陈登伟,高喜俊,许 鑫,齐伟伟
(1.中国洛阳电子装备试验中心,河南 洛阳 471003;2.军械工程学院,河北 石家庄 050003)
姿态变化对无人机MIMO信道容量的影响
陈登伟1,高喜俊2,许 鑫2,齐伟伟1
(1.中国洛阳电子装备试验中心,河南 洛阳 471003;2.军械工程学院,河北 石家庄 050003)
考虑无人机多天线通信需求,在无人机上以圆阵方式布置4元天线。为分析无人机多入多出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)通信系统,建立了统一的坐标系,并构建了基于四发两收的无人机MIMO三维GBSBCM信道模型,采用信道矩阵分解、信道系数归一化的方法,推导了无人机的MIMO平均信道相关矩阵。仿真分析了无人机姿态变化参数对无人机MIMO信道容量的影响,对合理调整无人机姿态参数来提高无人机MIMO通信容量提供理论参考。
无人机MIMO;圆阵布局;姿态变化;信道容量
随着无人机的广泛应用,高性能的任务载荷不断出现,其数据链系统的通信速率需求不断提升。MIMO技术能够在不增加频谱资源和发射功率的条件下提高通信系统容量[1],因此将MIMO技术应用在无人机通信系统中为实现高速无人机数据链提供解决方案。近几年,MIMO技术逐渐应用于飞机通信系统中[2-5]。文献[2]研究了飞行器机动飞行时天线被机身遮挡的问题,提出采用多天线和空时编码技术来实现飞行器与地面之间可靠通信的方案,而其性能分析则是基于高斯白噪声信道,未考虑对飞机通信信道进行建模;文献[3]提出了将波束成形和差分空时调制技术相结合应用于航空通信的方法,并基于文献[6,7]的航空信道模型参数进行了性能仿真;文献[4]基于文献[5]的基于散射体几何分布的单跳圆环模型(GBSBCM)建立了二元天线的无人机MIMO三维信道模型,并分析非全向天线对无人机MIMO信道相关特性的影响。由于无人机MIMO信道容量分析是实现MIMO技术在无人机数据链中应用的关键,文献[3,4]没有对无人机MIMO信道容量进行进一步分析。本文根据远场或任务区域的无人机与地面站之间的实际通信环境特点,在无人机上布置4个圆阵天线来分析姿态变化对无人机MIMO信道容量的影响,构建了基于四发两收的三维GBSBCM模型,并推导了该模型下的平均信道相关矩阵。
结合无人机自身的结构,首先将4元天线选择高效的方式布置在无人机上。目前,广泛研究的线性排列的天线阵列结构在来波平均到达角较大时信道容量会急剧下降,而在不同的散射环境下一种结构呈均匀分布的圆阵具有更好的分集性能[8,9]。因此可以将4元天线以圆阵对称结构分别布置在无人机的机头、机尾和机的两翼,并且均匀分布在以δ为直径的圆周上。假定地面接收站设置二元接收天线,且都采用全向天线,地面接收站处于一个半径为R,高度为Hc的3D圆环散射环境。为分析方便,建立统一合理的坐标系,即:定义x-y平面包含以地面接收站2天线连线中点Og(高度为Hg)为圆心的切面圆;无人机天线圆阵天线中心Ou在x-y平面的投影O为坐标系的原点,连接O-Og作为x轴,连接O-Ou作为z轴;无人机坐标系的zu轴与z轴重合,xu-yu平面平行于x-y平面;接收坐标系的xg与x轴重合,yg-zg平面平行于y-z平面;这样使得发射坐标系Ou-xuyuzu、接收坐标系Og-xgygzg和O-xyz坐标系都有相同平行的属性,如图1所示。
图1 无人机MIMO通信坐标系
在该坐标系下,无人机机体坐标系Ob-xbybzb可定义为:以无人机天线4元圆阵天线中心Ou为原点Ob;xb轴与飞机速度轴向vu重合;yb轴垂直于飞机机身对称平面(过xb轴与x-y面垂直的平面)指向机身右方;zb轴垂直xbObyb并指向机身下方。此时,飞行的姿态角可描述为:
俯仰角:xb轴与水平面xu-yu间的夹角γu,抬头为正。
滚转角:zb轴与通过xb轴的铅垂面间的夹角βu,无人机向右倾斜为正。
偏航角:xb轴在水平面x-y上的投影与x轴的夹角αu,机头右偏航为正。
通过MIMO信道建模实现其信道估计为实现MIMO技术应用提供条件[10,11]。传统基于MIMO的航空信道模型主要以直射Line-of-Sight(LOS)和散射Specular(SPE)分量为主[3],而无人机通信系统中存在较强的直射和反射分量以及一定的散射Diffuse(DIF)分量[12],因而无法用航空信道模型完全表征无人机MIMO信道。根据文献[4,5]研究所示:对于收、发端存在明显的高度差,散射体以接收端为中心四周分布,且存在俯仰角扩展时,“圆环”散射模型很好地描述了信道统计特点,相关测量结果也证明了散射体圆环分布的合理性[13]。因此,构建基于GBSBCM的具有直射、反射以及散射分量的无人机MIMO传输模型,如图2所示。
