校園無線信道衰減特性研究

（中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川廣漢 618307）

0 引言

無人機相比傳統(tǒng)飛機具有很多優(yōu)點，如價格便宜、操作簡單、配置隨機、方便攜帶等［1］，因此在通信領域具有很大的應用潛力。

國內(nèi)外許多學者對無人機信道進行了研究。文獻［2］研究了城郊場景下無人機空地信道統(tǒng)計模型，包括時延擴展、路徑損耗、萊斯因子等，雖然實測了近城地區(qū)無線信道特性，但模型僅適用于較大場景；文獻［3］采用射線跟蹤方法，給出了視距路徑、一次散射路徑和二次散射路徑傳播損耗和相應功率計算方法，該研究使用的射線追蹤方法基于確定建模方法，計算量較大；文獻［4］研究了改進的SoS信道多種衰落因素，其中包括路徑損耗、陰影衰落等，但沒有進行實際測試；文獻［5-6］均采用圓柱模型，模擬實際場景中的房屋、樹木等散射體，其中文獻［5］針對圓柱表面散射體均勻分布的特征，提出了單跳圓柱體散射模型，并研究了其空間統(tǒng)計特性；文獻［6］針對無人機雙圓柱3D-MI?MO 信道模型，進行了確定性仿真與隨機性仿真，針對均勻分布這一特點采用隨機分布進行改進，但仍與實際環(huán)境存在差異，而且計算復雜度也較高。現(xiàn)有研究采用不同的模型和計算方法研究無線信道特性，而本文采用統(tǒng)計性建模方法，研究中國民用航空飛行學院校園內(nèi)兩個常見場景（西區(qū)大操場、第三教學樓和后花園之間的林蔭道）信道衰減特性。相較于文獻［2-6］，本文計算方法簡單、場景清晰、模型準確，更具有代表性，可探究校園無人機常用場景無線信道特性，為通信系統(tǒng)信道估計、鏈路預算及系統(tǒng)設計提供重要依據(jù)［7］。

1 無線信道特性

1.1 自由空間衰減與天線增益

無線通信系統(tǒng)性能取決于無線信道。視距傳播信道是一種比較簡單的場景，視距傳播時信道無障礙物阻擋，其衰減接近自由空間傳播。

信道研究時需慎重選擇天線，如小尺度時定向天線與全向天線的傳播特征可能存在差別。一般研究信道模型時最先考慮使用全向天線時的場景，同時考慮到全向天線不存在波束對準問題以簡化系統(tǒng)，因此本文使用的是全向天線。

路徑損耗（Path Loss，PL）表示信號衰減程度值，單位為dB。包含天線增益的自由空間路徑損耗為：

不包含天線增益即假設天線具有單位增益，其路徑損耗為：

其中，f單位為MHz，d單位為Km。

當頻率為1 600MHz、距離為1m 時，自由空間路徑損耗為36.5dB。

1.2 無線信道衰落特性

在研究無線信道特性時，可按照距離發(fā)射機一定距離的不同信號場強分成大尺度傳播模型與小尺度衰落模型。本文研究的無人機無線信道衰減特性屬于大尺度傳播模型中的一種——路徑損耗。

路徑損耗也稱作傳播損耗。信號強度會隨接收和發(fā)射之間距離變遠而變?nèi)酢＠硐霔l件下，與發(fā)射機相同距離的接收機收到的信號應相同，但是實際收到的場強會有所波動，文獻［8］認為這是環(huán)境復雜度的影響。

