可重构智能表面辅助的V2I通信系统联合波束赋形算法

为解决基于信道先验知识的联合波束赋形方法受限于多变的车辆与交通基础设施(V2I)通信场景且信道估计开销过大等问题,该文结合环境态势感知,提出一种基于无线传播链路预测的联合波束赋形方法。该方法首先利用射线追踪模拟器构建了可重构智能表面(RIS)辅助的V2I毫米波通信系统模型,通过改变环境态势以获取多样的无线传播链路数据来构建数据集。其次,使用该数据集训练基于机器学习的无线传播链路预测模型。最后,在最大发射功率约束条件下,构建了联合波束赋形问题模型,并基于预测结果采用交替迭代优化方法(AIOA)优化基站波束赋形矩阵和RIS相移矩阵,以实现同步通信车辆用户最小信干噪比(SINR)的最大化。仿真结果验证了该方法的有效性,通过引入非信道先验知识驱动,降低了信道探测开销,提高了该方法在V2I场景中的可行性。

无线信道衰落FPGA模拟实验教学研究

无线信道衰落是通信理论教学中的重要内容。针对通信类课程中随机信道知识较为抽象、传统教学方法难以理解的问题,基于现场可编程逻辑阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)为核心的硬件平台开发了实时模拟、观测各种信道衰落和噪声的实验系统。学生通过该实验系统可直观感受信道对传输信号产生的失真影响,有利于其理解无线信道随机理论。学生通过硬件动手操作和FPGA编程调试,有效增强了工程实践能力与创新能力。

车联网频谱捷变机制研究

随着自动驾驶及道路安全通告等应用的发展与普及,车联网频谱资源变得越来越稀缺,而用频需求以及车联网频谱资源本身的动态性导致了现有频谱固定使用模式的低效.本文对车联网频谱捷变机制进行研究,提出了一个车联网频谱捷变架构,讨论了架构里所包含的车辆分组协议与频谱智能决策协议,同时,使用EXata仿真软件对所提频谱机制进行了评估.仿真结果证明了本文所提的车联网频谱捷变机制是有效的,可以根据实时频谱态势进行智能决策,及时地对频谱资源进行调整,从而解决频谱拥塞和干扰等问题,极大地提高频谱利用效率.

基于无人机的空地信道特性测量系统

随着各种飞行器和通信一体化的发展,对空地信道特性的研究变得愈发重要且迫切。针对空地通信场景,本文研制了一套由无人机发射单元和地面接收单元组成的无人机空地信道测量系统。该系统选取具有平坦功率谱特性和大动态范围的ZC序列作为测量序列,利用硬件实现实时提取信道冲激响应(Channel Impulse Response,CIR),并通过采样偏差恢复、系统响应校正等方式,提高信道测量系统的准确性。实测验证结果表明,本文研制的信道测量系统与信道模拟器模拟结果和射线跟踪(Ray Tracing,RT)仿真结果基本一致。最后,开展了校园场景空地实测活动,分析了该场景路径损耗(Path Loss,PL)、莱斯K因子、均方根时延扩展(Root Mean Square-Delay Spread,RMS-DS)等信道特性。

面向频谱测绘任务的多无人机协同航迹规划方法

针对非合作环境下的传统频谱地图测绘方法中存在的低精度、低效率问题,本文提出了一种基于人工势场法的多无人机协同航迹规划方法。首先,构建了多无人机协同测绘方案及优化目标;然后,通过多无人机的预先航迹规划完成对环境的初步感知,并基于感知信息提出基于人工势场法的多无人机协同航迹参数设计方法;之后,基于设计的参数及采集的数据完成航迹的再规划,从而有效规避多无人机飞行过程中可能存在的重复采集数据及无人机之间发生碰撞等问题。仿真结果表明,相比与传统单无人机航迹规划方法,本文所提航迹规划方法能够高效、高精度、安全地完成测绘任务,所得结果满足了多架无人机协同飞行要求,具有较强的理论与实用价值。

基于生成对抗网络的天线三维方向图室外测量方法

天线方向图测量是天线测量的重要内容。针对天线方向图室外测量困难的问题,提出了一种基于生成对抗网络的天线三维方向图室外测量方案。该方案利用无人机对天线方向图数据进行采集,对采集的数据进行修正,获得待测天线和接收天线极化匹配时的直射径数据,最后利用训练好的生成对抗网络重构出天线的三维方向图。仿真结果表明,本方案可以高效、高精度地完成天线三维方向图的测量,具有一定的实用价值。

