低空无人机空对地Semiurban环境中的信道测量和建模

文摘

中小型无人机(uav)能飞一段距离(< 2公里)从一个控制站在nonsegregated领空(海拔< 100)。它极大的兴趣模型传播渠道在这样的条件下,从环境中是一个重要的影响。提出多个测量在低海拔地区一家中型无人机飞越semiurban环境。路径损耗指数是基于测量在不同的海拔和height-dependent Rician因子模型。结果清楚地揭示了存在两种不同的渠道传播区域特征。条件的断点显示高度快速通道的变化。在低海拔地区,障碍产生大量的多路径传播是极大的影响,在高海拔的影响减小。我们的结果对于低空空对地的建模非常有用(AG)传播渠道和UAV-enabling AG)通信系统的性能分析,如信道容量和吞吐量。

1。介绍

使用无人机系统(uas)近年来一直在增加显著,和强劲的增长在未来几年预计商业应用(1]。大多数的uas将小而micro-UASs,也称为“无人驾驶飞机。“大多数商业无人机通常多个转子直升机与飞机的结构不同,这让他们很容易没有长跑道起飞。无人机缓慢但更灵活,机动性高动态的能力在3 d空间中飞向四面八方。在大多数国家,这些uas正面临越来越多的监管。例如,在美国和欧洲,民用无人机只能飞没有超过监管海拔(100米)和距离(< 1公里)在nonsegregated空气空间,必须直接视觉视线的运营商2,3]。

民事应用,无人机承诺在许多领域,如农业、工业、科学调查、应急通信、安全救援、包装运输、和视频拍摄。这些应用程序提高高要求高质量的通信链接控制和高容量负载的传播信息的链接。此外,uas必须手术在复杂环境中城市和工业等场景。对于那些通信场景,l波段的一部分(1 - 1.2 GHz)目前提出了控制链接和c波段(4 - 6 GHz)有效载荷(4]。因此,有必要仔细模型空对地(AG)在这些频带通道在低海拔。

AG)通道已经广泛在多个实验建模和特征。一般来说,AG)通道被视为一个空间通道或双线通道(5)添加一个从地球表面反射到直接或视距(LoS)组件。传统AG)信道测量和建模是用大型飞机在高海拔地区使用固定翼飞机[6[],气球7),或飞艇8]。然而,这些测量的高度和飞行动力学的影响是不同的,不足以描述地面环境传播通道在低高度。只有少数可以在海拔较低的测量进行了文献[9),然而,海拔仍高于200米。因此,有必要研究和模型的传播渠道小型无人机高度从0到100。在这个范围内高,严重影响了传播环境和山庄毗邻的障碍。有一个增加的平均路径损失深快衰落。一些报道关注这种现象在低海拔地区得到[8,10)和模拟由射线追踪方法(11)可以解释反射的影响,衍射和散射的环境对低空AG)通道。

在[12),作者在不同的距离和高度进行测量小型无人机使用802.11网络,其中一个有趣的现象观察高度传播通道的影响。在[13height-dependent模型),提出了基于射线跟踪方法。然而,更多的文学关注链接的仰角无人机的距离。在[14),基站周围的飞机飞行循环角度的影响进行调查。在[11,15),射线追踪方法应用于研究传播渠道在城市环境中,和在16)宽带测量进行了无人机被固定在一定的位置,它描述了地面的影响。在[17),介绍了窄带和宽带信道测量使用LTE的信号。一般来说,仍有有限的文献建模对小型无人机在超低的高度。

在我们的例子中,我们调查了传播渠道的变化在中小型无人机的飞行距离。测量不同的飞行路线semiurban复杂环境中来获得不同位置的数据。测量结果的分析表明,小规模衰落的飞行高度,而不是依赖高仰角或距离。本文的结构组织如下。部分2介绍了测量设备配置和测量活动的细节。部分3分析数据,提出了一种路径损耗模型和height-dependent Rician因素模型。然后,部分4给出了一个仿真模型的方法。结论给出了部分5。

2。测量

2.1。测量系统

试验台由一个光连续波发射器安装在下部的一个中型无人机。测试发射机可以工作在L - c波段的最大传输功率30 dBm。用于测量的频率1200 MHz的l波段和c波段4200 MHz,分别。在无人机使用的传输天线两个蝶式天线,分别在L -和c波段工作。这些天线圆极化全向辐射模式在水平面和3 dB的波束宽度对l波段和c波段。天线安装在无人机竖直向下的底部,如图1从无人机结构干扰降到最低。在我们的例子中,使用的无人机有很好的方位稳定,我们甚至可以用线性极化的无人机误差最小。然而,蝶式圆极化天线被广泛用于小型无人机,我们可以使用圆偏振的偏振误差最小化无人机地面站和线性极化。