图2 无人机MIMO传播模型
图2中,无人机天线Tp,Tq连线的俯仰角和方位角分别为γu和αu;机翼天线Tl到Tp,Tq铅垂面的投影为,则∠TkTl为βu;地面接收天线Rm,Rn连线的俯仰角和方位角分别为γg和αg;无人机水平飞行距离D,飞行高度Hu,地面接收天线空间相隔距离为δnm,它们满足D>>Hu>>R>>HC>>Hg>>max( δ,δnm);sl表示第l个散射体;表示sl在接收坐标系中的投影。
在广义平稳非相关散射(WSSUS)条件下,假定地面接收天线散射的俯仰角和方位角概率密度函数分别服从Von-Mises[14]分布和复合参数[15]模型。以发射天线Tp,Tq和接收天线Rn,Rm之间的传输信道为例,其直射和反射的空时频相关函数可简化为:
式(1)和式(2)中,λ为波长;k0=2π/λ为自由空间波数;RLOS和RSPE为直射、反射相关函数的幅值;dLOS和dSPE分别为2个天线间直射反射路径距离;fLOS(Δt,Δf)和fSPE(Δt,Δf)是以Δt和Δf为变量的函数,且满足fLOS(0,0)=fSPE(0,0)=0。在文献[4]给出的散射空时频相关函数基础上可进一步简化为:
式中,I0(·)为第1类零阶Bessel修正函数;k为Von-Mises分布中的角度扩展因子;θg0为散射情况下的地面接收方位角扩展均值;f( φg)服从复合参数分布模型;RDIF为散射相关函数的幅值;fDIF(Δt,Δf)是以Δt和Δf为变量的函数,且满足fDIF(0,0)=0。
根据文献[1],在发射端信道未知且信道系数固定的情况下,具有nT个发射天线和nR个接收天线的MIMO系统,信道容量可表示为:
式中,SNR为接收信噪比;H为nT×nR的信道相关矩阵;H∗是H的共轭转置。如果信道系数是随机变量,上述信道容量则为瞬时信道容量。这时,可以用各态历经容量来描述信道容量,即通过对所有的信道系数的取平均值得到平均信道容量:
可见,获取信道相关矩阵H是MIMO信道容量分析的关键。由于无人机信道系数hnT,nR(t,f)是随机变量,因此可以通过求取平均信道相关矩阵分析平均信道容量。结合无人机通信环境特点,采用信道分解归一化的方法求取平均信道相关矩阵。
首先,将无人机MIMO信道相关矩阵H分解为:
式中,HLOS、HSPE和HDIF分别表示直射、反射及散射的平均信道相关矩阵。以HLOS为例(HSPE和HDIF表示方式类似),在该四发两收的无人机MIMO信道模型中,可表示为:
式中,ηLOS、ηSPE和ηDIF分别表示直射、反射和散射分量在总的接收功率中所占的比例因子,其表达式为:
式中,Γ∈[-1,1]表示镜面反射系数,为入射波与其反射波之比;KRice∈[0,+∞)表示Rice因子,即直射分量与散射分量的功率值之比。
而当接收天线相同时,不同发射天线间的(如Tp-Rn,Tq-Rn)的归一化平均信道相关函数可表示为:
式中,Δdnp,nq为发射天线Tp,Tq到散射体sl的传输路径差。
当发射、接收天线均不是同一天线时,其归一化平均信道相关函数为(以Tp-Rn,Tq-Rm为例):
式(6)中,平均信道相关矩阵中的参数较多,则影响无人机MIMO信道容量的因素较多。结合无人机通信环境特点,可以采用定量的方式对无人机MIMO平均信道容量进行分析。假设D=60 km,Hu=2 km,Hg=5 m,HC=300 m,R=3 km,θg0=π/8,γu=βu=αu=γg=αg=π/4,KRice=4 dB,Γ=-1,k=0,δnm=10λ。
在上述仿真的假设条件基础上,进一步假设δ=10λ,SNR=20 dB,而无人机姿态角γu和βu处于动态变化范围,此时分析无人机飞行过程中俯仰和横滚变化对MIMO信道容量的影响,如图3和图4所示。可见,无人机飞行俯仰和横滚角度在[-90°,90°]之间变化时,从数值总体上来讲,对平均信道容量影响变化不大。图3中,俯仰角对信道容量的影响在0°、-45°和45°具有对称变化特征,并在0°、-90°和90°左右具有较低的平均信道容量,这是由于此时信道空间相关性较强,导致平均信道容量较低;图4中,横滚角对信道容量的影响同样是关于0°对称的,并在0°、-90°和90°具有较低的平均信道容量,原理同上,而角度绝对值在[0°,80°]变化时,空间相关性逐渐降低,导致平均信道容量的提升。
