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无人机MIMO通信系统非平稳信道模型研究

无人机MIMO通信系统非平稳信道模型研究

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作者：贾昊霖桂林电子科技大学

学位级别：硕士

随着无线通信技术的快速发展,无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)已被应用在军事、农业和日常生活中各个方面,无人机通信链路研究已成为研究的热点。通信链路的特性决定了无人机通信系统的性能,如传输容量、误码率、吞吐量等。无人机... 详细信息

随着无线通信技术的快速发展,无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)已被应用在军事、农业和日常生活中各个方面,无人机通信链路研究已成为研究的热点。通信链路的特性决定了无人机通信系统的性能,如传输容量、误码率、吞吐量等。无人机作业时,由于电磁波直射、反射和散射等相互作用,时刻受到障碍物以及自身运动的影响,通信系统质量往往无法得到保证。而多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)技术能够实现空分复用,在UAV上配置MIMO技术不仅可以提高系统的信道容量,而且还可以改进数据传输速率。信道模型是准确描述信号传播特性和系统性能分析的基础,因此,建立合适的无人机信道模型对UAV-MIMO通信系统应用至关重要。由于UAV、散射体和陆地移动基站(terrestrial mobile station,TMS)都是运动的,UAV-MIMO信道的传播特性是一个非平稳的过程。为了能够精确的描述实际环境中的UAV信道传播属性,研究非平稳的UAV-MIMO信道模型是必不可少的。本文研究了UAV-MIMO信道的时变传播特性(如,时变距离参数、时变方位角和时变仰角参数),提出了非平稳的三维(three-dimensional,3-D)UAV-MIMO信道模型,其中包括基于球面波的和平面波的非平稳的3-D UAV-MIMO信道模型。本文主要如下工作:(1)基于平面波假设的非平稳3-D UAV-MIMO信道模型本文首先考虑散射体的远场效应,提出了一种基于平面波假设的非平稳3-D UAV-MIMO信道模型。考虑了静止的散射体和运动的散射体,并假定了运动散射体和TMS有着相似的高度,分别采用3-D圆柱体和二维(Two-dimensional,2-D)圆环来模拟静止和运动散射体。为了描述运动散射体的随机分布特性,本文假定运动的散射体非均匀的分布在2-D圆环内部;其次,考虑了UAV、散射体和TMS运动方向和运动速度对3-D UAV-MIMO信道传播特性的影响,并采用时变参数,如:接收端和散射体之间的时变距离、时变离开方位角和时变仰角、时变多普勒频率,来描述3-D UAV-MIMO信道的非平稳特性;最后,得到了所提信道模型的空时相关性函数,并详尽的分析了散射体的动态特性对所提信道模型统计特性的影响,并通过测量数据验证了所提信道模型的合理性。(2)基于球面波假设的非平稳3-D UAV-MIMO信道模型考虑了散射体的近场效应,提出了一种基于球面波假设的非平稳3-D UAV-MIMO信道模型。首先,考虑了TMS周围的静止散射体和运动散射体,采用3-D圆柱体和3-D球体的表面积描述静止和运动的散射体,本文假定经散射体的方位角和仰角相互独立,并分别采用von Mises概率密度函数(probability density function,PDF)和Laplacian PDF描述方位角和仰角的分布情况;其次,为了精确的描述3-D UAV-MIMO信道的非平稳特性,本文采用了3-D向量形式描述UAV和TMS之间的时变距离、时变方位角和时变仰角参数;最后,得到了所提信道模型的空时相关性函数,为了验证所提3-D UAV-MIMO信道模型的有效性,本文采用3-D UAV-MIMO信道模型的空间相关性函数和测量数据比对,数值结果表明了所提出的信道模型可以更加真实的描述3-D UAV-MIMO信道的实际传播环境。基于数据对比分析表明,本文提出的两种非平稳信道模型假设,能够更加真实描述3-D UAV-MIMO信道模型。

关键词：无人机运动散射体静止散射体平面波假设球面波假设时变参数非平稳性信道

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