通過實測研究表明，對于大多室內(nèi)外信道，接收信號平均功率與距離變化呈對數(shù)關系，所以對于任何距離都有平均大尺度路徑損耗，其公式為：

在WINNER 模型中式（3）可以表示為：

其中，β為路徑損耗指數(shù)，α為在參考距離處的衰減，通常α取1m 處的衰減，d是T-R 之間距離。

β值大小取決于特定傳播環(huán)境，不同的環(huán)境β值也不同，且空間中有阻擋物時β變大，一般而言自由空間中傳播時β為2。在建筑物內(nèi)無阻擋視距傳播時β值為1.6～1.8，被建筑物阻擋時β值可達到4～6。在無人機信道方面，通常認為無人機統(tǒng)計信道路徑損耗因子n值范圍為1～4。在山地和丘陵地帶無人機通信信道β值為1～1.8［9］，蜂窩網(wǎng)絡之間無人機通信信道β值為2～3.7［10］。

2 信道模型

無線信道模型根據(jù)使用情況不同大致可以分成兩類。確定性信道模型由于計算量大，通常用于研究信道小尺度衰落特性，而統(tǒng)計性信道模型則側(cè)重于研究大尺度傳播特性。所以本文針對校園無人機無線信道衰減特性，采用統(tǒng)計性建模。

統(tǒng)計性建模也稱為參數(shù)建模，需對場景進行實際測量，對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，擬合出測量數(shù)據(jù)方差、期望等。已有研究通過對這些統(tǒng)計量分析得出公式，用于實際場景。例如，針對無人機信道模型而言，文獻［11］基于俯角建模，實現(xiàn)對路徑損耗與陰影效應的估計；文獻［12］根據(jù)無人機飛行路徑，收集方位角與俯仰角用于無人機信道建模；文獻［13］將無人機基站-地通信信道路徑分為直射、反射和散射3 種路徑進行建模。綜合現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，對無線信道進行描述時，采用不同的建模方法對同一信道特性研究，結(jié)果不盡相同［14］。

對數(shù)正態(tài)陰影模型進行大量測試，得出適合于室內(nèi)或室外信道是最具代表性且較為簡單的模型［15］。根據(jù)式（4）可得：

由上所述，α是收發(fā)之間1m 距離時自由空間的衰減，在1.6GHz 時α=36.5dB。β為路徑損耗因子，Xσ為零均值的高斯分布隨機變量標準差σ，它們單位也是dB。β和σ可以根據(jù)測試數(shù)據(jù)使用線性回歸得到。

3 實驗測量

3.1 實驗場景測試

本次實驗發(fā)射端采用的是ADF4351-PLL 模塊，并接有20dB 的放大器，接收端采用Anritsu 頻譜儀。本文測量平臺測試參數(shù)如表1 所示。

Table 1 Test parameters表1 測試參數(shù)

實驗平臺如圖1 所示，場景測量如圖2 所示。

3.2 信道模型參數(shù)

本文采用統(tǒng)計性信道模型，數(shù)據(jù)處理采用最小二乘估計法。通過最小誤差平方和求出最佳函數(shù)匹配，將殘差平方和最小化［16］。

實驗選取開闊地帶與樹木遮擋地帶兩種場景進行建模。信道測量中需獲得各接收端位置、高度及功率信息。

由位置及高度信息即可獲得T-R 距離d，確定一系列散點，根據(jù)式（5）可知，只需選取適當?shù)木嚯xd0，即可得到α和β；然后對數(shù)據(jù)進行簡單處理并擬合可得到估計值與實測數(shù)值誤差平方和最小的1 條直線，找到最小的β；最后計算出Xσ，并對這些值進行數(shù)學統(tǒng)計。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)服從期望為0、標準差為σ的正態(tài)分布。

Fig.1 Test scenario圖1 測試場景

Fig.2 Open and tree sheltered areas圖2 開闊地帶和樹木遮擋地帶場景

4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

本文采用1.6GHz 頻點，選擇校園操場與校園后花園林蔭道為測量場地，通過統(tǒng)計測量數(shù)據(jù)計算各場景路徑損耗，從而得出與距離的關系，建立大尺度路徑損耗模型。

4.1 開闊地帶信道建模

開闊地帶是以校園操場為測量場地［17］。本次實驗測試了10 組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)隨距離發(fā)生變化，如圖3 所示。

