朱秋明，倪浩然，華博宇，毛開,3，江浩，那振宇，陳小敏

（1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.電磁頻譜空間認(rèn)知動態(tài)系統(tǒng)工業(yè)與信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211106；3.荷蘭特溫特大學(xué)電子技術(shù)、數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，上艾瑟爾 恩斯赫德 7500AE；4.南京信息工程大學(xué)人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210044；5.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026）

0 引言

近年來，UAV（Unmanned Aerial Vehicle，無人機(jī)）在空中基站、中繼通信、應(yīng)急通信和戰(zhàn)場通信等多種場景都得到了廣泛應(yīng)用。毫米波頻段頻譜寬廣，能夠提供更高的通信容量和傳輸速率，被認(rèn)為是5G（The Fifth Generation，第五代）移動通信系統(tǒng)的重要部署頻段。毫米波信號的傳播損耗遠(yuǎn)大于Sub-6 GHz傳統(tǒng)頻段，導(dǎo)致通信距離較短，通常在百米級。但是，UAV通信一般存在視距路徑，毫米波天線陣列也易于小型化，結(jié)合立體空間的三維窄波束技術(shù)，可以有效地?cái)U(kuò)展通信距離。因此，將毫米波和多天線技術(shù)應(yīng)用于UAV 實(shí)現(xiàn)多場景高速率數(shù)據(jù)傳輸具有廣闊的應(yīng)用前景，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對此進(jìn)行了諸多探索研究[1-6]。例如，華為和移動將UAV 毫米波平臺作為高空基站開展測試，并在河南暴雨災(zāi)情期間實(shí)現(xiàn)50 km2范圍的通信保障[3]；美國機(jī)器人緊急部署部門將UAV 毫米波通信技術(shù)應(yīng)用于距離為1.6～2.4 km 的火災(zāi)環(huán)境視頻傳輸，UAV以30 m/s 的飛行速度實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)環(huán)境的快速偵查[4]；Facebook Connectivity 實(shí)驗(yàn)室利用UAV 毫米波技術(shù)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)通信問題，并已完成13 公里20 Gbps 的UAV 對地通信測試[5]；美國DARPA 項(xiàng)目“100 Gbps 射頻骨干網(wǎng)”致力于研制一種UAV毫米波通信網(wǎng)絡(luò)，使飛行狀態(tài)的UAV 和地面移動節(jié)點(diǎn)之間具備100 Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸能力，最大通信距離可達(dá)100 km[6]。

穩(wěn)健可靠的通信系統(tǒng)是UAV 正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕厩疤幔罅康男诺罍y量和精確構(gòu)建符合真實(shí)場景的信道模型是合理設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)陸地通信場景相比，UAV 毫米波通信具有一些新生的特性。首先，UAV 機(jī)身特性對通信系統(tǒng)具有顯著影響，如UAV 機(jī)身姿態(tài)抖動、機(jī)身遮擋陰影等物理特性使UAV 毫米波通信環(huán)境更加復(fù)雜多變。其次，UAV 毫米波通信涉及寬廣的頻譜范圍，不同頻段的信道具有明顯的差異。最后，UAV 毫米波通信信道具有明顯的三維傳播特征，包括三維散射環(huán)境、三維飛行軌跡、三維飛行姿態(tài)和三維陣列天線等。此外，傳統(tǒng)毫米波信道測量設(shè)備通常體積大、重量重，難以滿足UAV 載荷、供電的要求。UAV 自身體積有限，機(jī)載設(shè)備和天線設(shè)計(jì)以及電磁兼容等一系列技術(shù)問題都需要妥善解決。總之，針對毫米波頻段的UAV 信道測量建模研究還處于起步階段，更高效的UAV毫米波信道測量方法和更準(zhǔn)確的信道模型亟待研究開發(fā)。

本文接下來將首先分析UAV 毫米波通信信道的新特性，并歸納UAV 毫米波信道測量建模研究面臨的需求與挑戰(zhàn)，然后分類闡述UAV 毫米波信道測量現(xiàn)狀以及主流信道模型的優(yōu)缺點(diǎn)。最后對UAV 信道模型的未來發(fā)展趨勢以及新興潛在應(yīng)用進(jìn)行展望，圖1 給出了UAV 信道特性、信道測量、信道建模及未來應(yīng)用的內(nèi)在關(guān)系：

