Канал воздух-земля

В области беспроводной связи каналы «воздух-земля » (A2G) используются для связи бортовых устройств, таких как дроны и самолеты, с наземным оборудованием связи. Эти каналы играют важную роль в широком спектре приложений, выходящих за рамки коммерческих телекоммуникаций, включая важную роль в сетях 5G и будущих сетях 6G , где воздушные базовые станции являются неотъемлемой частью внеземных сетей, и охватывают критически важные применения в реагировании на чрезвычайные ситуации, мониторинге окружающей среды, военных целях. коммуникации и расширяющаяся сфера Интернета вещей (IoT). Всестороннее понимание каналов A2G, механизмов их работы и различных атрибутов необходимо для повышения производительности беспроводной сети (диапазон покрытия сигнала, скорости передачи данных и общая надежность соединения).

В сетях беспроводной связи канал распространения служит средой между передатчиком и приемником . Характеристики этого канала во многом определяют эксплуатационные ограничения беспроводных сетей с точки зрения дальности действия, пропускной способности и задержки, тем самым существенно влияя на технологические проектные решения. Следовательно, характеристика и моделирование этих каналов имеют первостепенное значение.

Каналы A2G особенно характеризуются высокой вероятностью распространения в прямой видимости (LOS), что является критическим фактором для передач на более высоких частотах, таких как миллиметровые волны и ТГц . Эта функция приводит к повышению надежности каналов и снижению необходимой мощности передачи для достижения желаемого бюджета канала. ^[1]^[2] Более того, для линий связи вне прямой видимости (NLOS), особенно на более низких частотах, изменения мощности менее выражены по сравнению с наземными сетями связи, что объясняется тем фактом, что только наземные элементы линии связи сталкиваются с препятствиями, влияющими на распространение. ^[2]

Основы распространения сигналов

Электромагнитные волны, излучаемые передатчиком, распространяются в нескольких направлениях. Эти волны взаимодействуют с окружающей средой посредством различных явлений распространения, прежде чем достичь приемника. На рисунке ниже показано, как такие процессы, как зеркальное отражение, дифракция, рассеяние и проникновение или их комбинация, могут играть роль в распространении волн. ^[3] Также важно учитывать потенциальные препятствия на пути сигнала.

Полученный сигнал, по сути, представляет собой комбинацию нескольких версий исходного сигнала, известных как компоненты многолучевого распространения (MPC), каждая из которых поступает с различной амплитудой, задержкой (фазой) и направлением. В результате образуется когерентная совокупность всех этих копий сигнала, которая может усиливать или ослаблять общий сигнал в зависимости от случайных фаз этих компонентов.

Радиоканалы обычно характеризуются как суперпозиция различных явлений замирания :

$H=\Lambda +X_{sh}+X_{SS},$

Здесь, $\Lambda$ относится к зависящим от расстояния потерям в пути (PL), $X_{sh}$ обозначает затухание теней , которое объясняет крупномасштабные изменения мощности из-за факторов окружающей среды, и $X_{SS}$ представляет собой мелкомасштабное или быстрое затухание . В следующих разделах подробно описано моделирование этих компонентов.

Моделирование каналов

Существует несколько моделей каналов, в которых не проводится явного различия между каналами LOS и NLOS. Однако наиболее распространенный подход к моделированию канала состоит из четырех следующих шагов:

Определить состояние канала (LOS/NLOS);
Соответственно генерировать потери пути;
Создать затухание теней;
Создать затухание SS.

Моделирование прямой видимости

В случаях, когда проводится различие между линиями LOS (прямая видимость) и NLOS (не прямая видимость), моделирование вероятности LOS $P_{\text{LOS}}$ становится критическим. Самый популярный подход к получению этой статистики основан на создании геометрической модели (например, Манхэттенской сетки ) среды распространения.

Упрощенная 2D-модель: популярный подход, предложенный Международным союзом электросвязи (ITU). По данным МСЭ ^[4], вероятность LOS определяется выражением:

$P_{\text{LOS}}=\prod _{n=0}^{m}\left[1-\exp \left(-{\frac {\left[h_{\text{UAV}}-{\frac {(n+{\frac {1}{2}})(h_{\text{UAV}}-h_{\text{G}})}{m+1}}\right]^{2}}{2\Omega ^{2}}}\right)\right],$

где $m={\text{floor}}\left(d_{h}{\sqrt {\varsigma \xi }}-1\right)$ , $d_{h}$ - горизонтальное расстояние между БПЛА и наземным узлом, $h_{\text{UAV}}$ и $h_{\text{G}}$ - высота терминала, $\varsigma$ - это отношение площади земли, покрытой зданиями, к общей площади земли, $\xi$ среднее количество зданий на км ², и $\Omega$ — масштабный параметр распределения высот зданий (предполагается, что оно соответствует распределению Рэлея). В некоторых случаях удобнее выразить вероятность ЛВ как функцию угла падения или места. ^[2]

Обратите внимание, что выражение не зависит от угла азимута, следовательно, ориентация на плане города не учитывается, что приводит к получению 2D-модели, даже если используются высоты терминалов.