接收系统包括两个类型的天线MGRM-WHFcm分离。天线是垂直极化增益为3 - 5 dB和半功率波束宽度的高程 。天线安装在1.5米的桅杆。Rx是一个标准的便携式频谱分析仪与定制的软件来记录测量的速度测量每秒。接收方有两个通道,每个被连接到一个天线。两个渠道收到相同的信号。

无人机hexacopter 3公斤的体重,这是能够携带2公斤有效载荷和分钟的飞行耐力。系统控制与2.4 GHz链路和监控一个地面站遥测数据的高度,速度,和收到的位置。的航班是用计算机辅助控制软件保证轨迹的准确性。

2.2。测量活动

测量进行了在一个郊区的开放的环境如图2,有很多建筑物,金属容器,和树木。这个环境是一个multipath-rich环境,这样我们可以很容易区分传播上的飞行高度的影响。测量是用垂直和水平飞行。垂直飞行轨迹,与黄线,如图所示3,在一个高度100的无人机起飞和降落在几个固定距离20米到100米距离的处方,和水平位置是稳定的。垂直航班保证环境的影响保持不变,可以精确地模型高度的影响与天线的影响可以忽略不计。一些水平的航班也用无人机从20米的位置远离Rx,后一条直线推进固定的高度m和90 m,降落在一个位置远离Rx。

垂直提升速度监控在地面站每秒0.7米,水平速度是在向前发展米每秒。相同的航班为l波段和c波段测量。所有航班确保《联系Tx和Rx是范围内的天线辐射模式。测量轨迹的细节如表所示1。需要澄清的是,我们使用“ ”来表示特定的测量轨迹在本文的其余部分。

2.3。校准

在本节中,天线的辐射模式测量的消声室 为了调整天线完成网站的影响力。

无人机是安装在一个旋转定位器的传输天线放置在它的底部。方位角和仰角测量飞机的两个蝶式天线,一个1.2 GHz和一个4.2 GHz,分别。图中所示4(一)测量辐射模式。它可以观察到,这些天线的高度辐射模式有更多的比3 dB波束宽度与一个统一的响应,并没有影响无人机。在图4 (b),我们目前基站天线的测量,这是商业上的天线。我们现在只测量海拔飞机的基站天线安装在桅杆上我们使用。我们可以看到,辐射模式可以用于与海拔的轻微错误方向 。

因此,我们可以假设,直到测量准确无人机的仰角。事实上,我们考虑的最大仰角的运动 ,这是不到多少 。结果还表明,天线辐射模式表现出平稳上涨的方位和高度范围考虑获取数据,因此测量通道属性主要是对天线的传播特性与微不足道的影响。

3所示。数据分析和结果

3.1。路径损耗模型

水平测量是用来确定路径损耗指数(中国)在这种环境下传统的路径损耗模型,在其中结果如下: 在哪里表示距离和参考代表了链接距离Tx和Rx。= ,在哪里Tx和Rx和之间的水平距离吗无人机的高度。是小规模衰落后Rician分布有不同吗 。的值给出了在表2。

因此,基于水平的路径损耗模型配件的航班在10米(测量H1)和30米(l波段测量H2) / c波段图5。pl的从2.64到3.35,这是郊区的典型值。

有趣的是,的价值减少无人机高度增加时,也观察到测量V3和V4如图6。它指出,在18),请耐心也发现减少的相对高度的增加基站在铁路高架桥场景中,和在19请耐心的测量,发现小于接近自由空间当无人机海拔高于500米在一个郊区的环境。因此,我们考虑到路径损耗的增加有下降的趋势在低空无人机高度,而在高海拔接近自由空间。这种现象可以减少的后果在提升过程中多路径的无人机。

3.2。分析垂直测量

我们已经观察到的属性通道保持稳定时,无人机飞在短以恒定的高度范围内。因此,垂直测量进行了探讨传播通道高度。

见图6是测量V3和V4的结果。可以看出垂直测量进行了在不同距离Rx显示很高的相似性。强大的衰落是观察在水平和垂直测量在低海拔地区,显示高依赖无人机的高度。观察图6,有两个明显的传播区域。有深衰落和额外的损失,而在区域2的力量是更类似于无线频道。因此,我们将信道分成两个区域定义为“断点”BP,约45米在我们的测试环境中。

