變電站內(nèi)5G終端通信信道建模與分析

李 歡，許 越，孟凡博，任 帥，李海軍，龐曉靜

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院,沈陽(yáng) 110000； 2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司智網(wǎng)創(chuàng)新中心，北京 100000；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽(yáng) 110000； 4. 北京電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100000)

0 引 言

對(duì)變電站中電力設(shè)備的巡檢至關(guān)重要[1-2]，許多巡檢技術(shù)被引進(jìn)，如高清視頻監(jiān)控[3]、無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification Devices，RFID)技術(shù)[4]、無(wú)人機(jī)巡檢[5]和巡檢機(jī)器人[6]等。一臺(tái)智能巡檢機(jī)器人可搭載眾多設(shè)備，不到1小時(shí)即可完成所有巡檢工作。

光纖是最靠譜的通信方式[7]，但移動(dòng)的機(jī)器人無(wú)法使用光纖通信。目前巡檢機(jī)器人一般使用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(Wireless Fidelity，WiFi)，可完成普通巡檢任務(wù)[8]，但WiFi不能滿(mǎn)足復(fù)雜巡檢任務(wù)的要求[9]。第五代移動(dòng)通信(5th-Generation，5G)技術(shù)的高速率低時(shí)延能充分發(fā)揮機(jī)器人的能力，出色完成巡檢任務(wù)[10]。

信道特性影響通信系統(tǒng)的性能，故需要分析5G機(jī)器人的通信信道特性并建立準(zhǔn)確的信道模型。主流信道建模方法分為3種：射線(xiàn)追蹤法[11]、統(tǒng)計(jì)法[12]和隨機(jī)幾何法[13]。射線(xiàn)追蹤法基于實(shí)際傳播環(huán)境，用麥克斯韋公式推導(dǎo)信號(hào)增益表達(dá)式；統(tǒng)計(jì)法是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法擬合出信號(hào)增益表達(dá)式；本文采用隨機(jī)幾何法，根據(jù)幾何模型推導(dǎo)增益表達(dá)式，可分為二維(Two-Dimension，2D)模型[14-15]和三維(Three-Dimension，3D)模型[16-17]建模法。

本文選取偏僻的變電站，可忽略外部散射體對(duì)信道的影響，其中5G基站位于巡檢區(qū)域的中心位置。基站和機(jī)器人不在一個(gè)水平面，故需要建立3D模型。為提高通信質(zhì)量，將多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人。針對(duì)不同的場(chǎng)景環(huán)境，改變?nèi)R斯因子，分析變電站場(chǎng)景下巡檢機(jī)器人的5G通信信道的自相關(guān)和互相關(guān)特性。

1 巡檢機(jī)器人5G通信信道模型

圖1所示為本文所述的變電站場(chǎng)景下5G巡檢機(jī)器人的通信信道模型圖。建立相關(guān)的3D坐標(biāo)系，以地面為x和y軸所在的平面。由于變電站位置偏僻，周?chē)鷽](méi)有什么高大樹(shù)木和建筑物，散射主要來(lái)自變電站內(nèi)的物體。變電站內(nèi)有一建筑物的墻(圖中陰影部分)，長(zhǎng)為L(zhǎng)，高為4米。墻上有無(wú)數(shù)個(gè)散射體S，坐標(biāo)為(x,W,z)。5G巡檢機(jī)器人待巡檢的區(qū)域是寬為W的矩形區(qū)域(圖中僅僅畫(huà)出長(zhǎng)為L(zhǎng)的部分)。5G巡檢機(jī)器人M的坐標(biāo)為(D,0,0)，且運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸的正方向，速度為v。5G基站在高為H的桿塔上，坐標(biāo)為(L/2,W/2,H)，5G巡檢機(jī)器人M與墻的水平垂直距離為W。5G巡檢機(jī)器人上配備有均勻線(xiàn)性天線(xiàn)陣列，有K個(gè)天線(xiàn)單元，陣列與x軸的夾角為θ，天線(xiàn)單元的間距分別為δ。第k(k=1,…,K)個(gè)發(fā)射天線(xiàn)單元Ak到基站的直線(xiàn)距離為dBk。基站到散射體S的直線(xiàn)距離為dBS，散射體S再到第k個(gè)天線(xiàn)單元的直線(xiàn)距離為dSk。5G巡檢機(jī)器人M與5G基站B的通信路徑分為兩種：一是直射徑(Line of Sight,LOS)；二是經(jīng)過(guò)墻上散射體的散射路徑。5G巡檢機(jī)器人M到5G基站的LOS路徑的方位角為αB，仰角為βB。散射體S到5G巡檢機(jī)器人M的散射路徑的方位角為αS，仰角為βS。

圖1 機(jī)器人通信信道模型

式中：C為信道的萊斯因子，為L(zhǎng)OS與散射路徑的功率之比；e為常量；λ為5G頻段下信號(hào)的波長(zhǎng)；j為虛數(shù)單位；fLOS為因5G巡檢機(jī)器人的移動(dòng)導(dǎo)致的直射路徑上的多普勒頻移。