Вероятность NLOS вычисляется на основе вероятности LOS по следующему уравнению:

$P_{\text{NLOS}}=1-P_{\text{LOS}}.$

Моделирование потерь пути

Потери на пути представляют собой уменьшение плотности мощности электромагнитной волны при ее распространении в пространстве. Это затухание является критическим фактором в беспроводной связи, включая каналы A2G. Базовая модель потерь на трассе рассматривает сценарий прямой видимости (LOS), при котором сигнал распространяется свободно и без препятствий между передатчиком и приемником. Формула расчета мощности принимаемого сигнала в этих условиях выглядит следующим образом: ^[5]

$P_{\text{R}}=P_{\text{T}}\times G_{\text{T}}\times G_{\text{R}}\times \left({\frac {\lambda }{4\pi d}}\right)^{\eta },$

Здесь, $P_{\text{T}}$ обозначает мощность передаваемого сигнала, $G_{\text{T}}$ и $G_{\text{R}}$ – коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно, $\lambda$ длина волны несущего сигнала, а $d$ представляет расстояние между передатчиком и приемником. Экспонента потерь на пути (PLE), $\eta$ , обычно имеет значение 2 в среде свободного пространства, что указывает на распространение в свободном пространстве . Однако PLE может принимать и другие значения в зависимости от среды распространения. Следовательно, общее выражение для потерь на трассе можно представить как:

$\Lambda =\left({\frac {4\pi d}{\lambda }}\right)^{\eta }.$

Однако реальные сценарии связи A2G часто отличаются от идеальных условий свободного пространства. Модель потерь на трассе с логарифмическим расстоянием, которая учитывает контрольную точку для распространения в свободном пространстве, часто используется для оценки потерь на трассе в более сложных средах (выраженных в децибелах):

$\Lambda (d)=\Lambda _{0}+10\eta \log \left({\frac {d}{d_{0}}}\right),$

где $\Lambda _{0}$ это потери на трассе на эталонном расстоянии $d_{0}$ , который может быть рассчитан или заранее определен на основе потерь на пути в свободном пространстве ( $\Lambda _{0}=20\log \left[{\frac {4\pi d_{0}}{\lambda }}\right]$ ).

С учетом условий прямой видимости и отсутствия прямой видимости (NLOS), средние потери на трассе можно оценить путем объединения значений потерь на трассе для этих двух сценариев. ^[6]

^[7]

$\Lambda =P_{\text{LOS}}\times \Lambda _{\text{LOS}}+(1-P_{\text{LOS}})\times \Lambda _{\text{NLOS}},$

В этой формуле $\Lambda _{\text{LOS}}$ и $\Lambda _{\text{NLOS}}$ относятся к значениям потерь на трассе для условий LOS и NLOS соответственно, в то время как $P_{\text{LOS}}$ указывает на вероятность наличия связи LOS между БПЛА и наземной станцией. Соответствующие значения PLE для $\Lambda _{\text{LOS}}$ и $\Lambda _{\text{NLOS}}$ подробно описаны в различных исследованиях. ^[2]

Кроме того, атмосферное поглощение и затухание в дожде также могут привести к значительным потерям мощности в диапазонах частот миллиметрового диапазона и ТГц.

Моделирование затенения и мелкомасштабного затухания

Помимо потерь на трассе, наличие крупных структур, таких как здания, деревья и транспортные средства, приводит к специфическим случайным изменениям мощности принимаемых сигналов. Эти изменения, известные как затухание теней, обычно развиваются более медленными темпами, охватывая десятки-сотни длин волн. Затухание тени на заданном расстоянии $d$ обычно представляется как нормальная случайная величина $X_{sh}$ в децибелах (дБ), с отклонением $\sigma$ . Эта дисперсия отражает отклонения получаемой мощности от средних потерь на трассе. ^[2]

В меньшем масштабе замирание включает в себя быстрые изменения мощности принимаемого сигнала на более коротких расстояниях, обычно в пределах нескольких длин волн. Эти флуктуации возникают из-за помех компонентов многолучевого распространения (MPC), которые сходятся в приемнике. Для количественной оценки этого поведения часто используются статистические модели, такие как распределения Рэлея и Райса. Оба основаны на сложной гауссовой статистике. В средах с множеством MPC, каждый из которых имеет разные амплитуды и случайные фазы, мелкомасштабное замирание часто соответствует распределению Рэлея . ^[5] В частности, в каналах «воздух-воздух» (A2A) и «воздух-земля» (A2G), где преобладает распространение в прямой видимости (LOS), распределение Райса . более подходящей моделью является ^[5] Кроме того, другие модели, такие как Накагами , хи-квадрат ( $\chi ^{2}$ ) и нецентральные $\chi ^{2}$ распределения также считаются актуальными в определенных сценариях. ^[2] Примечательно, что $\chi ^{2}$ Семейство дистрибутивов включает в себя многие из этих моделей.

