一种无人机通信信道冲激响应确定方法及系统与流程

1.本发明涉及无人机通信领域，特别是涉及一种无人机通信信道冲激响应确定方法及系统。


背景技术：

2.现有的无人机信道模型没有考虑频率非平稳特性，同时现有的无人机信道模型及其使用的空时非平稳算法未考虑无人机的飞行高度和垂直方向上的移动速度对空时非平稳算法的影响，无法精确模拟无人机通信场景的信道空间
‑
时间非平稳特性。
3.因此，亟需一种无人机通信信道冲激响应确定方法或系统，以解决现有的无人机信道模型没有考虑频率非平稳特性和现有的空时非平稳算法不适用于无人机通信场景为题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种无人机通信信道冲激响应确定方法及系统，能够准确捕捉无人机场景的空间域、时间域和频率域的三重非平稳特性，适用于各种无人机通信场景。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种无人机通信信道冲激响应确定方法，包括：
7.根据无人机通信环境的散射簇的生成率和结合率，生成散射簇在初始时间的初始个数；
8.利用k均值聚类算法对散射簇进行分类，得到多个散射簇组；
9.根据同一个散射簇组中不同的散射簇之间的相关系数确定无人机端和地面接收站相应的散射簇的空间演进幸存概率；
10.根据无人机端和地面接收站的散射簇的空间演进幸存概率确定相应散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合；
11.根据散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合确定第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响应；
12.根据第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响应确定相应的子信道的总信道冲激响应；
13.确定每个散射簇的时间演进幸存概率；并根据每个散射簇的时间演进幸存概率更新散射簇的个数；并返回所述利用k均值聚类算法对散射簇进行分类，得到多个散射簇组的步骤。
14.可选地，所述根据同一个散射簇组中不同的散射簇之间的相关系数确定无人机端和地面接收站相应的散射簇的空间演进幸存概率，具体包括：
15.利用公式确定同一个散射簇组的第i个散
射簇和第j个散射簇之间的相关系数；
16.利用公式和公式确定无人机端和地面接收站的第i个散射簇的空间演进幸存概率；
17.其中，γ
ij
(t，f)为第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数，β是相关因子，根据不同的市区或郊区场景，在0
‑
1范围内进行取值，η是频率相关因子，由该场景与频率的相关程度决定，τ
i
和τ
j
是第i个散射簇和第j个散射簇的时延，而在不同散射簇组的第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数＝0，δ
t
和δ
r
分别是发射端和接收端的天线间隔，是散射簇非平稳的空间相关距离系数，h是无人机的t0时刻的初始高度，是无人机的飞行速度矢量的垂直方向分量，其中，p
j
和q
j
是状态转换因子，当第j个散射簇是幸存状态时，p
j
＝1和q
j
＝0，当第j个散射簇是消失状态时，p
j
＝0和q
j
＝1，f为当前频率，f
c
为载频。
18.可选地，所述根据散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合确定第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响应，具体包括：
19.利用公式确定第n个散射簇组的m个散射簇可同时被第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应；
20.利用公式根发射天线到第k根接收天线的子信道的直射路径的信道冲激响应；
21.其中，和分别是接收端和发射端的多普勒频偏，是第l根发射天线经过第n个散射簇组的m个散射簇传输到第k 根接收天线的相位，分别是该直射路径信道冲激响应的多普勒频偏，是该直射路径信道冲激响应的相位，
22.可选地，所述根据第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响应确定相应的子信道的总信道冲激响应，具体包括：
23.利用公式确定相应的子信道的总信道冲激响应；
24.其中，k是直射路径参数，s
n,m
是第n个散射簇组的m个散射簇中射线的个数，是直射路径的时延，τ
kl,n,m,s
是第n个散射簇组的m个散射簇第s条射线的时延，p
n,m,s
是第n个散射簇组的m个散射簇第s条射线的功率。m(t)＝g(t)/n(t)，g(t)为t时刻散射簇的个数，n(t)为t时刻散射簇组的个数。
25.一种无人机通信信道冲激响应确定系统，包括：
26.散射簇的初始个数确定模块，用于根据无人机通信环境的散射簇的生成率和结合率，生成散射簇在初始时间的初始个数；
