[发明专利]一种基于几何的宽带UAV MIMO信道建模方法

说明书

本发明涉及一种基于几何的宽带UAVMIMO信道建模方法，属于通信技术领域。该方法包括下列顺序的步骤：建立UAV半球模型；根据UAV半球模型建立UAVMIMO信道发射天线到接收天线之间的信道冲激响应；根据发射端、接收端和散射体之间的几何关系，推导时变传输距离、时间相关函数、空间相关函数、多普勒功率谱密度的时变信道参数。本发明建立的UAV‑MIMO信道模型是对宽带半球模型的扩展，能够模拟UAV信道中UAV的抖动；无人机高度、时间、车辆移动速度等参数综合作用于信道统计特性，使用联合分布同时考虑方位角和俯仰角的影响，并假设接收端在三维空间内运动对无人机空对地通信系统的设计和评估具有实际应用价值。

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于几何的宽带UAV MIMO信道建模方法。

背景技术

在UAV空对地通信中，UAV在三维空间中移动，与地面用户相比处于相对较高的高度。这些独特的传播场景将使得研究适合UAV通信的信道模型尤为重要。贾汝冰等人提出了一种适用于空对地通信环境的三维椭圆柱面UAV MIMO信道模型。基于提出的UAV MIMO信道模型，研究了UAV发射机在仰角平面上的移动性和高度，此外，还考虑了地面和路边环境反射。这些UAV信道模型均是在广义平稳的信道假设基础上建立起来的，然而大量的信道测量事实表明UAV信道的衰落分布、多普勒频移、时延谱和角度谱等均具有时变性，快速移动的发射端和接收端使得信道在时域中是非平稳的，也就是信道统计特性随时间变化，这导致广义平稳假设无效。因此，应考虑非平稳信道建模，以捕捉快速变化的无人机信道特征。贾汝冰等人提出了一种更通用的基于几何形状的统计模型，模型结合了视距路径和单反射路径，提出了相应的正弦波和仿真模型，包括有效散射体的确定性模型和统计模型。然而这些基于几何的信道模型只考虑了UAV MIMO窄带信号，当前文献中较少有研究UAV MIMO宽带信道。

目前对宽带非平稳UAV MIMO信道建模的研究较少，HengtaiChang提出了一种基于三维(3D)宽带非平稳A2G几何结构的随机信道模型。为了模拟非平稳信道特性，簇数、功率、时延、出发角和到达角等参数都是时变的。Zhangfeng Ma针对UAV MIMO信道，提出了一种三维宽带非平稳几何随机模型(GBSM)。提出的3DGBSM首次研究了无人机旋转的影响，这导致信道参数时变，反映了信道的非平稳性。上述模型忽略了由于气流和UAV自身振动引起的UAV平台的随机抖动对信道统计特性的影响，其中抖动包括偏航运动、俯仰运动和横摇，分别在三个不同的维度。因此，有必要建立一种考虑了UAV抖动的新型UAV MIMO宽带非平稳信道模型。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于几何的宽带UAV MIMO信道建模方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于几何的宽带UAV MIMO信道建模方法，该方法包括步骤：

(1)建立UAV-MIMO半球模型，包含一个发射端和一个接收端，发射端和接收端分别表示UAV和地面用户的位置；在初始阶段，发射端悬停在接收端上方特定高度，接收端缓慢移动；模型假设接收端附近的全向散射体分布在由L个不同的圆组成的半球表面上，由于发射端飞的足够高，忽略发射端周围的散射体；

(2)根据UAV半球模型建立UAV MIMO信道发射天线p到接收天线q之间的信道冲激响应，分为视距路径和非视距路径；

(3)根据发射端、接收端和散射体之间的几何关系，推导时变传输距离、角度分布函数、时间相关函数、空间相关函数和多普勒功率谱密度的时变信道参数。

可选的，所述步骤(2)中，UAV-MIMO信道，生成的发射端第p根天线到接收端第q根天线之间的信道冲激响应分为视距路径和非视距路径，公式为：