文 |古轩说史

编辑 | 古轩说史

在无人机技术日新月异的发展中，新型无人机视距 MIMO 配置技术以其突破性的特点备受关注，因为它能够实现在传输距离上无关的高效通信。

毫米波通信作为一种高频通信技术，具有大带宽和高传输速率的优势，但其传输距离受到较大限制。

传统的无人机通信往往需要在不同传输距离下进行配置和优化，以保证稳定的通信连接。新型无人机视距 MIMO 配置技术则为此带来了全新的思路。

该技术通过在视距范围内的多个位置设置多个发射和接收天线，实现了在不同传输距离下的稳定通信连接，从而消除了传输距离对通信性能的限制。

新型无人机视距 MIMO 配置技术的应用不仅可以提升毫米波通信的可靠性，还可以降低通信延迟，提高通信质量。

01

LOS-MIMO传输概述

研究聚焦于处理LOS-MIMO传输模型，其中发射器和接收器都采用具有相同M元件天线阵列的配置，并且它们彼此平行放置。

这种LOS-MIMO系统采用均匀阵列，通过调整天线元件之间的距离来实现信道正交传播，以达到最佳传输效果。这个优化过程基于传输距离D的最佳值来选择元件间距d。这种配置使得信号能够在发送和接收元件之间直接传输。

对于实现信道正交传播，最佳传输距离差和元件间距（根据公式(3)计算）被优化。这种策略的有效性可以通过考虑一个2×2的MIMO系统，假设它带有均匀线性阵列（ULA）来进行阐述。

研究发现，当传输长度差为奇数倍的1/4波长时，LOS-MIMO传输性能达到最大，当传输距离发生变化且传输长度差为偶数倍的1/4波长时，系统性能最小。以前的研究已经使用非均匀阵列排列来解决这一问题。

对于ULA，元件间距d被选定为66.5 GHz的频率下，d = 100米。而对于非均匀排列，元素之间的距离选择为非ULA元素之间距离的2倍，同时#1-#2和#2-#3之间的距离比为0.6 : 0.4。在这两种情况下，利用本征模传输分析了ULA和非ULA的信道容量。

考虑到参考值d = 100米时的信噪比（SNR）设置为10 dB，并且考虑到距离的平方衰减，信号与传输距离的关系被建模。模拟计算获得了ULA和非ULA信道容量随传输距离的变化情况。

研究结果还考察了所有特征值都为常数的理论上限。在ULA中，特性的周期性达到局部最大值和最小值。与之相比，非ULA中几乎到处都补充了局部最小值。

研究者还注意到在非相对元件之间的传输长度分布差异，当D = 33.3米时，分别为ULA和非ULA接收元件的传输长度。在ULA中，非相对元件的传输长度之差为1/4波长的偶数倍，而对于非ULA，在D = 33.3米时，超过一半的非相对元件的传输长度差甚至不是1/4波长的倍数。

通过采用非均匀排列，可以消除传统LOS-MIMO传输中规则间隔造成的规律性影响，从而构建抵抗传输距离变化的系统。

借助非均匀排列的优势，研究者通过将元素排列在固定的正方形中来构建补偿信道容量特性下降的系统。

值得注意的是，即使在使用非ULA时，当元件固定时，特性也会在某些点出现下降，类似于ULA的情况。

这是因为在元件固定的情况下，传输长度差随传输距离的变化而线性变化，为了优化二维平面中的传输长度差异，存在许多元素布置的组合方式。研究者提出使用遗传算法来寻找近似最优解，以推导出固定元素排列的最佳布局方案。

02

利用遗传算法的天线布置评估方法

遗传算法（GA）是一种进化计算方法，通过模拟生物进化过程来寻找问题的最优解。它的工作方式是通过逐代演化，将遗传算子应用于种群中的个体，并通过交叉和变异来生成新的个体，直到满足预设的终止条件，从而逐步找到近似最优的解决方案。

遗传算法结合了随机搜索和最陡梯度法的优点，在随机搜索中，随机选择解进行评估，而在最陡梯度法中，根据当前解状态寻找更好的解状态。

遗传算法通过遗传算子的应用，将个体的优势特性保留并引入新的变化，从而实现搜索过程。

在研究中，他们使用遗传算法验证了非均匀排列相对于均匀排列更加有效的假设。他们的遗传算法模拟过程包括适应度评估、选择、交叉和变异等操作。

在遗传算法中，初始群体中的每个个体都具有共享的信息和个体特有的信息。共享信息包括发射功率、频率、元件数量、元件排列范围和发射距离。

个体特有的信息包括元件的位置和相对于传输距离的信道容量。整个群体由不同元素排列组成的个体构成。

通过搜索过程，他们试图改进整体传输距离上信道容量的特性。为了评估传输距离变化的鲁棒性，他们以平均值减去标准差的方式计算适应度。

在遗传算法中，个体根据适应度进行排序，并使用贝克线性排序选择操作，他们还采用了精英选择，确保适应度最大值单调递增。交叉和变异操作则引入了个体间的变化，以产生新的解。

遗传算法的终止条件是完成一定数量的代数操作。最终，适应度最高的个体被视为近似的最优解。

03

计算机模拟评估

研究中的仿真模型以正方形为基准，对垂直全向天线阵列进行排列，形成了中号范围内的模拟环境。为了探究不同元件数量下的情况，假设伪正方形排列是可能的，且元件布置相同，忽略了元件之间的相互耦合。