27.散射簇分类模块，用于利用k均值聚类算法对散射簇进行分类，得到多个散射簇组；
28.散射簇的空间演进幸存概率确定模块，用于根据同一个散射簇组中不同的散射簇之间的相关系数确定无人机端和地面接收站相应的散射簇的空间演进幸存概率；
29.散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合确定模块，用于根据无人机端和地面接收站的散射簇的空间演进幸存概率确定相应散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合；
30.直射路径的信道冲激响应和非直射路径的信道冲激响应确定模块，用于根据散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合确定第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响应；
31.总信道冲激响应确定模块，用于根据第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响应确定相应的子信道的总信道冲激响应；
32.散射簇的个数更新模块，用于确定每个散射簇的时间演进幸存概率；并根据每个散射簇的时间演进幸存概率更新散射簇的个数；并返回所述利用k均值聚类算法对散射簇进行分类，得到多个散射簇组的步骤。
33.可选地，所述散射簇的空间演进幸存概率确定模块具体包括：
34.相关系数确定单元，用于利用公式确定同一个散射簇组的第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数；
35.散射簇的空间演进幸存概率确定单元，用于利用公式
和公式确定无人机端和地面接收站的第i个散射簇的空间演进幸存概率；
36.其中，γ
ij
(t，f)为第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数，β是相关因子，根据不同的市区或郊区场景，在0
‑
1范围内进行取值，η是频率相关因子，由该场景与频率的相关程度决定，τ
i
和τ
j
是第i个散射簇和第j个散射簇的时延，而在不同散射簇组的第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数＝0，δ
t
和δ
r
分别是发射端和接收端的天线间隔，是散射簇非平稳的空间相关距离系数，h是无人机的t0时刻的初始高度，是无人机的飞行速度矢量的垂直方向分量，其中，p
j
和q
j
是状态转换因子，当第j个散射簇是幸存状态时，p
j
＝1和q
j
＝0，当第j个散射簇是消失状态时，p
j
＝0和q
j
＝1，f为当前频率，f
c
为载频。
37.可选地，所述直射路径的信道冲激响应和非直射路径的信道冲激响应确定模块具体包括：
38.非直射路径的信道冲激响应确定单元，用于利用公式确定第n个散射簇组的m个散射簇可同时被第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应；
39.直射路径的信道冲激响应确定单元，用于利用公式确定第l 根发射天线到第k根接收天线的子信道的直射路径的信道冲激响应；
40.其中，和分别是接收端和发射端的多普勒频偏，是第l根发射天线经过第n个散射簇组的m个散射簇传输到第k 根接收天线的相位，分别是该直射路径信道冲激响应的多普勒频偏，是该直射路径信道冲激响应的相位，
41.可选地，所述总信道冲激响应确定模块具体包括：
42.总信道冲激响应确定单元，用于利用公式
确定相应的子信道的总信道冲激响应；
43.其中，k是直射路径参数，s
n，m
是第n个散射簇组的m个散射簇中射线的个数，是直射路径的时延，τ
kl，n，m，s
是第n个散射簇组的m个散射簇第s条射线的时延，p
n，m，s
是第n个散射簇组的m个散射簇第s条射线的功率。m(t)＝g(t)/n(t)，g(t)为t时刻散射簇的个数，n(t)为t时刻散射簇组的个数。
44.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
45.本发明所提供的一种无人机通信信道冲激响应确定方法及系统，根据无人机端和地面接收站的散射簇的空间演进幸存概率确定相应散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合计算了无人机频率非平稳的特性；确定每个散射簇的时间演进幸存概率；并根据每个散射簇的时间演进幸存概率更新散射簇的个数；并返回所述利用k均值聚类算法对散射簇进行分类，得到多个散射簇组的步骤考虑了无人机的飞行高度和垂直方向上的移动速度对空时非平稳算法的影响，模拟无人机通信场景的信道空间
‑
时间非平稳特性。本发明解决了现有的无人机信道冲激响应没有考虑频率非平稳特性的难题，同时解决了现有的空时非平稳算法不适用于无人机通信场景的难题，提高了信道模型的精确度和通用性。本发明能够合理捕捉无人机场景的空时频三重非平稳特性，相比现有的无人机信道模型更加实际精确和简便易用。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1为本发明所提供的一种无人机通信信道冲激响应确定方法流程示意图；
