一种面向IRS使能空地无线通信的路径损耗特性分析方法与流程

本发明涉及无线通信和信号处理领域，特别是涉及无线通信信道建模与传输特性分析，采用了一种面向大尺度智能反射面(irs)使能空地无线通信的路径损耗特性分析方法。

背景技术：

1、无论是小尺度多径传输信道的算法设计，或是大尺度衰落信道的网络优化，传输模型总是系统设计的重要基础。虽然当前有不少团队针对大尺度irs使能空地无线通信信道传输特性开展研究，分析了不同通信场景中的模型参数对于信道空时频域非平稳传输特性的影响。但是，现今并未有工作分析大尺度irs使能空地无线通信场景的路径损耗特性，因此期待本专利提出一种研究的分析手段，探索大尺度irs使能空地无线通信的路径损耗特性。

2、现有的信道模型大致划分为两类：确定性信道模型和非确定性信道模型。前者建模方法准确性高但通用性差，主要基于实验测量，能够有效地应用于系统设计与开发中。后者建模方法准确性低但通用性强，主要基于数值仿真，能够有效地应用于各种算法设计中。

3、在现有大尺度irs使能无线通信信道建模研究中，均未考虑路径损耗对于电磁信号传输特性造成的影响，因此对于评估大尺度irs使能无线通信系统性能存在一定的计算误差。此外，在发射端发出的信号经irs调控传输到接收端时，其传输机理在很大程度上受irs物理特性的影响。但是这些研究并没有得到开展。这对于设计大尺度irs使能无线通信系统带来了很大的技术难题。

技术实现思路

1、发明目的：本研究旨在充分提升大尺度irs使能无线通信系统设计过程中信道模型的匹配度。

2、技术方案：一种面向智能反射面(irs)使能空地无线通信的路径损耗特性分析方法：首先，针对irs使能空地无线通信场景，建立基于几何特性的irs使能空地无线通信传输模型；接着，通过推导空中飞行器的发射电磁信号角度参数、路面用户的接收电磁信号角度参数，以及空中飞行器和路面用户间传输路径长度。最后，基于不同传输路径的模型参数，建立信道复冲激响应函数表达式，信道复冲激响应函数表达式。

3、一种面向irs使能空地无线通信的路径损耗特性分析方法如下：

4、1)针对空中飞行器-地面用户典型的空地无线信息传输场景，在三维空间中建立直角坐标系。其中，定义经过空中飞行器天线阵列中点垂直于水平面的线为z轴，定义空中飞行器天线阵列中点落在水平面上的投影与接收端天线阵列中点的连线为x轴；定义经过空中飞行器天线阵列中点落在水平面上的投影且垂直于x轴的线为y轴。

5、2)在空中飞行器发出的电磁信号经直达路径到达地面用户时，分别计算空中飞行器和路面用户角度参数的函数表达式。定义vt和vr分别表示空中飞行器和路面用户的移动速度；t表示空中飞行器和路面用户的移动时间；ζt和γt分别表示空中飞行器的移动方向与x轴以及水平面的夹角；ζr表示路面用户的移动方向与x轴的夹角；h0和d0分别表示直角坐标原点距离空中飞行器天线阵列中点以及路面用户天线阵列中点的距离。

6、步骤201：在空中飞行器发出的电磁信号经直达路径到达地面用户时，计算空中飞行器发射电磁信号角度参数的函数表达式为：

7、

8、

9、步骤202：在空中飞行器发出的电磁信号经直达路径到达地面用户时，计算路面用户接收电磁信号角度参数的函数表达式为：

10、

11、

12、3)在空中飞行器发出的电磁信号经直达路径到达地面用户时，计算传输路径长度的函数表达式。具体步骤为：

13、步骤301：在空中飞行器发出的电磁信号经直达路径到达地面用户时，计算空中飞行器天线阵列中点到达地面用户天线阵列中点的距离为：

14、

15、步骤302：在空中飞行器发出的电磁信号经直达路径到达地面用户时，计算空中飞行器天线阵列第p个(p＝1,2,...,p)单元到达地面用户天线阵列第q个(q＝1,2,...,q)个单元的距离为：

