国家自然科学基金项目
毫米波频段空对空无人机通信信道建模研究
基本信息
项目批准号：62101311
申请代码：F0103
项目名称：毫米波频段空对空无人机通信信道建模研究
项目负责人：边际
依托单位：山东师范大学
研究期限：2022-01-01 至 2024-12-31
资助经费：30.0（万元）
中文摘要：
未来移动通信系统将支持空天地海一体化的全球覆盖，这将依赖于无人机等通信技术的应用。准确高效的信道模型是移动通信系统设计、性能评估及测试的基础。然而到目前为止，针对空对空场景的无人机信道特性仍未充分探索，至今仍未出现受到广泛认可的空对空无人机信道模型，极大限制了无人机通信技术的发展。本项目拟开展毫米波频段空对空无人机信道测量和射线追踪，获得信道镜面反射分量(SC)和密集多径分量(DMC)参数及位置分布，研究多径参数及数目随时间和频率的大范围演进规律；估计信道的平稳时间和平稳带宽，获得关键统计特性；建立能够体现SC和DMC特征，覆盖6-40GHz频率范围，支持无人机任意轨迹变速运动的空对空无人机几何随机信道模型。从多径参数、信道统计特性、信道容量层面评估和验证模型的可靠性。最终形成空对空无人机信道测量、参数提取、特性分析及建模完整理论框架，为未来无人机通信技术的研发、测试提供理论和技术支撑。
英文摘要：
The future mobile communication systems are expected to provide space-air-ground-sea integrated and ubiquitous global coverage, which depends on the deployment of communication technologies, such as unmanned aerial vehicle (UAV) communications. Accurate and efficient channel models are the basis of design, performance evaluation, and testing of mobile communications systems. At present, air-to-air (A2A) propagation channel is insufficiently studied. A widely-recognizable A2A channel model is still missing, which impedes the development of UAV communication technologies. In this project, A2A channel measurements at millimeter wave (mmWave) bands will be conducted. Parameters and spatial distributions of specular components (SCs) and dense multipath components (DMCs) of A2A channels will be estimated. The time and frequency evolutions of multipath components (MPCs) will be researched. The stationary time, stationary bandwidth, and key statistics will be estimated. A geometry-based stochastic model (GBSM) for A2A scenario will be developed, which supports SC and DMC modeling, 6-40 GHz frequency range, time-varying speed and arbitrary trajectories of the UAV. Furthermore, the proposed model will be validated by measurement data in terms of MPC parameters, channel statistics, and channel capacity. Finally, a theoretical framework of A2A channel measurement, parameter extraction, characteristic analysis, and modeling will be established, which can provide theoretical and technical supports for design and testing of future UAV communication technologies.
结题摘要
无人机通信因其价格低廉、机动灵活等特点，在应急救援、环境监测、物流配送等领域发挥着重要作用。此外，无人机通信在智能城市、物联网、自动驾驶等前沿技术中也扮演着至关重要的角色。作为未来泛在融合信息网络的核心技术之一，无人机通信正迅速发展，展现出广泛的应用潜力。准确高效的信道模型是每一代移动通信系统研究的核心内容，也是通信技术评估、系统设计和网络部署的基础。本项目针对无人机通信场景，建立了一个涵盖多频段、多场景的无人机信道数据库，并开发了多个空对空(地)信道模型。项目组深入研究了无人机飞行高度、系统频段及不同传输环境对信道中的反射和漫散射成分的影响，获得了关键的信道特性，如空时相关函数，多普勒功率谱密度等。这些研究为全面理解无人机通信信道的行为和特性提供了有力支持。随着天线数量的增加，信道在阵列域表现出非平稳性，导致收发端信号处理的复杂度显著提高。为此，团队采用可视域方法对信道阵列的非平稳性进行了建模，建立了无人机波束域信道模型。研究表明，阵列的非平稳性导致不同方向上的波束宽度和空间分辨率不再一致，这增加了功率泄漏，提高了信道元素之间的相关性，进而降低了波束域信道的容量。此外，通过融合Transformer架构和条件生成对抗网络（CGAN），将信道建模转化为信道参数分布学习问题，建立了无人机通信信道生成模型。该模型能够生成与真实信道分布高度一致的多径参数，相较于现有模型，具有更高的准确性和灵活性。本项目的研究成果不仅推动了无人机通信信道模型的标准化进程，还为6G空天地海一体化通信系统中的关键技术提供了重要的理论支持和技术保障。
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