圖1 無人機(jī)毫米波信道研究內(nèi)容

1 UAV毫米波信道建模需求與挑戰(zhàn)

1.1 UAV信道測量

信道測量方案主要包括頻域測量和時(shí)域測量。其中，頻域測量通過掃頻的方式獲得特定位置和帶寬內(nèi)的頻域傳遞函數(shù)，再利用傅里葉變換獲得信道沖激響應(yīng)，該方案受其靈活性和測量距離的限制，常用于室內(nèi)及靜態(tài)場景信道測量[7-8]；時(shí)域測量方案采用分離的收發(fā)系統(tǒng)，更適用于UAV 遠(yuǎn)距離、高動態(tài)場景的信道測量。

（1）設(shè)備小型化

Sub-6 GHz 通信系統(tǒng)發(fā)展較為成熟，集成度高，易于小型化，面向Sub-6 GHz 的UAV 信道測量系統(tǒng)已得到了廣泛研究，比如部分文獻(xiàn)分別基于四旋翼[9-10]、六旋翼[11-13]和八旋翼[14]等UAV 平臺開發(fā)了小型輕量化的信道測量設(shè)備。然而，毫米波信道測量設(shè)備通常體積大、重量重，難以滿足UAV 載荷、供電的要求，因此針對現(xiàn)有毫米波頻段的UAV 信道測量設(shè)備的研究不足，文獻(xiàn)[15] 初步在微波暗室中對16 GHz 頻段UAV 毫米波信道測量設(shè)備進(jìn)行了性能測試驗(yàn)證，尚未用于實(shí)際場景；文獻(xiàn)[16]針對28 GHz頻段開發(fā)了輕量化的UAV 毫米波信道測量設(shè)備并開展了信道實(shí)測活動，但注意到由于UAV 的載荷和體積限制，該測量設(shè)備并未在UAV 發(fā)射端安裝毫米波功率放大器，從而限制了最大實(shí)測距離?？傊?，由于UAV 體積、載荷受限，毫米波機(jī)載設(shè)備集成、天線設(shè)計(jì)以及電磁兼容等一系列技術(shù)問題都亟待解決。

（2）收發(fā)系統(tǒng)同步

在UAV 信道時(shí)域特性測量方案中，由于收發(fā)端分離無法共用參考時(shí)鐘，同步問題一直是信道測量系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)，主要包含觸發(fā)信號同步和采樣同步兩個(gè)部分。首先，觸發(fā)信號同步可以保證收發(fā)端同步工作，使得信道測量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量絕對傳播時(shí)延。GPS 秒脈沖信號是信道測量系統(tǒng)中一種常見的觸發(fā)同步信號[17]，其通常內(nèi)置于UAV 控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)簡單，體積小，重量輕，但由于GPS 秒脈沖信號自身存在數(shù)十納秒的誤差，會對絕對傳播時(shí)延測試結(jié)果造成一定影響。因此，部分信道測量系統(tǒng)采用了更高精度的原子鐘模塊實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號同步[18-19]，但是原子鐘模塊通常價(jià)格昂貴，體積更大，重量更重，因此觸發(fā)信號同步方案的選擇需要綜合考慮測量精度要求和UAV 載荷限制。其次，信道測量系統(tǒng)的收發(fā)端會存在采樣時(shí)鐘偏差，導(dǎo)致接收端滑動相關(guān)提取信道沖激響應(yīng)時(shí)，相關(guān)峰的幅值存在不可忽略的損耗[20]。

（3）天線機(jī)身共型

現(xiàn)有的UAV 信道測量系統(tǒng)中，大多數(shù)研究將UAV視作一個(gè)理想的質(zhì)點(diǎn)，只考慮了天線自身方向圖對信道測量結(jié)果造成的影響[21-23]。然而，毫米波信號繞射能力差，不同UAV 特殊的機(jī)身結(jié)構(gòu)對信號傳播的影響更加明顯，因此部分文獻(xiàn)開始考慮UAV 機(jī)身特殊的幾何結(jié)構(gòu)影響下的等效共型天線方向圖，并將其影響因素納入信道測量方案設(shè)計(jì)中[24-25]，但是值得注意的是，這些研究工作只針對自身系統(tǒng)中天線安裝位置給出了共型天線方向圖，并沒有深入分析不同天線安裝位置對應(yīng)的共型方向圖及其對信道測量結(jié)果造成的影響機(jī)理。因此，UAV 毫米波信道測量系統(tǒng)需要根據(jù)不同UAV 機(jī)型，分析天線機(jī)身共型方向圖并選擇最佳的天線安裝位置，并在信道數(shù)據(jù)處理中引入該影響因素，以減少天線特性以及UAV 機(jī)身結(jié)構(gòu)對信道測量結(jié)果的影響[26]。

