何的随机无线信道建模方法的空 空无线信道模型，主要根据采用几何模型划分散射区域的办法来进行建模，但通信双方的距离一般较短且海拔高度较低。虽然已有文献对空 空无线信道特征进行了大量的测量和建模，但对于远距无人机通信场景尚未见文献报道。相比于近
13、距离通信，无人机在进行远距无线通信时，飞行高度与通信距离相比可以忽略;而由于发射功率较大，发射机或接收机所处的地理环境造成的反射和散射在功率和时延上不可忽略。因此有必要针对远距无人机通信场景信道特征进行测量和分析。本文以此为出发点，基于近海远距无人机通信的功率测量结果，分析该场景下大小尺度信道特征，并采用射线跟踪方法20 21 进行验证。1空 空无线信道测量1 1测量路线及测量参数本次测量的地点位于中国渤海地区，测量路线和无人机之间通信距离如图 1 所示。测量的发射机和接收机分别搭载于两架无人机上。两架无人机飞行高度约2 500 m，无人机 1 位于渤海上空，无人机 2 位于山东烟台沿海地区。
14、测量信号采用直接序列扩频(direct sequencespread spectrum，DSSS)信号。测量参数如表 1图 1测量无人机飞行轨迹Fig 1Measuring aircraft flight path所示。表 1信道测量参数Tab 1Channel measurement parameters测量参数数值测量频段S测量带宽5 MHz发射功率46 dBm发射机天线增益7 dBi接收机天线增益7 dBi1 2测量数据本次测量所获有效测量数据为 2 组，分别对应时长为 34 s、90 s，功率测量值数量为4 552、11 429，具体测量数据如图 2、图 3 所示。本次测量所获取的数据
15、均为波束稳定同步后的测量数据。其中 B 组数据在测量过程中角度变化最大，但也仅约为 3.4，因此测量过程中的角度变化对波束同步和接收功率的影响可以忽略。图 2A 组 34 s 接收功率Fig 2eceived power of group A in 34 s以上 2 组功率测量结果中，A 组处于更远的位置，飞行轨迹远离陆地，接收功率的组成部分包含直射径和来自海面的反射多径、部分散射多径。28第 2 期董宇良，等:海面空 空无线信道特征图 3B 组 90 s 接收功率Fig 3eceived power of group B in 90 sB 组的飞行轨迹更靠近陆地，最近距离为 36 km，因此
16、其接收功率中包含直射径、来自海面和陆地的反射与散射多径。通过对比可以发现，B 组中来自地面的反射会对接收信号造成十分明显的衰落影响。这种影响可以通过收发机之间的路径损耗来进行分析。2空 空无线信道大尺度路径损耗特征在分析路径损耗之前需要对测量结果进行数据清洗，剔除测量坏值。通过观察图 2 和图 3 中数据可以发现，所测接收功率呈现一定周期性的深衰，其间隔约为 1 400 个采样点，对应时间间隔约为 10 s，与收发机所采用基于信号强度进行天线指向调整的时间一致，在此过程中会造成信号的短时深衰。因此数据中这类深衰点应予以剔除。为获得路径损耗拟合值，首先要获取收发机对应位置的发射功率和接收功率，以及信号传播距离。其传播距离通过收发机的经纬度计算得到。设经度为，纬度，将经纬度转化为空间直角坐标系有:xyz=cos()cos()cos()sin()sin()(1)式中:=r+h 为无人机距离地心的距离，r=6 371 km为地球半径，h 为无人机距地面的高度。和 分别为以弧度为单位的经纬度坐标:=180(2)=180(3)将无人机 1 经纬度和高度代入式(1)得向量A=xTxyTxzTxT，将