式中：n為散射體的序號(hào)；N趨于無(wú)窮，表示散射體數(shù)量無(wú)窮大；φ為隨機(jī)相量，一般認(rèn)為服從0～2π的均勻分布；fS為因5G巡檢機(jī)器人的移動(dòng)導(dǎo)致的散射路徑上的多普勒頻移。

根據(jù)空間幾何理論，dBk、dBS以及dSk的大小與LOS的方位角αB和仰角βB以及散射徑的方位角αS和仰角βS相關(guān)。而這些方位角和仰角又與終端M的坐標(biāo)、5G基站坐標(biāo)以及散射體的坐標(biāo)相關(guān)，可以根據(jù)空間幾何方法推導(dǎo)出相關(guān)的表達(dá)式，因篇幅問(wèn)題在此省略，具體的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[13]和[16]。

2 空間-時(shí)間相關(guān)函數(shù)

式中，p(x)和p(z)分別為散射體在x和z坐標(biāo)上的概率密度分布函數(shù)。

3 相關(guān)函數(shù)數(shù)值仿真與分析

根據(jù)第2節(jié)推導(dǎo)的ST-CF模型，對(duì)信道特性進(jìn)行理論分析，采用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)值仿真。

終端M到基站B的通信路徑包含LOS路徑和散射路徑，散射體主要來(lái)自墻，墻上散射體的坐標(biāo)為(x,W,z)，x與z的取值決定了散射路徑的方位角和仰角。因?yàn)榻ㄖ锏膲Ρ砻嫫秸瑳](méi)有凸出部分，所以x與z的概率密度分布可取均勻分布。

x的概率密度分布函數(shù)為p(x)=1/L,0

圖2所示為5G巡檢機(jī)器人與5G基站通信信道的ACF圖。信道的自相關(guān)特性具有震蕩性，隨著標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔的增大，ACF從1逐漸震蕩到0。4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔后，ACF在0附近小幅震蕩。因?yàn)楸纠娜R斯因子較小(對(duì)應(yīng)著LOS被嚴(yán)重遮擋的情況)，C只取了0.05，所以通信信道的自相關(guān)特性會(huì)隨著標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔的增大而趨于0。

圖2 信道自相關(guān)特性

圖3所示為5G巡檢機(jī)器人與5G基站的通信信道的CCF圖。信道也具有一定的震蕩性，與信道的自相關(guān)特性相似。隨著天線(xiàn)單元間距的增大，信道的空間互相關(guān)特性也從1逐漸趨于0，并在0附近小幅震蕩。同樣，因?yàn)槿R斯因子取值較小，所以互相關(guān)特性最終才會(huì)在0附近震蕩。

圖3 信道互相關(guān)特性

為研究萊斯因子C的大小對(duì)信道的影響(即信道遮擋的嚴(yán)重性對(duì)信道的影響)，選取C分別為0、1、3和10這4種情況，其他參數(shù)不變。根據(jù)第2節(jié)推導(dǎo)的信道模型，作出相應(yīng)的仿真圖，如圖4和5所示。觀(guān)察分析C=0、1、3和10的4張圖，由圖4可知，C越大，ACF曲線(xiàn)震蕩越明顯，振幅越大；只要C不為0，ACF曲線(xiàn)最終都不會(huì)趨于0，而是基于一定的振幅而不斷振蕩。由圖5可知，CCF曲線(xiàn)的震蕩與ACF相似，只要C不為0，CCF曲線(xiàn)最終就不會(huì)趨于0；C越大，穩(wěn)定后振蕩的振幅越大。

圖4 不同萊斯因子下的信道ACF

圖5 不同萊斯因子下的信道CCF

綜合以上分析可知，C對(duì)信道的相關(guān)性影響巨大，為提高信道通信的質(zhì)量，應(yīng)盡量保證5G基站與5G巡檢機(jī)器人的通信存在LOS。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)變電站位置偏僻和站外樹(shù)木建筑物稀少的特點(diǎn)，結(jié)合變電站內(nèi)巡檢區(qū)域和機(jī)房的特點(diǎn)，本文建立了5G巡檢機(jī)器人通信的3D信道模型。根據(jù)幾何分析法，推導(dǎo)出了信道的ACF和CCF公式，并采用Matlab軟件工具作出相應(yīng)的仿真，分析了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔對(duì)ACF的影響，以及天線(xiàn)單元的間距對(duì)CCF的影響。由于變電站內(nèi)巡檢區(qū)域的電力設(shè)備會(huì)對(duì)5G基站和巡檢機(jī)器人之間的通信造成遮擋，必須考慮萊斯因子對(duì)信道的影響。選取不同的萊斯因子作仿真分析，對(duì)比不同萊斯因子下信道的ACF和CCF可知，萊斯因子越大，信道的相關(guān)性越大，無(wú)線(xiàn)通信質(zhì)量越好。本文針對(duì)變電站場(chǎng)景內(nèi)5G巡檢機(jī)器人的通信信道建立3D模型，分析信道的相關(guān)特性，擴(kuò)寬了5G+機(jī)器人在變電站內(nèi)的應(yīng)用研究。