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融合卫星姿态的星地信道建模及硬件模拟

信号处理 2024年第6期40卷 1019-1029页

作者：周强军吕崇玉陈小敏华博宇台鑫朱秋明南京航空航天大学电磁频谱空间认知动态系统工业与信息化部重点实验室江苏南京211100 中电科思仪科技股份有限公司山东青岛266555

针对传统星地信道模型及其硬件模拟方法没有考虑卫星姿态对信道特性影响的问题,本文基于几何地理随机模型(Geometry-based Stochastic Model,GBSM)框架,提出了一种融合卫星姿态的星地信道模型。该模型通过构建四个独立的坐标系并引入姿... 详细信息

针对传统星地信道模型及其硬件模拟方法没有考虑卫星姿态对信道特性影响的问题,本文基于几何地理随机模型(Geometry-based Stochastic Model,GBSM)框架,提出了一种融合卫星姿态的星地信道模型。该模型通过构建四个独立的坐标系并引入姿态修正矩阵,来描述卫星姿态变化对星地信道特性造成的影响。在此基础上,本文基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA),设计并研制了一种星地信道硬件模拟器。硬件模拟器采用差分迭代的算法来生成信道衰落因子,可以极大提高硬件模拟的实时性,确保生成的衰落数据与实际场景相匹配。同时,还采用了并行处理架构,可以支持最大640 MHz带宽的星地信道模拟。为了将衰落数据与并行架构相匹配,引入了并行内插算法,可以将串行的衰落数据内插成同速率的多路并行衰落数据。此外,为了能够精准控制硬件装置输出信号的功率,设计了基于预训练的功率校正方法。通过内部校正源信号预先训练出整个模拟过程给信号带来的增益再进行功率补偿,从而保证输出信号的功率可以被精准控制。最后,在典型场景下开展仿真模拟,导出硬件模拟器的输出结果并分析其统计特性,结果表明实测输出的概率密度函数(Probability Density Function,PDF)和多普勒功率谱密度(Doppler Power Spectral Density,DPSD)与理论值吻合,证明本文设计的硬件模拟器可以准确地复现实际场景下卫星姿态发生变化的星地信道。本文提出的融合卫星姿态的星地信道模型以及研制的硬件模拟器很好地解决了传统模型以及硬件模拟方法的局限性,在卫星通信系统的优化、评估和验证环节具有极大的潜在价值。

关键词：星地信道模型信道模拟姿态修正矩阵多普勒功率谱

A Realistic 3D Non-Stationary Channel Model for UAV-to-Vehicle Communications Incorporating Fuselage Posture

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China Communications 2023年第6期20卷 277-290页

作者： boyu hua Tongtong Zhou Qiuming Zhu Kai Mao Junwei Bao Weizhi Zhong College of Electronic and Information Engineering Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016China National Mobile Communications Research Laboratory Southeast UniversityNanjing 210096China College of Physics Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016China College of Astronautics Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016China

Considering the unmanned aerial vehicle(UAV) three-dimensional(3D) posture, a novel 3D non-stationary geometry-based stochastic model(GBSM) is proposed for multiple-input multipleoutput(MIMO) UAV-to-vehicle(U2V) channels. It consists of a line-of-sight(Lo S) and non-line-of-sight(NLo S) components. The factor of fuselage posture is considered by introducing a time-variant 3D posture matrix. Some important statistical properties, *** temporal autocorrelation function(ACF) and spatial cross correlation function(CCF), are derived and investigated. Simulation results show that the fuselage posture has significant impact on the U2V channel characteristic and aggravate the non-stationarity. The agreements between analytical, simulated, and measured results verify the correctness of proposed model and derivations. Moreover, it is demonstrated that the proposed model is also compatible to the existing GBSM without considering fuselage posture.

关键词： channel model unmanned aerial vehicle non-stationary fuselage posture

A general altitude-dependent path loss model for UAV-to-ground millimeter-wave communications

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Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering 2021年第6期22卷 767-776页

作者： Qiuming ZHU Mengtian YAO Fei BAI Xiaomin CHEN Weizhi ZHONG boyu hua Xijuan YE The Key Laboratory of Dynamic Cognitive System of Electromagnetic Spectrum Space College of Electronic and Information EngineeringNanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 211106China State Key Laboratory of Integrated Services Networks Xidian UniversityXi’an 710000China The Key Laboratory of Dynamic Cognitive System of Electromagnetic Spectrum Space College of AstronauticsNanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 211106China