1.2 UAV信道模型

（1）機(jī)身遮擋抖動

由于毫米波頻段的波長較短，UAV 機(jī)身結(jié)構(gòu)特性會對毫米波信號傳播造成顯著影響，比如遮擋、散射和抖動等。此外，UAV 飛行過程中的機(jī)身斜傾、翻轉(zhuǎn)等行為也會對毫米波信號傳播產(chǎn)生陰影效應(yīng)[28]。因此，傳統(tǒng)信道模型將UAV 簡單抽象成質(zhì)點(diǎn)的假設(shè)不再適用，需要進(jìn)一步考慮機(jī)身結(jié)構(gòu)的影響[27]。文獻(xiàn)[29] 討論了機(jī)身散射對信號離開角的影響，結(jié)果表明UAV 信道的自相關(guān)函數(shù)會因機(jī)身散射發(fā)生改變。由于氣流影響或飛行要求，UAV機(jī)身姿態(tài)存在三維旋轉(zhuǎn)情況，也會導(dǎo)致天線方向發(fā)生改變，文獻(xiàn)[30] 分析了機(jī)身姿態(tài)對信道的影響。在UAV 飛行或傾斜轉(zhuǎn)彎時(shí)，UAV 和地面端之間的傳播路徑可能會被機(jī)身結(jié)構(gòu)（如機(jī)翼、機(jī)身或發(fā)動機(jī)）阻斷，產(chǎn)生陰影衰落現(xiàn)象。文獻(xiàn)[31] 指出，機(jī)身陰影是UAV 通信獨(dú)有的特性，對機(jī)身陰影合理表征和建模是通信鏈路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。此外，文獻(xiàn)[32] 研究了UAV 懸停過程中機(jī)身存在的毫米級機(jī)械抖動，結(jié)果表明會導(dǎo)致額外的多普勒效應(yīng)。

（2）高頻超寬帶特性

毫米波頻段具有豐富的帶寬資源，如26 GHz 和38 GHz頻段附近均有1 GHz 左右的帶寬，而68 GHz 頻段的帶寬資源可以達(dá)到5 GHz[33]。與Sub-6 GHz 頻段通信系統(tǒng)相比，毫米波通信雖然具備更寬的帶寬，但是也存在傳播損耗更大、信道變化更快、信號繞射能力更低等特性[34]。文獻(xiàn)[35]指出，不同頻點(diǎn)信號的反射、衍射等傳播過程和能量衰減具有明顯差異性，傳統(tǒng)的頻率平穩(wěn)性假設(shè)不再適用整個(gè)帶寬。此外，毫米波信道的頻率非平穩(wěn)具有一定的環(huán)境依賴性。文獻(xiàn)[36] 指出通信環(huán)境中不同波長的簇和多徑相互作用導(dǎo)致了毫米波信號的頻率非平穩(wěn)，因此超寬帶信道模型應(yīng)包含更多的多徑分量。在UAV 毫米波通信場景中，收發(fā)端都處于移動狀態(tài)，導(dǎo)致不同頻點(diǎn)的多普勒頻率差異愈發(fā)明顯。如果仍然假設(shè)多普勒頻移等于中心頻點(diǎn)對應(yīng)的頻移值，或者將寬帶信號切割為若干子帶，將無法體現(xiàn)多普勒連續(xù)非線性特征[37]。

