[论文解读] Modeling Ground-to-Air Path Loss for Millimeter Wave UAV Networks

Hazim Shakhatreh, Waed Malkawi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 23被引用 8

一句话总结

本文提出了一种新型的毫米波（mmWave）无人机（UAV）网络中地对空（GTA）通信数学路径损耗模型，在28 GHz和73 GHz频段下，于四种城市环境——郊区、城市、密集城市和高楼区——进行了验证。该模型通过环境特定的拟合参数，基于距离的路径损耗，区分视 Line-of-Sight（LOS）与非视 Line-of-Sight（NLOS）链路，实现了在多样化传播场景下对无人机无线系统信号衰减的高精度预测。

ABSTRACT

Path loss is a significant component of wireless communication channel design and analysis and reflects the reduction in a transmitted signal's power density. Due to the differences in the propagation conditions, wireless aerial channels' features differ from those of terrestrial wireless channels; therefore, unmanned aerial vehicle path loss models are often different from conventional terrestrial wireless channel path loss models. A mathematical propagation model is proposed in this paper to estimate the Ground-to-Air path loss between a wireless device and a low-altitude platform using the frequency bands of the millimeter wave. The suggested model of Ground-to-Air path loss will assist academic researchers in formulating several vital problems.

研究动机与目标

• 为解决UAV网络上行链路地对空毫米波通信中缺乏准确路径损耗模型的问题。
• 开发一种数学传播模型，用于估计在毫米波频段（28 GHz和73 GHz）下多样化城市环境中的路径损耗。
• 通过环境特定的拟合参数，同时考虑LOS与NLOS传播条件。
• 支持学术研究在UAV网络设计中的关键问题，如吞吐量与SINR优化。
• 为未来在GTA信道建模中整合人体遮挡及更广泛的毫米波频段奠定基础。

提出的方法

• 该模型采用适用于无人机到地面链路的两径地面反射路径损耗模型，引入距离相关的路径损耗：PL = α + 10β log10(d) + ζ。
• 参数α（参考距离处的路径损耗）、β（路径损耗指数）和ζ（对数距离阴影衰落）根据每种环境和频段的仿真数据进行拟合。
• 基于无人机与地面终端之间的可视性区分LOS与NLOS链路，其中LOS定义为直接视距，NLOS定义为受阻断。
• 使用遮挡模型对LOS概率进行建模：PL(r_i, h_D) = exp(−λ g_B (r_i (h_B − h_R)/(h_D − h_R)))，其中λ为人体遮挡物密度，g_B为人体截面直径。
• 平均路径损耗计算公式为：PL_a,i = PL(r_i, h_D) × PL_L,i + (1 − PL(r_i, h_D)) × PL_N,i，结合LOS与NLOS路径损耗。
• 在四个真实城市环境中进行仿真：澳大利亚维多利亚（郊区）、法国巴黎（城市）、印度孟买（密集城市）和美国纽约（高楼区）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同城市环境中，地对空毫米波UAV链路的路径损耗如何随距离和高度变化？
• RQ2 在28 GHz和73 GHz频段下，郊区、城市、密集城市和高楼区环境中LOS与NLOS条件下的最优路径损耗模型参数（α, β, σ）是什么？
• RQ3 人体遮挡的存在如何影响毫米波UAV网络中LOS概率与总体路径损耗？
• RQ4 与传统陆地路径损耗模型相比，所提出的模型在UAV场景中对信号预测的精度提升程度如何？
• RQ5 建筑密度和高度等环境因素如何影响毫米波UAV通信中的路径损耗？

主要发现

• 在28 GHz频段下，郊区环境的NLOS路径损耗参数α为113.63 dB，而在高楼区环境中增加至66.25 dB，表明在密集城市环境中路径损耗更高。
• 在73 GHz频段下，高楼区环境的NLOS β指数达到2.22，显著高于郊区的1.43，反映出在受阻断环境中路径损耗随距离增长更迅速。
• 在73 GHz频段下，郊区环境的LOS路径损耗为93.63 dB，密集城市区域为85.71 dB，表明在遮挡较少的区域LOS条件更具优势。
• 阴影衰落的标准差（σ）在高楼区环境最高（73 GHz时为6.61 dB），表明由于多径效应和遮挡导致信号波动更大。
• 该模型在预测路径损耗方面表现出高精度，散点图显示所有环境和频段下估计值与仿真值之间具有强线性拟合关系。
• 引入人体遮挡概率显著提升了模型的真实性，尤其在密集城市和高楼区场景中，行人密度增加导致NLOS概率上升。