高海况无人机海空信道建模与估计技术研究
摘要
发展建设海洋经济、构建海洋无线信息网络都需要海上无人机的深度参与，但是
在高海况条件下建立有效的无人机通信链路面临着许多问题。正确认知海上无线信道
特性可以保障高海况下通信稳定性，但传统的统计型信道建模方式需要多种设备进行
RayTracing,RT
勘测，将耗费巨量的人力物力，而射线追踪（）法作为一种确定性信道
建模方式可有效解决实际场景中信道测量成本昂贵的问题。此外，为满足海空无线通
信传输需求，正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM）技术
因其高频谱利用率、抗多径衰落能力强等优点在海上无线通信中得到越来越多的关
注，为保证通信过程中传输效率，需对信道估计算法进行研究。因此本文通过射线追
踪法对不同海况进行通信信道特性分析，并在此基础上研究了海上无线信道估计技
术。本文工作如下：
首先对不同海况进行了信道特性分析。海上无线通信链路中，海况是影响无线通
信的一个重要因素，研究不同海况下信道特性需要建立三维海面模型。因此本文通过
JONSWAP海浪谱建立了四种不同风速下的海面模型，基于不同的海面模型建立了海上
无人机几何通信场景，使用射线追踪法对路径衰减、时延分布、时延扩展、角度分布
和多径数目进行了统计分析。仿真结果表明，相比于其他传统海上信道模型，该方式
能更加全面的展现海上无线通信特性。
然后针对海上无线通信中双选择性信道估计问题，对基扩展方式和压缩感知方式
展开对比。仿真结果表明，使用基扩展方式对高海况无线信道进行估计时NMSE精确
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度不足；因双选信道在时延多普勒域可表示为稀疏信号，因此可使用压缩感知方
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式进行信道估计，且海上无线信道具有簇稀疏性。因此针对海上无线信道结构特性，
对块-压缩感知算法GOMP进行了改进。对比其他传统压缩感知算法，改进型算法在不
同多普勒频移和辅助导频占比下均有较高重建精度。最后综合考虑不同算法在不同稀
疏度下的运行时间，提出一种预估稀疏度下信道估计策略，该策略结合了ROMP和改
进型GOMP算法在不同稀疏度下的优点，可保证较高的重构效率和较低的时间复杂
度。
关键词：射线追踪法；信道估计；压缩感知；高海况；海浪谱
高海况无人机海空信道建模与估计技术研究
ABSTRACT
Thedevelopmentandconstructionofmarineeconomyandmarinewirelessinformation
networkallrequirethedeepinvolvementofmaritimeUAVs,buttherearemanyproblemsin
establishingeffectivemaritimeUAVcommunicationlinksunderhighseastateconditions.
Correctknowledgeofmaritimewirelesschannelcharacteristicscanguaranteethestabilityof
communicationunderhighseaconditions,butthetraditionalstatisticalchannelmodelling
methodrequiresmultipledevicestoconductsurveys,whichwillconsumeahugeamountof
manpowerandmaterialresources.Inaddition,inordertomeetthecommunicationneedsof
airandseawirelesscommunication,Orthogon