《電子技術(shù)應(yīng)用》
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110 GHz頻段山地?zé)o人機(jī)視距通信概率及傳播損耗研究
電子技術(shù)應(yīng)用
丁鵬輝1，王青旺1，楊璐2，顧業(yè)博1，劉家州3，李宏偉1，宋健1
1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院；2.國家國防科工局新聞宣傳中心； 3.中國電子科學(xué)研究院
摘要： 利用射線追蹤法建立了基于視距概率的無人機(jī)毫米波信道模型，并針對路徑損耗進(jìn)行了雙斜率模型分析，闡述了視距概率的建模過程并進(jìn)行了模型參數(shù)分析。由于地形遮擋等環(huán)境的影響，損耗較大的反射和繞射路徑致使信號的接收強(qiáng)度在突變點前后波動較大，導(dǎo)致單斜率擬合模型不再適用。因此利用線性回歸分別在兩種地形下對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了單斜率和雙斜率接收功率模型的擬合。結(jié)果表明雙斜率接收功率模型比單斜率模型的擬合效果更好，兩種模型在地形更平坦區(qū)域擬合的精確度更高。
中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245109
中文引用格式： 丁鵬輝，王青旺，楊璐，等. 110 GHz頻段山地?zé)o人機(jī)視距通信概率及傳播損耗研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(7)：39-45.
英文引用格式： Ding Penghui，Wang Qingwang，Yang Lu，et al. Study of UAV line-of-sight communication probability and propagation loss for mountain in 110 GHz band[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(7)：39-45.
Study of UAV line-of-sight communication probability and propagation loss for mountain in 110 GHz band
Ding Penghui1，Wang Qingwang1，Yang Lu2，Gu Yebo1，Liu Jiazhou3，Li Hongwei1，Song Jian1
1.School of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology；2.News and Propaganda Center of the State Administration of Science， Technology and Industry for National Defense；3.China Academy of Electronic Sciences
Abstract： This paper establishes a millimeter-wave channel model for unmanned aerial vehicles based on line-of-sight probability using the ray tracing method, and a double-slope model analysis is carried out for path loss. This paper describes the modeling process of line-of-sight probability and carries out model parameter analysis. Due to the influence of terrain occlusion and other environments, the reflection and bypassing paths with large losses cause the received strength of the signal to fluctuate greatly before and after the mutation point, which makes the single-slope fit model no longer applicable. Therefore, this paper uses linear regression to fit the single-slope and double-slope received power models to the simulation data under two types of terrain, and analyzes the fitting effect of the two models. The results show that the dual-slope received power model fits better than the single-slope model, and the two models have higher fitting accuracy when the terrain is more flatten.
Key words : UAV；millimeter wave communication；probability of line of sight；propagation loss；double slope model；ray tracing

引言

針對第六代(6G)移動通信的新需求和新挑戰(zhàn)，無線網(wǎng)絡(luò)正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)向天空地海一體化網(wǎng)絡(luò)的重大轉(zhuǎn)變。毫米波通信利用該頻段豐富的頻譜資源來滿足動態(tài)通信場景中低延遲和大容量的傳輸需求，如高清視頻傳輸、大數(shù)據(jù)分析等[1]。

在毫米波信道的研究中，已經(jīng)有大量文獻(xiàn)針對28 GHz、60 GHz和73 GHz這些典型頻率進(jìn)行了廣泛的測量活動以表征傳播信道[2-5]，主要集中在辦公室[2]、校園[3]和城市[4-5]等場景。目前研究人員開始重點關(guān)注100 GHz以上的頻率[6-7]。高頻段的電磁波在傳輸過程中更容易被環(huán)境中的物體和地形遮擋，很大程度限制了毫米波技術(shù)在實際場景中的應(yīng)用。低空經(jīng)濟(jì)是未來的重要發(fā)展趨勢，在低空經(jīng)濟(jì)中，無人機(jī)作為一種靈活、高效的空中工具，將在多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，如物流配送、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、應(yīng)急救援等。當(dāng)前，無人機(jī)通信技術(shù)面臨著諸多難題，例如頻譜資源有限、通信距離短、抗干擾能力差等。為了克服這些問題，亟需在無人機(jī)通信領(lǐng)域進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的突破。其中，無人機(jī)毫米波通信技術(shù)可以提供更快、更穩(wěn)定的通信連接，適應(yīng)復(fù)雜多變的低空環(huán)境[8]。近年來，由于無人機(jī)快速靈活的部署特點，無人機(jī)空地信道傳播特性的研究[8-10]在相關(guān)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。特別是在山地環(huán)境中，由于地形復(fù)雜性和傳播條件的不確定性，無人機(jī)毫米波通信技術(shù)面臨著更大的挑戰(zhàn)，針對山地場景下的無人機(jī)毫米波信道建模的研究具有重要的理論和應(yīng)用意義。