A general empirical path loss(PL) model for air-to-ground(A2 G) millimeter-wave(mm Wave) channels is proposed in this paper. Different from existing PL models, the new model takes the height factor of unmanned aerial vehicles(UAVs) into account, and divides the propagation conditions into three cases(i.e., line-of-sight, reflection,and diffraction). A map-based deterministic PL prediction algorithm based on the ray-tracing(RT) technique is developed, and is used to generate numerous PL data for different cases. By fitting and analyzing the PL data under different scenarios and UAV heights, altitude-dependent model parameters are provided. Simulation results show that the proposed model can be effectively used to predict PL values for both low-and high-altitude *** prediction results of the proposed model better match the RT-based calculation results than those of the Third Generation Partnership Project(3 GPP) model and the close-in model. The standard deviation of the PL is also much smaller. Moreover, the new model is flexible and can be extended to other A2 G scenarios(not included in this paper) by adjusting the parameters according to the simulation or measurement data.

关键词： Path loss UAV-to-ground channel Millimeter-wave(mm Wave)communication channel Ray-tracing Altitude-dependent

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无人机毫米波信道建模进展和挑战

数据采集与处理 2020年第6期35卷 1049-1059页

作者：朱秋明华博宇毛开仲伟志陈小敏周彤彤南京航空航天大学电磁频谱空间认知动态系统工业和信息化部重点实验室南京211106 南京航空航天大学电子信息工程学院南京211106 南京航空航天大学航天学院南京211106

无人机毫米波通信技术结合无人机和毫米波的优势,提供高速数据传输和广域网络覆盖能力,在军用通信系统中拥有广阔的应用前景。精确的信道模型是无人机毫米波系统设计和性能评估的重要理论基础。不同于传统移动通信场景,无人机通信信道... 详细信息

无人机毫米波通信技术结合无人机和毫米波的优势,提供高速数据传输和广域网络覆盖能力,在军用通信系统中拥有广阔的应用前景。精确的信道模型是无人机毫米波系统设计和性能评估的重要理论基础。不同于传统移动通信场景,无人机通信信道具有明显的三维传播特征,构建模型需要考虑包括三维散射空间、三维飞行轨迹及姿态、三维阵列天线和三维窄波束等多种因素。本文首先总结了无人机毫米波信道建模的新需求和挑战,并详细阐述了无线信道建模方法以及现有信道模型的研究进展,最后给出了信道建模的发展方向及关键技术,旨在为无人机毫米波信道模型的科学构建和标准化等研究提供参考。

关键词：信道模型无人机毫米波三维传播

面向5G无人机通信场景的传播路径概率预测模型

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电波科学学报 2023年第1期38卷 54-62页

作者：庞明慧台鑫吕崇玉朱秋明华博宇李茁南京航空航天大学电磁频谱空间认知动态系统工业与信息化部重点实验室南京211106 中电科思仪科技股份有限公司青岛266555 南京航空航天大学雷达成像与微波光子学教育部重点实验室南京211106

面向5G无人机空地场景中快速变化的飞行高度和散射环境导致传播路径呈现动态生灭,路径概率预测对于描述动态生灭进而构建准确的空地信道模型至关重要.本文假设城市场景的建筑物位置服从泊松分布,综合考虑物理环境的随机几何信息以及菲... 详细信息

面向5G无人机空地场景中快速变化的飞行高度和散射环境导致传播路径呈现动态生灭,路径概率预测对于描述动态生灭进而构建准确的空地信道模型至关重要.本文假设城市场景的建筑物位置服从泊松分布,综合考虑物理环境的随机几何信息以及菲涅尔传播区域等因素,建立了无人机对地视距(line-of-sight, LoS)路径概率的预测模型,该模型适用于不同飞行高度和通信频率.在此基础上,利用反射路径镜像的原理,推导获得了地面反射(ground specular, GS)路径概率的预测模型.仿真和分析结果表明,本文提出的LoS和GS路径概率模型在不同高度和频点与基于海量射线追踪仿真方法的平均预测结果表现出良好的一致性.此外,LoS路径概率模型在低空场景下的预测结果与现有标准化模型结果也吻合.