指出,对英国石油公司在窄带测量本文不同于的初步工作17]。这是因为基站天线的高度应用的初步工作是约50厘米,这是如此之低,有一个第一菲涅耳带的影响。然而,在这部作品中,天线安装在1.5米高的桅杆,因此第一菲涅耳带的影响最小化。当然,还有其他小事情;即信噪比(信噪比)比例的初步工作没有如此之高,这也可能导致这种差异。

在这部作品中,测量设备校准和天线的影响已经被考虑。此外,已多次重复测量,以排除随机性的影响。因此,一个更彻底的调查可以进行比较的作品(17]。

图7说明了测量V3和V4的快衰落,在大规模的衰落已经被减去20-wavelength移动接收信号的平均功率。

如前所述,测量站点(即在我们的案例中有许多散射障碍。、集装箱、建筑和大量的树)。根据我们的测量结果,我们注意到传播渠道在超低海拔很容易受到这些障碍在地上。接收到的信号被认为是大量的组合波起源于《道路,多路径,甚至散射和衍射。这将挑战通信商业uas在复杂环境中执行多个任务,飞行距离和高度有严格的规定。

在l波段/ c波段,衰落深度和衰落时期不同,这表明多路径的衰退也与载波频率有关。介绍了建模的小规模衰落在以下部分使用大米Rician统计模型因素对高度。

3.3。小规模衰落

的Rician因素是一个重要的参数来描述信号的行为,在信道容量有重要影响。这是一个衡量衰退的严重程度,有一个洛杉矶路径从Tx Rx。通常,Rician因素是建模作为时空变化的固定无线连接(20.)或军事(21]。

3.3.1。估计Rician因素

Rician分布通常是用来描述小规模衰落时主要组件如洛杉矶的道路。在我们的例子中,无人机在洛杉矶在整个测量,因此Rician因素是合适的评估行为消退。图8给出了概率密度函数的l波段测量V4和H2 / c波段由20-wavelength使用数据归一化均方根(21),安装在Rician分布。因素是使用矩法估计的方法(22]。 在哪里是第一个时刻的功率增益()(可以通过有限元计算数据)是第二个的时刻吗关于表明均方根(RMS)波动。RMS设置20个波长的长度。因素是计算每5米,其中包含大约60个样本平均和被认为是大到足以获得正确的结果在我们的测试环境中(23]。

3.3.2。Rician因素建模

在[24),作者提出了Rician无人机信道因素模型基于测量海拔500至2000米。该模型考虑了距离因子的线性函数,作者指出在他的测量因素几乎是恒定的。 在哪里是一个常量值距离和零均值高斯随机变量的标准偏差 。我们适合的参数模型的基础上,测量10米的高度(H1)和30米(H2),分别对l波段/ c波段。结果在表3。三角点在图9表示数据因素的测量H1和H2,直线是附件所示的模型(3)。观察到,在水平飞行因素几乎是常数。然而,水平因素变化在不同高度的差异3 - 8分贝。

据的分析因素不同的飞行轨迹,令人信服的是褪色的行为更相关的飞行高度,而不是在超低高度的距离。当无人机的高度很低,地面附近的散射提供强大的多路径衰落通道。当无人机变得更高,散射的影响减轻。一旦无人机达到高于BP,通道摆脱地面反射的散射,因此信道的质量大大提高自由空间模型和方法。考虑到衰落特性依赖于高仰角或距离,而是一种height-dependent Rician因子模型提出了如下: 参数拟合给出了表4。

因素表的最后一列3使用该模型估计(4)。比较平均因子计算了水平在10米、30米高度测量,我们可以观察到,估计是足够好,误差很小。

的分布因素是描绘在图10,这清楚显示高依赖高度。它还显示了两个倾向两个地区,英国石油公司估计大约是50米为40 m l波段和c波段以最小二乘法为基础。这是由于较低的传播损失较低频率,高阶反射可以影响传播。

的累积概率分布因素的测量都是见图11清楚地揭示了高度的影响,两个频段的区别。一般来说,因素c波段高于l波段和BP前增加,而英国石油公司后往往是常数。

4所示。验证测量的模拟

在这一节中进行模拟解释底层传播机制的“断点”,更多的测量在不同场景下仍需要进一步的验证。

假设存在一个反射侧壁的障碍如图12,我们得到了一个“逆转”双线模型,障碍的高度和吗反射点的高度。无人机在上升过程中,反射点是同步移动直到无人机达到一定高度,然后反射点消失。这种行为会导致降低多路径组件,这与我们的观察测量。假设距离Tx和Rx的反射平面障碍和 ,分别通过忽略Rx的高度,这远低于障碍,可以计算为 修改的平坦地球双线(FE2R)模型中给出25),multiray模型路径计算, 在哪里发射功率,和是洛雷总天线增益和仿真结果雷,分别是洛杉矶的旅行距离路径,仿真结果路径的旅行距离。