（3）多域全三維特性

UAV 在三維廣域空間飛行，信號傳播具有明顯的全三維屬性，如三維環(huán)境、三維軌跡、三維旋轉(zhuǎn)和三維天線陣列等，這些屬性都會對信道傳輸特性造成顯著影響，同時(shí)也是研究人員在構(gòu)建UAV 信道模型過程中著重考慮的因素。文獻(xiàn)[38] 對UAV 對地傳播信號的離開角和到達(dá)角進(jìn)行分析，指出三維散射空間對信道模型的統(tǒng)計(jì)特性產(chǎn)生了明顯影響。此外，UAV 的位置、速度和姿態(tài)具有三維時(shí)變特性。隨著UAV 飛行環(huán)境的動態(tài)切換，多徑的生滅更為復(fù)雜多變，UAV 毫米波信道呈現(xiàn)明顯的隨機(jī)非平穩(wěn)特性。文獻(xiàn)[39-40] 將UAV 的移動速度擴(kuò)展為三維矢量表示，分析了UAV 三維運(yùn)動對散射體生滅的影響。文獻(xiàn)[41] 分析了UAV 飛行過程中、毫米波三維窄波束賦形技術(shù)及跟蹤和動態(tài)對準(zhǔn)等因素。

2 UAV毫米波信道建模的研究進(jìn)展

2.1 UAV通信場景信道測量

信道實(shí)測可以直觀觀測信號的傳播特征，也是信道模型構(gòu)建和參數(shù)獲取的重要步驟。近年來，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)開展了UAV 信道的測量研究[42-53]。例如，文獻(xiàn)[42]實(shí)測了UAV 懸停狀態(tài)，5.2 GHz 頻段地面接收功率及路徑損耗的特性；文獻(xiàn)[43]在沙漠、山區(qū)等場景實(shí)測了L/S 波段接收功率和時(shí)延擴(kuò)展等特性；文獻(xiàn)[44]針對1.8 GHz，2.585 GHz 和5.76 GHz 等頻段進(jìn)行實(shí)測并給出了路徑損耗、萊斯因子等參數(shù)特性；文獻(xiàn)[45-46]利用六旋翼UAV 搭建了一套UAV信道測量系統(tǒng)，對校園場景進(jìn)行了多次實(shí)際測量；文獻(xiàn)[47]針對UAV 空-空通信場景，利用信道探測儀測量了5.8 GHz頻段下的路徑損耗指數(shù)；文獻(xiàn)[48]將飛艇作為信號發(fā)射端，實(shí)測了2 GHz 頻段下樹冠對信號功率的影響。

利用UAV（或航空飛行器）平臺的信道測量系統(tǒng)如表1 所示，可以看出涉及的信道測量場景非常有限、頻段也偏低。大部分系統(tǒng)針對Sub-6 GHz 頻段，由于帶寬和天線等原因，無法滿足UAV 毫米波動態(tài)波束信道的實(shí)測需求。此外，研究人員開發(fā)了大量的實(shí)測信道參數(shù)提取算法，并利用實(shí)測的信道沖激響應(yīng)（或傳遞函數(shù)）和理論模型進(jìn)行比對評估。然而，考慮到UAV 毫米波信道的隨機(jī)性和非平穩(wěn)性，精確地獲取特定條件下的信道參數(shù)仍然比較困難。

表1 UAV（或航空飛行器）信道測量系統(tǒng)總結(jié)

2.2 幾何場景驅(qū)動的信道模型

目前主流UAV 毫米波信道模型利用了幾何地理場景的散射體信息。進(jìn)一步地，該方法可以分為GBDM（Geometry-Based Deterministic Channel Model，幾 何確定信道模型）和GBSM（Geometry-Based Stochastic Channel Model，幾何隨機(jī)信道模型），圖2 給出了幾何場景驅(qū)動的信道建模示意圖。

圖2 幾何場景驅(qū)動的信道建模示意圖

GBDM 需要獲取場景的詳細(xì)幾何地理信息，利用電磁波理論復(fù)現(xiàn)特定場景下無線信號的傳播過程。其中，RT（Ray-Tracing，射線跟蹤）方法是一種常用的確定性分析方法[54]，所獲模型的精確度高度依賴于輸入場景的精確度。文獻(xiàn)[55] 提出了一種基于RT 方法的GBDM，將毫米波信號的漫反射分量與鏡面反射分量分別表征；文獻(xiàn)[56] 通過對障礙物和散射體分配不同的材質(zhì)特性，來提高GBDM 的建模精確度。針對UAV 毫米波通信場景，文獻(xiàn)[57] 提出了一種基于數(shù)字地圖的GBDM，研究了毫米波信道的接收功率、信號角度和多徑時(shí)延等信道參數(shù)。文獻(xiàn)[58]基于RT 方法比較了城市、郊區(qū)、農(nóng)村和海洋四種環(huán)境下毫米波空地信道的信號傳播特性。為了減少計(jì)算復(fù)雜度，文獻(xiàn)[59]使用統(tǒng)計(jì)分布方法生成路徑內(nèi)參數(shù)，提高了GBDM 生成信道的效率。相較于其他類型的信道模型，GBDM 具有精確度高、數(shù)據(jù)獲取成本低等優(yōu)勢，但需要大量的計(jì)算時(shí)間，且只適用于給定場景。