图3 时,无人机俯仰对容量的影响
图4 时,无人机横滚对容量的影响
最后,假设βu=0,γu=0时,仿真分析了无人机飞行偏航角及飞行距离对MIMO平均信道容量的影响,如图5和图6所示。由图5可见,飞行偏航角对平均信道容量的影响在90°呈对称变化,这是由于4元圆阵天线具有对称性,同时由于接收天线位置设置使得在90°附近接收相关性较强,平均信道容量降低;由图6可见,无人机飞行距离越远,空间多径分辨能力越弱,其空间相关性也就越强,平均信道容量就越低。
图5 D=200km时,无人机偏航角对容量的影响
图6 αu=0时,无人机飞行距离对容量的影响
本文将机载4元天线圆阵布局,建立了基于无人机—地面站之间统一的坐标系,定义布局天线与无人机相统一的姿态角,构建了基于四发两收的无人机MIMO信道模型,并基于该模型推导了具有直射、发射以及散射分量的平均信道相关矩阵。仿真分析了无人机飞行姿态对MIMO信道容量的影响,为合理调整飞行姿态来提高通信速率具有重要意义。
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Effect of Attitude Change on Unmanned Aerial Vehicle MIMO Channel Capacity
CHEN Deng-wei1,GAO Xi-jun2,XU Xin2,QI Wei-wei1
(1.Luoyang Electronic Equipment Test Center of China,Luoyang He’nan 471003,China;2.Ordance Engineering College,Shijiazhuang Hebei 050003,China)
Aiming at the demand of Unmanned Aerial Vehicle for Multi-Input Multi-Output(UAV-MIMO)communication,four antennas are laid as circular array in UAV.To analyze UAV-MIMO communication system,the uniform coordinate is built,and also the 3D-GBSBCM(Geometrically Based Single Bounce Cylinder Model)channel model of UAV-MIMO based on four transmitters and two receivers is constructed.The method of channel matrix factorization and channel coefficient normalization are put forward to deduce the average channel correlation matrix of UAV MIMO.At last,the effect of UAV attitude change parameters on UAV MIMO channel capacity is simulated and analyzed.The simulation results provides theory reference for improving UAV-MIMO system capacity by changing the attitude parameters.
UAV-MIMO;circular antenna layout;attitude change;channel capacity
TN92
A
1003-3106(2015)05-0054-05
10.3969/j.issn.1003-3106.2015.07.15
陈登伟,高喜俊,许 鑫,等.姿态变化对无人机MIMO信道容量的影响[J].无线电工程,2015,45(7):54-58.
陈登伟男,(1975—),硕士,工程师。主要研究方向:通信。
2015-03-25
高喜俊男,(1986—),博士研究生。主要研究方向:MIMO通信。