本文介绍了一篇发表于2021年10月IEEE Journal on Selected Areas in Communications（JSAC）第39卷第10期的研究论文，题为《A Novel Non-Stationary 6G UAV Channel Model for Maritime Communications》。该研究由Yu Liu、Cheng-Xiang Wang、Hengtai Chang、Yubei He和Ji Bian共同完成，分别来自山东大学、东南大学和山东师范大学。研究得到了中国国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个项目的支持。

研究背景与动机

随着无人机（UAV）通信在海上场景中的快速发展，未来第六代（6G）通信网络需要实现空天地海一体化通信网络。UAV作为移动基站，在海上通信中具有广阔的应用前景。然而，海上通信环境与陆地环境有显著不同，海水的波动、气候条件的变化以及海面波导效应等因素都会对UAV与船舶之间的通信信道产生独特的影响。因此，建立一个准确且通用的UAV-to-Ship信道模型对于通信算法和系统设计至关重要。现有的信道模型主要针对陆地场景，无法准确描述海上通信环境的传播特性。本文旨在提出一种新的非平稳多移动性UAV-to-Ship信道模型，以更好地模拟海上通信环境的独特信道特性。

研究方法与流程

本文提出的信道模型由三个主要部分组成：直射路径（Line-of-Sight, LOS）分量、由海水波动引起的单次反射（Single-Bounce, SB）分量以及由海面波导效应引起的多次反射（Multi-Bounce, MB）分量。模型考虑了UAV、船舶以及两者之间的散射簇以任意速度和方向移动的情况。

1. 信道模型构建：

   • LOS分量：UAV与船舶之间的直接通信路径。
   • SB分量：信号通过海面单次反射到达船舶，使用单簇模型描述散射体的分布。
   • MB分量：信号在海面波导效应下经历多次反射，使用双簇模型描述波导效应。

2. 模型参数与仿真：

   • 模型中的所有参数均为时变的，以描述信道的非平稳性。
   • 通过离散化角度参数，建立了仿真模型，并使用等面积法（MEA）计算角度参数。

3. 海面波动与波导效应：

   • 使用多向不规则海面模型描述海面波动，散射体的分布与海面状态密切相关。
   • 波导效应通过矩形截面波导模型描述，信号在波导内经历多次反射。

4. 簇的演化：

   • 在SB和MB情况下，簇的演化通过生灭过程描述，簇的存在时间有限，且随着时间、空间和频率的变化而更新。

主要结果

本文通过仿真验证了所提出信道模型的准确性，并分析了多个典型的信道统计特性，包括时间自相关函数（ACF）、空间互相关函数（CCF）、多普勒功率谱密度（PSD）、延迟PSD、角度PSD、平稳间隔和均方根延迟扩展（RMS Delay Spread）。

1. 时间自相关函数（ACF）：

   • 仿真结果表明，随着UAV和船舶速度的增加，时间ACF的下降速度加快，表明信道的非平稳性增强。

2. 空间互相关函数（CCF）：

   • 空间CCF随时间的变化反映了信道的非平稳性，天线旋转角度的变化也会影响空间CCF的变化趋势。

3. 多普勒功率谱密度（PSD）：

   • 多普勒PSD的分布受UAV速度和移动方向的影响，不同速度和方向下PSD的变化趋势不同。

4. 延迟功率谱密度（PSD）：

   • 延迟PSD的分布受波导尺寸和反射次数的影响，波导尺寸越大，延迟扩展越大。

5. 平稳间隔：

   • 随着UAV速度的增加，信道的平稳间隔减小，表明信道的非平稳性增强。

6. 均方根延迟扩展（RMS Delay Spread）：

   • 波导效应下的RMS延迟扩展随着反射次数的增加而增大，验证了波导效应对信道特性的影响。

结论与意义

本文提出了一种新的3D非平稳UAV-to-Ship信道模型，能够准确模拟海上通信环境的独特信道特性。该模型考虑了海面波动和波导效应，支持UAV、船舶和散射簇的多移动性。通过仿真验证，本文提出的模型能够很好地拟合已有的海上测量数据，验证了其准确性。该研究为未来6G海上通信系统的设计和优化提供了重要的理论支持，具有较高的科学价值和应用前景。

研究亮点

1. 创新性：首次提出了考虑多移动性的UAV-to-Ship信道模型，重点研究了小尺度衰落信道特性。
2. 海面波动建模：引入了海面波动方程，使用单簇模型描述海面散射体的分布，并结合生灭过程描述簇的演化。
3. 波导效应建模：考虑了海面蒸发波导和抬升波导效应，使用双簇模型描述波导效应。
4. 多移动性支持：模型支持UAV和船舶以任意速度和方向移动，进一步研究了不同移动速度和方向下的信道特性。

其他有价值的内容

本文还通过对比已有的测量数据，验证了所提出模型的准确性，并与UAV-to-Ground信道模型进行了对比，结果表明UAV-to-Ship信道的延迟扩展较小，这与海上通信环境中散射体稀疏分布的特性一致。