GBSM 通過假設(shè)散射體服從不同的幾何分布，獲取信道傳播特性參數(shù)的表征，也是近年來UAV 信道建模的主流方法。GBSM 進(jìn)一步分為RS-GBSM（Regular Shaped Geometry-based Stochastic Channel Model，規(guī)則型幾何隨機(jī)信道模型）和IS-GBSM（Irregular Shaped Geometrybased Stochastic Channel Model，不規(guī)則型幾何隨機(jī)信道模型）。RS-GBSM 假設(shè)有效散射體分布在規(guī)則形狀上，如文獻(xiàn)[60]考慮到UAV 與接收端的高度差異，假設(shè)散射體以仰角分布在接收端附近的球體上，提出了支持多天線的RS-GBSM。文獻(xiàn)[61]假設(shè)收發(fā)端周圍的散射體分別分布在兩個(gè)圓柱體上，提出了一種考慮地面反射的UAV 萊斯衰落RS-GBSM。文獻(xiàn)[62]分別使用圓柱體和橢圓柱體來模擬局部散射體和遠(yuǎn)散射體的分布。與RS-GBSM 相比，ISGBSM 的散射體分布更加靈活，能夠適應(yīng)UAV 的三維飛行和高機(jī)動性，已應(yīng)用于5G 標(biāo)準(zhǔn)信道建模[63-65]。比如，雙簇建模方法假設(shè)散射環(huán)境由靠近發(fā)射端的簇和靠近接收端的簇以及他們之間的虛擬鏈路組成[66]。文獻(xiàn)[67]考慮UAV 通信過程中的大尺度衰落和小尺度衰落，提出了通用UAV 非平穩(wěn)IS-GBSM。為了進(jìn)一步通用性，文獻(xiàn)[68]提出了一種普適的三維空時(shí)頻非平穩(wěn)IS-GBSM 模型，能夠支持不同頻段和不同場景的信道特性。針對雙簇建模方法的局限性，文獻(xiàn)[69]對散射環(huán)境中的視距路徑，單跳反射和多跳反射分別進(jìn)行建模，提出了一個(gè)全面考慮信道傳播情況的UAV 毫米波IS-GBSM。相較于其他類型的信道模型，GBSM 的優(yōu)勢在于可直接獲得信道的單位沖激響應(yīng)表達(dá)式，并且通過調(diào)節(jié)參數(shù)能夠適用于不同的通信場景，具有較強(qiáng)的通用性。

2.3 數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)驅(qū)動的信道模型

基于幾何場景的信道建模需要在無線信號傳播方面有深入的專業(yè)知識，其模型參數(shù)多且計(jì)算復(fù)雜。為了解決幾何場景建模的約束和局限性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)被認(rèn)為是針對不同應(yīng)用場景信道建模的替代方案。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于近似任意函數(shù)和數(shù)據(jù)隱藏特征的挖掘非常有效，且能夠準(zhǔn)確捕獲信道的特性。因此，最近一些研究使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對海量原始信道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直接生成符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的信道，即數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)驅(qū)動的信道模型[70]。