机舱环境5G信道传播模型及信号覆盖研究

针对机舱无线通信覆盖不全面、速度慢、不稳定等问题,该文基于射线跟踪方法构建了机舱环境第5代移动通信技术(5th generation mobile communication technology,5G)信道模型,并分析了信号覆盖能力及信道参数特性。首先,利用三角面元对真实的机舱环境进行三维几何重构,以降低射线跟踪方法获取信道参数的复杂度;然后,结合分簇算法构建5G信道传播模型,进而分析了机舱环境下5G信号覆盖和通信性能。仿真分析结果表明,簇功率偏移和簇时延偏移服从高斯分布,簇到达方位角和簇到达俯仰角偏移服从拉普拉斯分布,同时发现,机舱环境中的密集散射体是影响5G信号覆盖范围的关键因素。上述结论可用于机舱环境5G基站的无线通信信号覆盖预测和多径参数评估等领域。

融合卫星姿态的星地信道建模及硬件模拟

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。

可扩展多输入多输出信道高效模拟器研制

针对现有信道模拟器通道规模受限、扩展性差等缺陷,设计实现了一种可扩展的多输入多输出(multiply-input multiply-output, MIMO)信道高效模拟器。该模拟器采用改进的坐标旋转数字计算(coordinate rotation digital computer, CORDIC)算法,只需较少硬件资源便可实现大规模多支路的随机信道衰落精确模拟。基于MIMO信道离散化模型提出了一种可扩展的硬件模拟架构,并结合现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)的并行处理优势,进行硬件实现及实测验证。针对3GPP标准扩展车载A信道模型(extended vehicular A model, EVA)静态场景和时变场景的实测结果表明,所研制的MIMO信道模拟器输出时延功率谱和多普勒功率谱等统计特性均与理论值吻合,可用于无线通信设备的方案验证、算法优化和性能分析。

无人机毫米波信道测量与建模研究综述

无人机毫米波通信具有灵活性高、传输速率快、频谱资源丰富等优点,在军用和民用通信领域拥有广阔的应用前景。信道实际测量和精确构建符合真实场景的信道模型是无线通信技术的理论基础,也是无人机毫米波通信系统的优化设计和性能评估的关键。首先总结了无人机毫米波信道测量与建模面临的新需求和挑战,并对当前国内外最新研究进展进行分类阐述和分析比较,最后讨论了无人机信道模型未来发展的趋势和潜在的应用场景。

无人机空对地毫米波通信路径损耗预测

针对无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)空对地毫米波通信经历的复杂传播环境,综合考虑室内、室外和雨衰等多种影响因素,建立了一种UAV空对地复合传播路径损耗的预测模型。该模型采用楼房密度和高度参数描述城市、郊区和乡村等不同场景,结合UAV高度计算视距(line-of-sight, LoS)路径的出现概率,并获得UAV空对地传播损耗的统计平均值。针对大学校园中不同距离和高度的场景,利用射线跟踪理论分析方法对本文预测模型进行仿真验证。结果表明,该方法获得的统计预测结果与特定场景下射线跟踪确定的计算结果在3种高度下的最大误差分别为5.2 dB、4.8 dB和7.2 dB,说明所提方法可用于城市、郊区和乡村等场景UAV空对地毫米波传播损耗的预测及通信系统性能评估。

无人机毫米波信道建模及统计特性研究

针对传统移动信道模型不适用于无人机毫米波通信场景的问题,本文基于射线追踪原理构建了一个无人机毫米波三维几何信道模型,并提出了一种针对该模型的信道参数更新算法,该算法考虑了通信距离、信号角度、路径时延和功率等传播参数的随时间演进过程。在此基础上,针对南京航空航天大学校园传播场景,研究分析了时延分布、时延扩展、角度分布和角度扩展等信道统计特性。数值仿真结果表明,本文模型能够有效复现无人机信道的时变非平稳特性,输出信道统计特性与实测结果吻合,可用于无人机毫米波通信系统的方案设计、性能优化和评估验证等领域。

短波通信传播路径损耗分段预测方法

针对短波通信在不同通信距离具有完全不同的传播机制问题,综合考虑短波信号受电离层反射、地面吸收等环境因素的影响,建立了一个包含传播损耗、阴影衰落、多径衰落和多径时延的短波分段信道模型。在此基础上,根据短波信号在天波段和地波段的传播特性,分别研究了信道模型在相应传播距离内的传播损耗参数计算方法,以及短波电台无法正常通信的盲区范围。数值仿真结果表明,本文损耗预测结果能够体现不同传播模式下的变化情况,并与ITU实测结果基本吻合。该结论可为短波通信系统性能评估、抗干扰能力预测和通信方案优化等提供理论参考。