Для моделирования мелкомасштабных замираний геометрические стохастические модели каналов (GBSCM) являются одними из наиболее широко используемых методологий. Эти модели разрабатываются посредством эмпирических измерений или геометрического анализа и моделирования с учетом стохастической природы изменения сигнала. GBSCM особенно эффективен при моделировании узкополосных каналов или ответвлений широкополосных моделей, в которых используется подход с ответвленной линией задержки. ^[3]

Ссылки

^ Бай, Тяньян; Вазе, Рахул; Хит, Роберт В. (2014). «Анализ эффектов блокировки городских сотовых сетей». Транзакции IEEE по беспроводной связи . 13 (9): 5070–5083. arXiv : 1309.4141 . дои : 10.1109/TWC.2014.2331971 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Виноградов Е.; Саллуха, Х.; Де Баст, С.; Азари, ММ; Поллин, С. (2018). «Учебное пособие по БПЛА: взгляд на голубое небо по беспроводной связи» . Журнал мобильных мультимедиа . 14 (4): 395–468. arXiv : 1901.02306 . дои : 10.13052/jmm1550-4646.1443 . ISSN 1550-4654 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Клерк, Б.; Эстгес, К. (2013). Беспроводные сети MIMO (2-е изд.). Эльзевир Академик Пресс.
^ МСЭ-Р (2012 г.). «Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования, необходимые для проектирования систем наземного широкополосного радиодоступа, работающих в диапазоне частот от 3 до 60 ГГц» (Рекомендация). Международный союз электросвязи.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Молиш, А.Ф. (2011). Беспроводная связь . Вили - IEEE. Уайли.
^ Аль-Хурани, А.; Кандипан, С.; Ларднер, С. (2014). «Оптимальная высота круга для максимального покрытия». Письма IEEE о беспроводной связи . 3 (6): 569–572. дои : 10.1109/LWC.2014.2342736 . hdl : 11343/91902 . ISSN 2162-2337 .
^ Мозаффари, М.; Саад, В.; Беннис, М.; Дебба, М. (2016). «Эффективное развертывание нескольких беспилотных летательных аппаратов для оптимального покрытия беспроводной сети». Коммуникационные письма IEEE . 20 (8). IEEE: 1647–1650.

[1] Бай, Тяньян; Вазе, Рахул; Хит, Роберт В. (2014). «Анализ эффектов блокировки городских сотовых сетей». Транзакции IEEE по беспроводной связи . 13 (9): 5070–5083. arXiv : 1309.4141 . дои : 10.1109/TWC.2014.2331971 .

[Tutorial-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Виноградов Е.; Саллуха, Х.; Де Баст, С.; Азари, ММ; Поллин, С. (2018). «Учебное пособие по БПЛА: взгляд на голубое небо по беспроводной связи» . Журнал мобильных мультимедиа . 14 (4): 395–468. arXiv : 1901.02306 . дои : 10.13052/jmm1550-4646.1443 . ISSN 1550-4654 .

[MIMO-3] Перейти обратно: ^а ^б Клерк, Б.; Эстгес, К. (2013). Беспроводные сети MIMO (2-е изд.). Эльзевир Академик Пресс.

[4] МСЭ-Р (2012 г.). «Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования, необходимые для проектирования систем наземного широкополосного радиодоступа, работающих в диапазоне частот от 3 до 60 ГГц» (Рекомендация). Международный союз электросвязи.

[WC-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Молиш, А.Ф. (2011). Беспроводная связь . Вили - IEEE. Уайли.

[6] Аль-Хурани, А.; Кандипан, С.; Ларднер, С. (2014). «Оптимальная высота круга для максимального покрытия». Письма IEEE о беспроводной связи . 3 (6): 569–572. дои : 10.1109/LWC.2014.2342736 . hdl : 11343/91902 . ISSN 2162-2337 .

[7] Мозаффари, М.; Саад, В.; Беннис, М.; Дебба, М. (2016). «Эффективное развертывание нескольких беспилотных летательных аппаратов для оптимального покрытия беспроводной сети». Коммуникационные письма IEEE . 20 (8). IEEE: 1647–1650.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]