16、

17、其中，kp＝(p-2p+1)/2，kq＝(q-2q+1)/2。参数p和q分别表示空中飞行器和路面用户天线阵列的单元数目；δt为空中飞行器天线阵列中任意两相邻单元的间距；δr为路面用户天线阵列中任意两相邻单元的间距；φt为空中飞行器天线阵列和水平面x轴的夹角；φr为路面用户天线阵列和水平面x轴的夹角；θt为空中飞行器天线阵列和水平面的夹角；θr为路面用户天线阵列和水平面的夹角。

18、4)在空中飞行器发出的电磁信号经irs调控后到达地面用户时，分别计算空中飞行器和路面用户角度参数的函数表达式。具体步骤为：

19、步骤401：在空中飞行器发出的电磁信号经irs调控后到达地面用户时，计算空中飞行器发射电磁信号角度参数的函数表达式为：

20、

21、

22、其中，xirs、yirs和zirs分别表示irs的几何位置在x轴、y轴和z轴上分量。

23、步骤402：在空中飞行器发出的电磁信号经irs调控后到达地面用户时，计算路面用户接收电磁信号角度参数的函数表达式为：

24、

25、

26、5)在空中飞行器发出的电磁信号经irs调控后到达地面用户时，分别计算空中飞行器和路面用户到达irs阵列的传输距离。具体步骤为：

27、步骤501：在空中飞行器发出的电磁信号经irs调控后到达地面用户时，计算空中飞行器天线阵列中点到达irs阵列的传输距离为：

28、

29、步骤502：在空中飞行器发出的电磁信号经irs调控后到达地面用户时，计算路面用户天线阵列中点到达irs阵列的传输距离为：

30、

31、6)基于上述步骤1-5，分别计算空中飞行器与路面用户间传输链路的复冲激响应函数表达式。具体步骤为：

32、步骤601：在空中飞行器发出的电磁信号经直达路径到达地面用户时，计算空中飞行器天线阵列第p个单元与地面用户天线阵列第q个单元间传输链路的复冲激响应函数表达式为：

33、

34、步骤602：在空中飞行器发出的电磁信号经irs调控后到达地面用户时，计算空中飞行器天线阵列第p个单元与地面用户天线阵列第q个单元间传输链路的复冲激响应函数表达式为：

35、

36、其中，j表示复数；λ表示电磁波信号的波长；表示irs阵列中第m行第n列单元对电磁波信号的调控相位；dm和dn分别表示irs阵列中调控单元的长度和宽度；m和n分别表示irs阵列中水平维度和竖直维度的调控单元数目；g表示空中飞行器发射电磁信号的增益，用来分析传输路径损耗特性，计算为：

37、

38、其中，f(α,β)可以计算为：

39、

40、其中，α和β分别表示空中飞行器/路面用户相对于irs阵列面法向的水平角度和竖直角度。此外，参数和分别表示空中飞行器发射电磁信号相对于irs阵列法向的函数表达式，计算为：

41、

42、

43、此外，参数和分别表示路面用户接收电磁信号相对于irs阵列法向的函数表达式，计算为：

44、

45、

46、7)基于空中飞行器与路面用户间传输链路的复冲激响应函数表达式，分析irs使能空地无线通信的时域传输机理。具体步骤为：

47、步骤701：在空中飞行器发出的电磁信号经直达路径传输到达地面用户时，计算空中飞行器天线阵列第p个单元与地面用户天线阵列第q个单元间传输链路在不同时刻的自相关函数表达式为：

48、

49、其中，δt表示空中飞行器/地面用户移动的时间差。

50、步骤702：在空中飞行器发出的电磁信号经irs调控后到达地面用户时，计算空中飞行器天线阵列第p个单元与地面用户天线阵列第q个单元间传输链路在不同时刻的自相关函数表达式为：

51、

52、有益效果：本发明提出了一种面向大尺度irs使能空地无线通信的路径损耗特性分析方法，该算法能够有效地揭示irs使能空地无线通信损耗特性与模型参数之间的非线性关系，提升了大尺度irs使能无线通信系统设计过程中信道模型的匹配度，更好地提升无线通信质量。