关键词：空地信道路径概率统计模型菲涅尔区射线跟踪

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快速时变场景下非平稳衰落信道建模仿真

电信科学 2020年第5期36卷 56-64页

作者：华博宇朱秋明何小祥毛开南京航空航天大学电子信息工程学院江苏南京211106

针对高速列车、无人机、车联网等快速时变通信场景下信道呈现非平稳性的问题,提出一种改进的信道建模仿真方法。通过引入积分项和随机偏移,该方法良好再现时变散射环境下的非平稳信道,同时保证各散射支路的独立性。数值仿真结果表明,改... 详细信息

针对高速列车、无人机、车联网等快速时变通信场景下信道呈现非平稳性的问题,提出一种改进的信道建模仿真方法。通过引入积分项和随机偏移,该方法良好再现时变散射环境下的非平稳信道,同时保证各散射支路的独立性。数值仿真结果表明,改进方法模拟的信道统计特性(如概率密度函数、自相关函数和多普勒功率谱密度)与理论值吻合良好。因此,该方法在未来高速移动场景的无线信道建模仿真和通信系统性能评估中具有潜在价值。

关键词：信道仿真非平稳信道时变场景复谐波叠加

基于QuaDRiGa的无人机非平稳信道模型

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数据采集与处理 2023年第2期38卷 304-313页

作者：倪浩然华博宇王满喜朱秋明周彤彤鲍军委南京航空航天大学电磁频谱空间认知动态系统工业和信息化部重点实验室南京211106 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室洛阳471003 南京航空航天大学物理学院南京211106

为了解决无人机信道模型非平稳参数空时不连续的问题,提出了一种支持三维运动及姿态旋转的无人机非平稳几何随机模型,用于描述和模拟无人机对地多输入多输出通信信道的真实特性。该模型借鉴QuaDRiGa中的“准确定性”思想,基于收发端拓... 详细信息

为了解决无人机信道模型非平稳参数空时不连续的问题,提出了一种支持三维运动及姿态旋转的无人机非平稳几何随机模型,用于描述和模拟无人机对地多输入多输出通信信道的真实特性。该模型借鉴QuaDRiGa中的“准确定性”思想,基于收发端拓扑关系更新时变信道参数,考虑路径生灭概率改进信道功率计算方法,引入姿态相位矩阵描述无人机姿态旋转,以实现无人机非平稳信道参数的平滑演进。数值仿真结果表明,本文提出模型能够保证功率和角度等参数的平滑演进,输出信道的自相关函数具有非平稳性且受无人机姿态影响显著,可用于无人机通信系统设计和算法优化等领域。

关键词：无人机信道模型非平稳信道平滑演进姿态相位矩阵

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面向车联网场景的无线信道教学仿真实验设计

实验技术与管理 2023年第2期40卷 85-91页

作者：华博宇倪浩然朱秋明陈小敏鲍军委周彤彤南京航空航天大学电子信息工程学院江苏南京211106 南京航空航天大学物理学院江苏南京211106

车联网场景中的车-车通信已成为第5代移动通信技术的关键应用之一。针对车联网场景下车-车信道知识理论性强且描述抽象的问题,设计了基于MATLAB软件平台及FPGA硬件开发板的无线信道教学仿真实验,帮助学生直观理解车-车信道的基本原理。... 详细信息

车联网场景中的车-车通信已成为第5代移动通信技术的关键应用之一。针对车联网场景下车-车信道知识理论性强且描述抽象的问题,设计了基于MATLAB软件平台及FPGA硬件开发板的无线信道教学仿真实验,帮助学生直观理解车-车信道的基本原理。提出的实验采用QuaDRiGa信道模型框架及改进后的信道参数计算方法,能够复现出更真实的多普勒相位,从而获得连续的车-车信道输出。通过将收发端轨迹、散射簇分布及信道统计特性可视化呈现,仿真实验可清晰展示不同运动模式及通信场景下的信道差异。教学实践表明,学生能够从多普勒域及时延域分别观察车-车信道统计特性的输出,为学习车联网场景无线通信系统奠定坚实基础。

关键词：无线信道车联网场景车-车信道实验设计

YANG-BAXTER EQUATION, ALGEBRAS AND BRAID GROUP FOR THE Zn-SYMMETRIC STATISTICAL MODEL

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Chinese Physics Letters 1990年第8期7卷 337-340页

作者： WEI hua HOU boyu Institute of Modern Physics Northwest UniversityXian710069

For the Zn-symmetric statistical model the Yang-Baxter equation and the equations for the operator representations is reduced to explicit spectroparameter-independent forms,and the quantum algebra for the representations is ***,we present some elliptic representations of braid group,which include a new trigonometric representation as degenerated case.

关键词： algebra elliptic symmetric