在(6),反射系数路径依赖于撞击角度和介电常数 。 在哪里被编写为 仿真结果是基于FE2R模型计算和multiray模型给出了(6)。

考虑到有许多障碍在我们的测量环境中,我们收到了力量可以被视为组成多个传播射线,包括《组件,组件由地面反射,反射障碍以及散射和衍射。因此,四个主要障碍被认为最有助于收到如图13都包含在仿真。

仿真的主要问题是,很难找到确切的反映不同的对象,特别是因为有许多容器的容器和他们进行了测量的那段日子。注意到,在模拟、反射表面之间的距离和Tx / Rx以及入射角对接收功率的衰减行为产生重大影响的描述multiray模型,而反射系数确定的衰落深度干预。

建筑物的介电常数设置根据(26,27]。的系数水泥混凝土的建筑物的主要材料,可以从4 - 28日不同。考虑到建筑物的老化过程和频率对介电常数的影响,建筑1、2号楼、3都设置为7。通常情况下,介电常数草原取决于实际的含水量和草的厚度。在我们的环境中,地面是一个干草原,不能作为理想的反射表面;因此,的价值因为地面反射在我们的案例中被设置为5。

从图中观察到的,如图6最大的衰落深度达到40分贝,这是一个非常高的反射系数的结果。我们的研究表明,只有在介电常数将超过10000年衰落深度能达到40 dB。然而,地面和建筑环境不能提供如此高的反射系数,因此假定,这种现象是由于附近的反射金属容器。由于介电常数的理想导体接近无穷,系数的容器的钢铁可能非常高。

在仿真中,我们只考虑到洛杉矶,一跃反射。模拟环境是按照图中所示的测试环境2。给出了表6表列出,介电常数5。仿真中使用的天线是全向和垂直偏振高程平面。

假设的反射障碍逐渐减少时,无人机提升,然后从容器和反射的消失山庄建筑1、2号楼,和建筑3 30 m, 40米,50 m,分别和60米。

仿真结果对l波段/ c波段是描绘在图14。红色dash-dotted线代表接收功率产生典型的平坦地球2-ray (FE2R)模型,而蓝色实线给洛杉矶路径的叠加的结果,地面反射,一跃反射从容器、建筑1、2号楼,分别和建筑3。注意,生成黑色曲线条件下基本情况3一样,只是没有地面反射。

我们从图可以观察到14类似的模式的权力变化来实证结果图中描述6。在仿真中,接收功率起初由洛杉矶和容器的倒影,建筑1、2,建筑3。当无人机消失高度以上的集装箱反射,接收功率只包含洛杉矶和建筑的倒影。进一步提高无人机高度,越来越少的反射是直到最后《现有的唯一路径。

这个模拟只考虑一个理想的简化的场景与光滑表面进行对象。Multiple-bounce反射和衍射都不考虑,因此有一些仿真结果和测量之间的不一致性。然而,我们的仿真结果显示高的总体倾向实证测量结果相似:它可以观察到两个传播区域存在不同的衰落特性模拟和测量。然而,更多的测量是必要的调查机制的细节导致观察到的“断点”效应。

5。结论

本文测量运动致力于描述AG)介绍了渠道。我们注意到,地面附近的复杂散射中扮演重要角色的描述传播渠道。多个不同位置进行测量,测量结果表明,通道的分析显示一个明显的依赖的高度而不是仰角或距离。路径损耗已经建模和小规模衰落了。路径损耗指数显示通道的高度依赖是以前很少研究。衰落的行为显然是杰出的不同范围的高度,因此一个height-dependent Rician因子模型,提出了将有用的无人机信道的建模和无人机的性能分析等无线通信系统信道容量和吞吐量。

传播通道的一个有趣的变化后,所谓的“断点”,和一个线性几何仿真。然而,越来越多的测量在不同场景下需要准确地调查的底层机制“断点”,这被认为是用于引导无人机高度找到最佳的沟通,以避免深衰落飞过时给定的环境。

信息披露

这项工作是当z秋和x楚访问芬欧蓝之间的双硕士学位项目的一部分马德里大学同济大学和技术支持的中国学术委员会(CSC)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作的框架下开发启用5 g tec2014 - 55735 c3 - 2 r由西班牙经济和竞争力,共同支持的重点项目“5 g Ka频带和高和低频段合作跟踪系统研究与开发”在2016年授予zx03001015中国工业和信息化部和中国国家自然科学基金一般项目资助61471268。

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