基于射线跟踪的空地毫米波传播损耗预测

传统毫米波传播损耗模型假设收发端天线高度比较低,不直接适用于空地传输场景,本文基于射线跟踪原理提出了一种空地场景下毫米波通信的传播损耗统计模型。该模型推导分析了视距、反射、绕射和无信号四种不同传播情况的路径概率,并综合考虑了环境、频率、距离和天线高度等因素对路径损耗的影响。仿真分析结果表明,本文模型对不同场景和传播高度都具有良好的适用性,对于非视距情况的细化分类使其计算结果比传统模型更为精确且与射线跟踪仿真结果更为吻合,可用于空地毫米波通信系统设计和算法优化等领域。

塔架环境通信网络信道模型及性能研究

复杂塔架场景无线信道多径效应更为严重,本文结合射线追踪算法提出一种三维多径簇信道模型,该模型通过几何方法追踪每一条射线路径,并对大量接收射线进行分簇,获得簇时延与簇功率等模型参数,进而获得无线通信系统的误码率性能。针对真实的三维塔架分析信道模型参数,包括传播路径、时延、接收功率、误码性能等统计特性。数值仿真结果表明,本文推导理论结果与仿真结果一致,能够准确评估塔架环境的通信性能,可有效用于优化传感器网络的部署和性能评估等领域。

无人机空地信道衰落包络统计特性研究

针对电平通过率和平均衰落持续时间能有效反映信道衰落包络的恶劣状况,提出了一种基于几何随机的无人机信道模型,该模型支持任意三维轨迹运动。在此基础上,分析推导了电平通过率和平均衰落持续时间的理论表达式,并得到二维散射情况下的闭式解。针对无人机高速飞行场景的仿真结果表明,本文推导的电平通过率和平均衰落时间理论值与仿真值吻合,并且与实际测量结果基本一致,可极大降低评估计算的复杂度,对UAV通信系统的差错控制编码和分组交织设计具有理论指导意义。

面向5G/6G大规模MIMO信道实时模拟研究

针对FPGA平台模拟大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)信道存在资源消耗大及实时性差的问题,基于谐波叠加结构的非平稳MIMO离散信道模型,提出了一种高效的迭代算法,实时产生多支路复指数信号。引入定点化误差补偿算法和时分复用结构,保证了输出信道衰落的精度并优化了硬件资源消耗。采用所提方法实现单通道信道衰落的模拟,与传统LUT方法和CORDIC方法相比,资源消耗率分别降低了6.64%和3.64%。将所提算法应用于3GPP标准扩展车载A(Extended Vehicular A model, EVA)信道场景,实测结果表明,信道输出的统计特性如时延功率谱和多普勒功率谱密度与理论结果吻合。经分析和验证,所提算法可用于大规模信道实时模拟研究、验证等领域。

面向5G无人机通信场景的传播路径概率预测模型

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.

基于轨迹的车对车无线信道建模及硬件模拟

针对车对车通信信道场景复杂多变且不易用硬件模拟复现的特点,通过引入车辆行驶速度及方向二维参数,构建了一种基于几何随机方法的非平稳多输入多输出信道简化模型,该模型可支持移动发射端和移动接收端任意运动轨迹。在此基础上,设计并实现了一个基于现场可编程逻辑阵列器件硬件平台的车车信道模拟器方案,并给出了离散化信道参数的计算和硬件模拟方法。实测结果表明,该模拟器输出的时延功率谱和多普勒功率谱能够有效模拟车车动态场景下信道的非平稳特性,并且与理论仿真结果相吻合,因而可用于车载通信设备的方案验证、算法优化和性能测试等领域。

基于几何统计的无人机信道模型及硬件模拟

针对无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)通信信号三维空间传播特点,提出了基于多圆柱体的非平稳几何统计模型(geometry-based stochastic channel model, GSCM),该模型通过引入天线位置变换矩阵,可支持UAV和地面移动端(mobile terminal,MT)任意三维移动轨迹。在此基础上,构建了适合硬件模拟实现的离散化模型,并设计实现了模拟时变信道特性的随机簇生灭算法,以及基于线性调频叠加原理的非平稳衰落模拟方法。硬件实测结果表明,本文信道模拟器输出的衰落幅值分布、时延功率谱和多普勒功率谱等统计特性与理论结果比较吻合,有效复现了信道时变衰落、多径时延、多径功率和多普勒频率随着UAV的位置和速度变化而变化的过程。