視距（Line of Sight, LoS）概率的建模方法，分別對應(yīng)信道建模方法中的經(jīng)驗方法、確定性方法和隨機(jī)幾何方法。基于幾何的隨機(jī)模型(GBSM)可以提供一種簡單、通用的概率估計模型[11-13]。這種模型依賴于環(huán)境中物體的空間排列，預(yù)測無人機(jī)與用戶之間的直線是否被阻塞?；谛诺罍y量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^對測量數(shù)據(jù)的擬合得到了視距概率，可以為特定的真實環(huán)境提供準(zhǔn)確的結(jié)果[14-15]。然而，這些模型需要進(jìn)行廣泛的現(xiàn)場測量，并且結(jié)果很難擴(kuò)展到不同的場景中。射線追蹤作為一種確定性方法，可以通過數(shù)字高程地圖（Digital Elevation Model, DEM）構(gòu)建真實環(huán)境進(jìn)行大量仿真來獲得LoS概率[4,16-17]。Lee等人[4]使用射線追蹤（Ray Tracing,RT）方法模擬了不同T-R距離下的LoS、非視距（Non Line of Sight, NLoS）和通信中斷的概率。Koivum?ki等人[16]提出了一種以算法形式來評估最低概率的模型，并利用射線追蹤獲得的真實城市場景中的LoS概率驗證了該算法。Saboor等人[17]分別提出了一種基于射線追蹤和一種基于幾何的模擬器來估計三維城市環(huán)境中的LoS概率，并推廣到任意的城市布局環(huán)境中。RT方法的優(yōu)勢在于其真實性和精確性，對計算精度和計算量的要求相對較高，隨著計算機(jī)水平的發(fā)展，該問題得到了有效解決。因此，本文結(jié)合RT方法和經(jīng)驗公式，使用廣泛的RT模擬代替測量數(shù)據(jù)。

山地地形的特點是地面高度不均勻，同時地形高度的標(biāo)準(zhǔn)差較大。丘陵和山區(qū)的傳播損耗主要遵循雙射線模型并根據(jù)表面粗糙度進(jìn)行調(diào)整[8]。但目前針對雙斜率模型的研究主要集中在城市和校園等場景。其中，Lee等人[4]對大田區(qū)域進(jìn)行了28 GHz的信道建模和測量，提出了基于射線跟蹤原理的不同臨界距離的雙斜率模型，研究發(fā)現(xiàn)該模型對NLoS數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果更接近測量值。Hur等人[5]比較了紐約大學(xué)校園和大田區(qū)域的信道測量結(jié)果，并對同一區(qū)域進(jìn)行了射線追蹤模擬。此外，他們還提出了雙斜率路徑損耗模型，為城市街道環(huán)境下的傳播測量提供了更佳的擬合效果。Wang等人[18]探討了2.4 GHz頻段無線信號在三種不同戶外環(huán)境的近地面?zhèn)鞑バ阅?，結(jié)果證明雙斜率模型在預(yù)測精度上要優(yōu)于單斜率模型。


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作者信息：

丁鵬輝1，王青旺1，楊璐2，顧業(yè)博1，劉家州3，李宏偉1，宋健1

（1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500；

2.國家國防科工局新聞宣傳中心，北京 100048；

3.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041）


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