Fig.3 Open area scene measurement results圖3 開闊地帶場景測量結(jié)果

數(shù)據(jù)擬合后所得路徑損耗模型用實線表示，自由空間損耗模型用虛線表示，菱形表示采集的樣本點，如圖4 所示。為與自由空間形成明顯對比，本文將擬合數(shù)據(jù)與自由空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一，均采用36.5dB 作為擬合直線起點。

Fig.4 Path loss of open ares圖4 開闊地帶場景路徑損耗

由圖4 可以看出其擬合直線并不完全符合自由空間傳播損耗，所以需要對其信道模型進行分析，由圖4 可以看出，作為同一起點的兩條直線，虛線在實線下方，即代表開闊地帶模型直線斜率大于自由空間損耗模型斜率。所以操場無線信道路徑損耗因子大于2，而由計算可知，校園操場路徑損耗因子β=2.664 與圖4 規(guī)律相符，當d0=1m 時，α為36.5。

所以校園操場無人機路徑損耗衰減指數(shù)模型為：

通過計算可得校園操場場景下標準差σ=3.882 8。

4.2 樹木遮擋地帶信道建模

樹木遮擋地帶是常用的場景之一，如林蔭小道，是社會大眾必要的生活區(qū)域，所以本次實驗以校園后花園林蔭道為測量場景，測量結(jié)果如圖5 所示。

Fig.5 Scene measurement results in tree sheltered areas圖5 樹木遮擋地帶場景測量結(jié)果

同樣，將兩直線起點同設為36.5dB 進行數(shù)據(jù)處理，可得校園林蔭道路徑損耗模型，擬合模型直線、自由空間衰減模型直線、樣本點，如圖6 所示。

由圖6 可看出，實線代表的校園林蔭道路徑損耗相較于自由空間損耗偏大，即林蔭道損耗n＞2，對校園林蔭道場景進行模型計算，可得其路徑損耗因子β=2.812，當d0=1m時，α為36.5。

所以校園林蔭道路徑損耗衰減模型為：

通過計算可得校園林蔭道場景標準差σ=3.277 3。

Fig.6 Path loss of campus avenue圖6 校園林蔭道場景路徑損耗

5 結(jié)語

對比兩種場景可知路徑損耗因子隨阻擋物的增多而增大，開闊地帶路徑損耗因子值n=2.664，林蔭道路徑損耗因子值n=2.812，n 值所屬范圍符合機載通信信道傳播規(guī)律，證明本文實驗有效。因此這兩種模型可很好地模擬校園內(nèi)機載天線信號傳輸情況。在無人機情況下，開闊地帶LOS 場景與林蔭道的衰減大于自由空間情況，可能與天線波束對準有關。雖然收發(fā)使用的是全向天線，但是天線有3dBi 的增益，天線方向圖不是理想的圓形，如圖7 所示，在天線方向圖（pattern）中接收和發(fā)射兩天線增益最高點對準難度很大，大概率是在增益較低點對準，但增益較低點增益無法確定；而計算Pathloss 時采用的是天線增益確定的點，即增益最高點，因此導致最后處理時Path loss 偏高，從而導致β偏大。

對于以上天線增益最高點難以對準的難題，建議改進方式為在接收端用增益已知的細波束掃描，以觸發(fā)射端天線最高增益點，同時在接收端每個掃描波束接收1 個相應強度的信號（見圖8），在這些信號中選取最大數(shù)據(jù)作為波束對準情況下的接收數(shù)據(jù)，此時認為發(fā)射和接收均為天線增益最高點，可確定計算Pathloss 時收發(fā)天線增益，解決波束對準的問題。因此，下一步將在接收端采用波束掃描的方式研究衰減影響。

Fig.7 Antenna pattern alignment at low gain point圖7 天線方向圖（pattern）在增益較低點對準

Fig.8 Beam scanning圖8 波束掃描