目前，GAN（Generative Adversarial Network，對抗生成網(wǎng)絡(luò)）在數(shù)據(jù)生成和補(bǔ)全方面引起了廣泛的關(guān)注，GAN主要由信道數(shù)據(jù)生成器和信道數(shù)據(jù)判別器兩部分組成。數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)驅(qū)動的信道建模示意圖如圖3 所示，通過GAN 對海量原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，一旦以信道數(shù)據(jù)生成器和信道數(shù)據(jù)判別器之間的MinMax 博弈達(dá)到納什平衡，信道數(shù)據(jù)生成器將被提取為該通信場景下的目標(biāo)信道模型。文獻(xiàn)[71]提出了一種基于GAN 的無線信道建?？蚣?，對高斯白噪聲信道進(jìn)行自主建模，該模型無需任何理論分析和數(shù)學(xué)假設(shè)就能對復(fù)雜的通信環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)和表征。文獻(xiàn)[72]將信道的時(shí)頻響應(yīng)視為圖像，利用GAN 對信道圖像進(jìn)行建模，同時(shí)考慮了移動速度的影響，提出了一種單輸入單輸出的信道模型。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[73]針對鏈路級MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）信道設(shè)計(jì)了一種基于深度學(xué)習(xí)的信道模型，從時(shí)延域和天線域交叉驗(yàn)證了模型的有效性。然而，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的信道模型的研究還處于初級階段，目前缺乏針對UAV 毫米波通信場景的數(shù)據(jù)驅(qū)動信道模型，在未來亟需進(jìn)一步研究。

圖3 數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)驅(qū)動的信道建模示意圖

2.4 場景數(shù)據(jù)雙驅(qū)動信道模型

根據(jù)第2.2 節(jié)和第2.3 節(jié)的分析可知，數(shù)據(jù)驅(qū)動的信道建模需要海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，但由于信道測量活動的局限性，很難獲得所有場景下的實(shí)測信道數(shù)據(jù)，場景驅(qū)動的信道建模也存在準(zhǔn)確性和通用性的局限。為了在精確度、復(fù)雜度和泛用度之間實(shí)現(xiàn)平衡，數(shù)據(jù)和場景混合驅(qū)動的信道模型近年來受到廣泛關(guān)注。數(shù)據(jù)場景混合模型是以電波傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲取信道參數(shù)內(nèi)在特性。場景驅(qū)動的信道模型能夠高效獲取全場景覆蓋的信道數(shù)據(jù)，實(shí)測數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以更準(zhǔn)確挖掘環(huán)境與信道之間的映射關(guān)系，通過將二者有機(jī)結(jié)合，完成全面、準(zhǔn)確、高效的信道參數(shù)預(yù)測或信道建模。

文獻(xiàn)[74] 針對城市街道提出了一個(gè)基于幾何地理和機(jī)器學(xué)習(xí)的路徑損耗預(yù)測模型，通過遷移學(xué)習(xí)使用少量的場景測量值來優(yōu)化現(xiàn)有機(jī)器學(xué)習(xí)算法。針對UAV 通信場景，文獻(xiàn)[75] 提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)場景混合信道模型，該模型的確定性參數(shù)來自幾何信息計(jì)算，隨機(jī)參數(shù)由基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GAN 生成，在精度和效率之間取得了很好的平衡。文獻(xiàn)[76] 提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合信道模型，其中，路徑損耗和陰影衰落可以通過輸入建筑高度、收發(fā)端位置等幾何信息進(jìn)行預(yù)測。文獻(xiàn)[77] 考慮路徑時(shí)延，載波頻率和反射角對路徑損耗的影響，提出了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的UAV 對地混合信道模型。此外，文獻(xiàn)[78] 提出了一種基于遷移學(xué)習(xí)的混合信道模型，其利用場景驅(qū)動的信道數(shù)據(jù)挖掘場景和信道之間的聯(lián)系，結(jié)合已知場景的實(shí)測數(shù)據(jù)預(yù)測未知場景下的信道特性。UAV 毫米波信道特性隨場景變化更加復(fù)雜多變，針對傳統(tǒng)移動場景及Sub-6 GHz UAV場景的研究方法不再適用，如何結(jié)合現(xiàn)有場景驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動的UAV 毫米波信道建模架構(gòu)，構(gòu)建混合驅(qū)動信道模型，將成為未來UAV 毫米波信道建模的研究熱點(diǎn)。