48.图2为本发明所提供的一种无人机通信信道冲激响应确定系统结构示意图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.本发明的目的是提供一种无人机通信信道冲激响应确定方法及系统，能够准确捕捉无人机场景的空间域、时间域和频率域的三重非平稳特性，适用于各种无人机通信场景。
51.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
52.图1为本发明所提供的一种无人机通信信道冲激响应确定方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种无人机通信信道冲激响应确定方法，包括：
53.s101，根据无人机通信环境的散射簇的生成率λ
g
和结合率λ
r
，生成散射簇在初始时间t0的初始个数g(t0)；
54.s102，利用k均值聚类算法对g(t0)个散射簇进行分类，得到n个散射簇组；
55.s103，根据同一个散射簇组中不同的散射簇之间的相关系数确定无人机端(发射端)和地面接收站(接收端)相应的散射簇的空间演进幸存概率；
56.s103具体包括：
57.利用公式确定同一个散射簇组的第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数；
58.利用公式和公式确定无人机端和地面接收站的第i个散射簇的空间演进幸存概率；
59.其中，γ
ij
(t，f)为第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数，β是相关因子，根据不同的市区或郊区场景，在0
‑
1范围内进行取值，η是频率相关因子，由该场景与频率的相关程度决定，τ
i
和τ
j
是第i个散射簇和第j个散射簇的时延，而在不同散射簇组的第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数＝0，δ
t
和δ
r
分别是发射端和接收端的天线间隔，是散射簇非平稳的空间相关距离系数，h是无人机的t0时刻的初始高度，
60.是无人机的飞行速度矢量的垂直方向分量，其中，p
j
和q
j
是状态转换因子，当第j个散射簇是幸存状态时，p
j
＝1和q
j
＝0，当第j个散射簇是消失状态时，p
j
＝0和q
j
＝1，f为当前频率，f
c
为载频。
61.s104，根据无人机端和地面接收站的散射簇的空间演进幸存概率确定相应散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合；
62.从第一个散射簇开始，即i＝1，依据发射端和接收端的散射簇的空间演进幸存概率，生成第一个散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合。进而生成g(t0)个散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合。
63.根据散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合，可以得知不同子信道即不同天线对对应的信道可见的散射簇集合。
64.s105，根据散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合确定第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响
应；
65.s105具体包括：
66.利用公式确定第n个散射簇组的m个散射簇可同时被第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应；
67.当不能同时被第l根发射天线到第k根接收天线可见，则非直射路径的信道冲激响应为0。
68.利用公式确定第l 根发射天线到第k根接收天线的子信道的直射路径的信道冲激响应；
69.其中，和分别是接收端和发射端的多普勒频偏，是第l根发射天线经过第n个散射簇组的m个散射簇传输到第k 根接收天线的相位，分别是该直射路径信道冲激响应的多普勒频偏，是该直射路径信道冲激响应的相位，
70.s106，根据第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响应确定相应的子信道的总信道冲激响应；
71.s106具体包括：
72.利用公式确定相应的子信道的总信道冲激响应；
73.其中，k是直射路径参数，s
n,m
是第n个散射簇组的m个散射簇中射线的个数，是直射路径的时延，τ
kl,n,m,s
是第n个散射簇组的m个散射簇第s条射线的时延，p
n,m,s
是第n个散射簇组的m个散射簇第s条射线的功率。m(t)＝g(t)/n(t)，g(t)为t时刻散射簇的个数，n(t)为t时刻散射簇组的个数。