在仿真中，发射器（Tx）和接收器（Rx）分别位于彼此的对立面，其中 Rx 可移动而 Tx 固定，然后评估不同传输距离下的特性。

仿真使用的频率为 66.5 GHz，并且传播信道模型仅考虑了纯直达波的情况，即没有多径传播，使用本征模传输用于信号处理。为了量化效果，使用公式计算信道容量。

此外，还计算了元素之间空间相关性的平均值，以综合评估所有元素传输长度差异的影响。在此仿真中，仅对接收侧的相关性进行了评估，因为传输和接收具有相同的阵列配置。

仿真的比较对象包括提出的方法（Prop.）、传统方法（Conv.）、理论上限（UB）以及独立同分布瑞利衰落模型（IID）。提出的方法（Prop.）是在第三节中介绍的通过遗传算法优化排列的方法。传统方法（Conv.）指的是常规的排列方式。

理论上限（UB）与第二节中的定义相符。而独立同分布瑞利衰落模型（IID）是在多径 MIMO 传输情况下，假设每个传输距离下的信道呈独立同分布的瑞利衰落模型，用于计算平均信道容量。

在仿真中，转化次数固定的情况下评估了最优正方形排列，通过 GA 优化的提出方法（Prop.）、传统方法（Conv.）、理论上限（UB）以及独立同分布瑞利衰落模型（IID）之间的性能比较。其中，提出的方法（Prop.）是在第三节中通过遗传算法优化得到的排列方案。

04

非均匀排列的特点

在这项研究中，评估参数的范围涵盖了中号从 3 到 16，传输距离从 1 到 100 米（以 0.1 米的增量），信噪比（SNR）为 20 分贝。

在这里，SNR 被设置为固定值，没有考虑距离衰减，目的是关注传输长度差异对传输距离的影响。遗传算法（GA）的参数经验性地设置为：个体数为 100，交叉率为 0.8，变异率为 0.01。在独立同分布瑞利衰落模型（IID）中，评估了每个传输距离下的平均信道容量。

为了确认遗传算法的运行结果，进行了中号从 3 到 10 的仿真。由于最大适应度值随着世代的变化单调增加，说明遗传算法搜索近似最优解的功能正常，许多元素在不到预定代数的一半时间内就呈现出收敛的趋势。

在此模拟中，为了简化，不同单元数量的情况下使用了相同的GA参数设置，参数设置的优化留待未来研究。

通过遗传算法得到了各元素的近似最优解，无论元素数量如何，所有元素的轴比例均保持一致。对于中号为 3、4 和 5 的情况，它们分别近似于等边三角形、梯形和正五边形，它们的形状也逐渐接近圆形阵列。

在这三种元素类型的情况下，与传统方法（Conv.）相比，通过遗传算法优化的方法（Prop.）在平均值上实现了增大，同时标准差减小。虽然在最大值方面，Prop. 不及 Conv.，

传统方法（Conv.）的空间相关性的最大值为 1.00，而通过遗传算法优化的方法（Prop.）的值随着元素数量的增加而按比例减少。该模拟下的唯一影响空间相关性的因素是由于传输长度差异引起的相位差。因此，研究者推测通过遗传算法优化了元件排列，使得相位差接近最优值，从而改善了传播信道的非正交性。

综合结果包括实际假设的因素，即幅度分量由传输长度差异引起，同时考虑传输距离引起的距离衰减。这些因素使得信道容量与传输距离的关系在中号为 4、9 和 16 的情况下得到了详细的评估。

05

实验结果

特征值与传输距离的关系，其中 Simu。是模拟值，Meas。是测量值，模拟值是使用从传播信道导出的特性，模拟值和测量值均以振幅大小为单位归一化。

考虑到与传输距离的平方成正比的距离衰减来指定信噪比，各测量点的测量值的所有特征值与模拟值几乎一致。

特征值在 17.1 m 和 50 m 处接近恒定值，其中传输长度的差是 1/4 波长的奇数倍。在传输长度差为1/4波长的偶数倍的12.8m和25.6m处，观察到第一特征值以外的简并性。

理论上，当4 × 4 方阵面对面时，除了对角元素和对角元素之外的两个元素的传输长度差相同。

该测量可以清楚地看出，4 × 4 66.425 GHz 的 LOS-MIMO 可以在真实环境中以均匀和非均匀布置方式实现。

即使在测量值的情况下，特征值分布也通过元件布置而得到改善，模拟值的误差也会出现。

讨论实验结果的可靠性，包括本次测量中可能存在的误差因素。该测量中可以考虑的主要误差是发射机和接收机位置的未对准以及多径环境。

关于立场的错位，2 × 2 LOS-MIMO，虽然是均匀布置，但据报道，即使发射机/接收机阵列水平和垂直偏离面向位置约20%，偏离约30°，信道容量特性的变化也约为1%。侧射方向到端火方向。

因为即使在位置未对准的情况下也可以保证一定水平的鲁棒性，所以与多径相比，位置未对准预计是一个小的误差因素。基于这一点，重点关注误差，测量值与模拟值之间的误差最大小至约3dB，在该测量中，地形和风的影响没有被完全消除，这一事实被认为影响了误差。