3 未來發(fā)展趨勢與應(yīng)用

3.1 UAV信道模型的升級

（1）太赫茲通信

毫米波-太赫茲通信能夠利用巨大的通信帶寬，滿足高速率傳輸和超低延遲的應(yīng)用需求，因此被譽(yù)為6G（The Sixth Generation，第六代）通信系統(tǒng)的重要使能技術(shù)[79]。超大規(guī)模MIMO 技術(shù)可以在同一頻率信道上復(fù)用大量并行數(shù)據(jù)流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高的信道增益[80]。值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中超大規(guī)模MIMO 和毫米波-太赫茲呈現(xiàn)出一種共生關(guān)系。毫米波-太赫茲頻段信號波長極短，可以在幾平方毫米的空間內(nèi)嵌入超大規(guī)模的天線陣列，進(jìn)而利用波束賦型帶來的高增益彌補(bǔ)太赫茲信號的高傳播損耗[81]。然而，在UAV通信場景中，信道特性變化對于窄波束指向變化極其敏感，簇生滅現(xiàn)象也更加明顯，顯著增加了UAV 信道建模的難度和復(fù)雜性。目前，文獻(xiàn)[82]已初步提出了一種支持超大規(guī)模MIMO 無線通信系統(tǒng)的三維毫米波太赫茲信道模型。隨著未來通信系統(tǒng)對更高速率更大帶寬的需求，將現(xiàn)有UAV 信道模型升級為面向超大規(guī)模MIMO 毫米波-太赫茲的信道模型，是未來的一個(gè)重要研究方向。

（2）智能反射面

RIS（Reconfigurable intelligent surface，可重構(gòu)智能表面）是一種二維超表面，憑借低成本、高效率的優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注，并被認(rèn)為是未來6G 通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵使能技術(shù)[83]。RIS 主要分布在建筑物表面，當(dāng)收發(fā)端之間的視距路徑被障礙物嚴(yán)重遮擋時(shí)，可以借助RIS 智能控制電磁波傳播路徑，提供較強(qiáng)的視距路徑，從而改善通信質(zhì)量[84]。由于RIS 具有調(diào)控入射信號幅度和相位的能力，相當(dāng)于引入了一段額外的傳播信道，RIS 輔助的無線信道將會出現(xiàn)許多新生特性。這些信道特性與傳統(tǒng)的無線信道存在明顯差異，例如，RIS 的介入會造成與傳統(tǒng)通信場景不同的信號傳播損耗變化特性[85]。在UAV 毫米波通信場景中，收發(fā)端高速移動會引起多普勒效應(yīng)和多徑衰落，RIS 調(diào)整了到達(dá)多徑的相位和傳播方向，進(jìn)而影響了信道的角度擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展等特性[86]。目前已有學(xué)者將RIS 輔助的UAV 信道建模為三個(gè)子信道的級聯(lián)[87]，然而，上述RIS 輔助的信道模型對場景的針對性較強(qiáng)。因此，針對RIS 輔助的UAV 通信場景，構(gòu)建一個(gè)考慮所有信道特性，可應(yīng)用于各種頻帶和場景的通用信道模型是未來的研究重點(diǎn)[88]，該方向開辟了UAV 毫米波信道建模新的設(shè)計(jì)維度，對實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)被動適應(yīng)隨機(jī)信道到主動控制的跨越，具有重要的支撐作用。

（3）多機(jī)協(xié)同通信

隨著UAV 機(jī)群控制技術(shù)的發(fā)展，UAV 多機(jī)協(xié)同通信在物聯(lián)網(wǎng)[89]、邊緣計(jì)算[90]和安全通信[91]等各個(gè)領(lǐng)域引起了越來越多的關(guān)注。UAV 多機(jī)協(xié)同面臨著更加多變的通信環(huán)境和復(fù)雜耦合的信號，UAV 通信鏈路的可靠和穩(wěn)定是UAV 機(jī)群完成協(xié)同通信的基礎(chǔ)，因此UAV 多機(jī)協(xié)同應(yīng)用場景下的信道傳播特性將是未來研究熱點(diǎn)[92]。目前，面向UAV 多機(jī)協(xié)同場景的毫米波信道建模還處于起步階段，僅有文獻(xiàn)[93] 將配置單天線的多個(gè)UAV 組成虛擬MIMO 系統(tǒng)，提出了一種針對UAV 機(jī)群的空地信道模型。然而，對于毫米波段的UAV 多機(jī)協(xié)同通信場景，復(fù)雜多變的多機(jī)波束跟蹤、對齊過程使得信道模型的拓?fù)浼軜?gòu)和信道參數(shù)的時(shí)變特性更加復(fù)雜多變，此外，UAV節(jié)點(diǎn)之間的互擾也需要納入信道模型中。因此，如何將傳統(tǒng)單鏈路的UAV 信道模型升級成動態(tài)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)信道模型，是未來非常值得深入研究的方向。