74.s107，确定每个散射簇的时间演进幸存概率；并根据每个散射簇的时间演进幸存概率更新散射簇的个数；并返回所述利用k均值聚类算法对散射簇进行分类，得到多个散射簇组的步骤。
75.以δt为时间间隔，计算时间演进幸存概率：
[0076][0077]
其中，δv
uav
和δv
gs
是发射端和接收端的相对移动速度。
[0078]
以散射簇的时间演进幸存概率求出第t0 δt时刻的动静态散射簇的个数，进而返回所述利用k均值聚类算法对散射簇进行分类，得到多个散射簇组的步骤，继续确定相应的子信道的总信道冲激响应。
[0079]
图2为本发明所提供的一种无人机通信信道冲激响应确定系统结构示意图，如图2所示，本发明所提供的一种无人机通信信道冲激响应确定系统，包括：
[0080]
散射簇的初始个数确定模块201，用于根据无人机通信环境的散射簇的生成率和结合率，生成散射簇在初始时间的初始个数；
[0081]
散射簇分类模块202，用于利用k均值聚类算法对散射簇进行分类，得到多个散射簇组；
[0082]
散射簇的空间演进幸存概率确定模块203，用于根据同一个散射簇组中不同的散射簇之间的相关系数确定无人机端和地面接收站相应的散射簇的空间演进幸存概率；
[0083]
散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合确定模块204，用于根据无人机端和地面接收站的散射簇的空间演进幸存概率确定相应散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合；
[0084]
直射路径的信道冲激响应和非直射路径的信道冲激响应确定模块 205，用于根据散射簇的可见发射端天线集合和可见接收端天线集合确定第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响应；
[0085]
总信道冲激响应确定模块206，用于根据第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应和直射路径的信道冲激响应确定相应的子信道的总信道冲激响应；
[0086]
散射簇的个数更新模块207，用于确定每个散射簇的时间演进幸存概率；并根据每个散射簇的时间演进幸存概率更新散射簇的个数；并返回所述利用k均值聚类算法对散射簇进行分类，得到多个散射簇组的步骤。
[0087]
所述散射簇的空间演进幸存概率确定模块203具体包括：
[0088]
相关系数确定单元，用于利用公式确定同一个散射簇组的第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数；
[0089]
散射簇的空间演进幸存概率确定单元，用于利用公式和公式
确定无人机端和地面接收站的第i个散射簇的空间演进幸存概率；
[0090]
其中，γ
ij
(t，f)为第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数，β是相关因子，根据不同的市区或郊区场景，在0
‑
1范围内进行取值，η是频率相关因子，由该场景与频率的相关程度决定，τ
i
和τ
j
是第i个散射簇和第j个散射簇的时延，而在不同散射簇组的第i个散射簇和第j个散射簇之间的相关系数＝0，δ
t
和δ
r
分别是发射端和接收端的天线间隔，是散射簇非平稳的空间相关距离系数，h是无人机的t0时刻的初始高度，是无人机的飞行速度矢量的垂直方向分量，其中，p
j
和q
j
是状态转换因子，当第j个散射簇是幸存状态时，p
j
＝1和q
j
＝0，当第j个散射簇是消失状态时，p
j
＝0和q
j
＝1，f为当前频率，f
c
为载频。
[0091]
所述直射路径的信道冲激响应和非直射路径的信道冲激响应确定模块205具体包括：
[0092]
非直射路径的信道冲激响应确定单元，用于利用公式确定第n个散射簇组的m个散射簇可同时被第l根发射天线到第k根接收天线的子信道的非直射路径的信道冲激响应；
[0093]
直射路径的信道冲激响应确定单元，用于利用公式确定第l 根发射天线到第k根接收天线的子信道的直射路径的信道冲激响应；
[0094]
其中，和分别是接收端和发射端的多普勒频偏，是第l根发射天线经过第n个散射簇组的m个散射簇传输到第k 根接收天线的相位，分别是该直射路径信道冲激响应的多普勒频偏，是该直射路径信道冲激响应的相位，
[0095]
所述总信道冲激响应确定模块206具体包括：
[0096]
总信道冲激响应确定单元，用于利用公式
确定相应的子信道的总信道冲激响应；
[0097]
其中，k是直射路径参数，s
n,m
是第n个散射簇组的m个散射簇中射线的个数，是直射路径的时延，τ
kl,n,m,s
是第n个散射簇组的m个散射簇第s条射线的时延，p
n,m,s
是第n个散射簇组的m个散射簇第s条射线的功率。m(t)＝g(t)/n(t)，g(t)为t时刻散射簇的个数，n(t)为t时刻散射簇组的个数。
[0098]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0099]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。