3.2 UAV信道模型的應(yīng)用

（1）通信感知一體化

ISAC（Integrated Sensing and Communication，通信感知一體化）是未來無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一項(xiàng)重要使能技術(shù)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信任務(wù)和感知任務(wù)[94]。未來ISAC輔助的UAV 通信中，搭載傳感器的UAV 平臺有望在信息傳輸?shù)耐瑫r(shí)主動感知周圍環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的檢測、捕獲、成像等功能。結(jié)合毫米波-太赫茲通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位和高分辨率的三維成像。然而，ISAC輔助的UAV 毫米波通信系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)更高速率、更可靠的信息傳遞的同時(shí)，對UAV 通信鏈路的穩(wěn)定有著嚴(yán)格的要求。因此，兼容ISAC 技術(shù)的UAV 信道模型將是保障ISAC 通信系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要支撐。

（2）空天地海全域覆蓋

未來6G 通信將從陸地移動通信擴(kuò)展到全球無縫覆蓋的SAGSIN（Space-Air-Ground-Sea Integrated Network，空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)），包括衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、陸地通信網(wǎng)絡(luò)以及海洋通信網(wǎng)絡(luò)等[95]。其中，UAV 作為空中基站或移動中繼，致力于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場景中的多維度覆蓋與安全連接，在空地網(wǎng)絡(luò)、聯(lián)合衛(wèi)星和海上通信中發(fā)揮著重要作用。例如通過部署UAV 空中基站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海上漁船等設(shè)備與陸地控制中心的通信、無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建空-天-地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維覆蓋等。針對未來全域通信場景通信的應(yīng)用需求，UAV 將面臨種類繁多的通信環(huán)境，了解各場景下的信號傳播特性至關(guān)重要。因此，具備更強(qiáng)場景兼容性與平滑演進(jìn)能力的UAV 毫米波信道模型是開展空天地海全覆蓋通信研究的首要前提。

（3）信道模擬器

信道模擬器可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)低成本高效率地模擬真實(shí)信道，因此在通信設(shè)備制造、移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營及通信系統(tǒng)研究等領(lǐng)域均有巨大需求[96]?；谛诺滥M器復(fù)現(xiàn)真實(shí)UAV 通信場景下的信道狀況，有助于UAV 通信系統(tǒng)的重復(fù)測試，在降低測試成本的同時(shí)大大提高了研究效率。由于無人機(jī)毫米波通信的頻段高、帶寬大，且信道具有快速時(shí)變特性，需要開發(fā)更先進(jìn)的信道模擬器對UAV 毫米波信道進(jìn)行高實(shí)時(shí)性的模擬。然而，設(shè)計(jì)信道模擬器的前提是深入了解通信場景下的傳播機(jī)理及信道特性。因此，高效逼真并支持超寬帶特性的UAV 毫米波信道模型是設(shè)計(jì)開發(fā)滿足未來應(yīng)用需求的高實(shí)時(shí)性UAV 信道模擬器的基礎(chǔ)保障。

4 結(jié)束語

UAV 毫米波通信作為未來極具潛力的通信技術(shù)，在空中基站、無線中繼、應(yīng)急通信以及戰(zhàn)場通信等受到了廣泛的關(guān)注。對無人機(jī)信道的高效測量和精確建模，是實(shí)現(xiàn)高效可靠的無人機(jī)通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，也是測試和評估通信系統(tǒng)的重要依據(jù)。本文通過分析面向UAV 毫米波測量與建模的已有研究成果，歸納了UAV 毫米波場景獨(dú)有的信道特性以及信道建模面臨的需求與挑戰(zhàn)，總結(jié)分類了當(dāng)前UAV 毫米波信道模型，包括幾何場景驅(qū)動、數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)驅(qū)動以及場景數(shù)據(jù)雙驅(qū)動信道模型。在此基礎(chǔ)上，展望了未來UAV 信道建模的發(fā)展趨勢和應(yīng)用場景，旨在為UAV 毫米波信道模型的科學(xué)構(gòu)建提供參考依據(jù)，進(jìn)而為高效可靠的UAV 毫米波通信系統(tǒng)提供理論支撐。