無人機地空鏈路信道特性與寬帶數據傳輸

高保生,朱良彬

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

無人機地空數據傳輸過程中,無線信號會受到地形、地物以及大氣等因素的影響,引起電波的反射、散射和繞射,形成多徑傳播,造成數據傳輸質量下降。

該文分析了無人機地空數據傳輸信道特性,提出了相應的數據傳輸體制,提高了地空寬帶數據鏈的抗多徑傳輸性能。

1 地空信道模型

尋找和建立一個合適的信道模型是研究無人機地空數據傳輸信道特性的關鍵。在無人機整個工作過程中,根據飛行環境的不同,存在不同數量的傳播路徑,包括直射分量 r1、地面反射波r2以及除地面反射波之外的其他反射分量r3,如圖1所示。

為了方便分析,使用WSSUS三徑模型對無人機地空數據鏈路信道特性進行分析:

式中,a0、a1、a2分別為直射分量、地面反射分量和除地面反射分量以外的其余多徑分量的幅度增益;fLOS為直射分量的多普勒頻移 ;θref、fref、τref分別為地面反射分量的相移、多普勒頻移和延遲時間;θscat、fscat、τscat分別為除地面反射之外的多徑分量的相移、多普勒頻移和延遲時間。

圖1 無人機地空數據傳輸示意圖

2 地空信道特性分析

在不同的工作狀態下,無人機所處的信道具有不同的特性,并且由信道衰落類型、多普勒頻移以及延遲擴展等特性決定。為了準確建立信道模型,將無人機系統整個工作過程劃分為“滑行”、“起降”和“巡航”3種狀態。

2.1 滑行階段

在無人機滑行階段存在視距傳播分量r1,同時機場地面及其周圍建筑物、山脈等地物地貌會引起很強的多徑傳播分量r2和r3,信道呈現明顯的萊斯特性。該階段的多徑信號能量較強,在文獻[4]中建議無人機滑行階段的萊斯因子大小為6.9 dB。

在該階段可以借鑒COST-207標準中的鄉村信道模型,最大多徑時延為0.7 μ s,計算得到信道相關帶寬約為1.4 MHz。而此時數據傳輸速率在2 Mbps以上時,信號帶寬大于信道相關帶寬,信號在傳輸過程中會引起頻率選擇性衰落。

2.2 起降階段

“起降”階段傳輸信號由直射波信號r1、地面發射波信號r2以及周圍建筑物、山脈等地物地貌引起的反射波信號r3組成,屬于萊斯(Rice)信道。相對于滑行階段,信號r1有所加強,r2和r3分量相對減弱,文獻[4]中建議無人機起降階段的萊斯因子大小為15 dB。

多徑衰落效應主要由r2和r3引起,其中r2徑時延相對較小。以地面站天線高度為5 m、飛機高度為50～5 km、飛行距離為1～100 km為例來計算,最大多徑時延約為16.7 ns;而 r3的多徑時延相對較大。在某些復雜飛行環境下,多徑時延可以達到幾 μ s,甚至幾十 μ s。以最大多徑時延1 μ s來計算,信道相關帶寬為1 MHz;當多徑時延增大時,相關帶寬會變得更小。而這個階段數據傳輸速率一般不低于2 Mbps,信號帶寬遠大于信道相關帶寬,數據在傳輸過程中會產生嚴重的頻率選擇性衰落。

2.3 巡航階段

在這個階段,傳輸信號同樣由 r1、r2和r3組成。而此時r3信號分量相對較弱,其能量約為直射分量的1%～8.4%,可以忽略。在該狀態下,無人機地空數據鏈路可以等效為由信號r1和 r2組成的萊斯信道,萊斯因子可以設定為10 dB。

多徑效應主要由信號r2引起。假設地面反射為理想鏡面反射,以地面站天線高度為5 m,飛機高度為5～20 km,飛行距離為100～400 km來計算,多徑時延約為0.42～6.67 ns。信道相關帶寬最小約為150 MHz。而這個階段數據傳輸速率一般在2～100 Mbps之間,遠小于信道相關帶寬。所以在這種飛行狀態下,信道是一個平坦衰落信道。

3 寬帶數據傳輸技術

根據上述分析,在無人機巡航飛行階段,信道屬于平坦衰落信道,采用QPSK調制等調制體制,加入合適的信道糾錯編碼就可以滿足系統誤碼率要求。而在無人機滑行階段和起降階段,較大的多徑時延會引起頻率選擇性衰落,影響數據傳輸質量,所以必須采取有效寬帶數據傳輸方案以對抗多徑衰落的影響。

在2003年提出的IEEE802.16a標準中,規定了SC-FDE系統和OFDM系統2種抗多徑衰落的寬帶無線數據傳輸技術。

3.1 SC-FDE系統基本原理

SC-FDE的基本原理框圖如圖2所示。

圖2 SC-FDE原理

在發送端,輸入的二進制信息流根據調制方式(如MPSK或者MQAM)先進行星座圖映射,然后插入UW序列和保護間隔進行數據成幀,對成幀后的數據序列進行脈沖成型后調制到高頻載波上,通過射頻發射出去;在接收端,信號進行A/D轉換后經過正交下變頻將信號搬移到基帶,在基帶完成同步、信道估計以及均衡處理,再恢復到時域進行判決輸出。

3.2 OFDM系統基本原理

OFDM基本原理框圖如圖3所示。

圖3 OFDM原理

在發送端,輸入的二進制信息流根據調制方式(如MPSK或者MQAM)先進行星座圖映射,然后串并轉換、插入循環前綴(CP)形成特定的數據幀。將成幀后的數據通過IFFT變換將并行數據調制到相應的子載波上發射出去。在接收端,通過FFT變換后在頻域進行均衡,最后判決輸出。

3.3 SC-FDE系統和OFDM系統比較

對比圖2和圖3可以看出,SC-FDE和OFDM二者在原理上有很多相似之處。但是OFDM信號是多路子載波信號的疊加,會產生很大的峰值平均功率比(PARA),通過非線性放大器時會導致信號畸變;同時OFDM系統中子載波之間要求嚴格的正交,所以OFDM對載波頻偏較敏感。而SC-FDE采用單載波傳輸體制,同時保留了多載波系統信號處理的方法,有效消除多徑衰落影響的同時避免了多載波傳輸的缺陷,加上單載波系統適合下行鏈路的對無人機跟蹤。所以在無人機滑行和起降階段,可以選擇SC-FDE寬帶數據傳輸方案來對抗多徑衰落。

4 地空數據鏈路中SC-FDE性能仿真

根據上述對無人機地空數據鏈路信道特性分析,分別模擬無人機滑行階段和起降階段信道特性對SC-FDE系統的抗多徑衰落性能進行仿真。設定數據傳輸速率為2Mbps,調制方式為QPSK。

4.1 滑行階段

采用COST-207標準中鄉村萊斯信道模型,最大多徑時延設定為0.7 μ s,萊斯因子K 取6.9 dB。UW序列選擇的是長度為64的Frankzadoff 序列,FFT數據塊長度為512。信道編碼采用為(2,1,7)卷積編碼。采用MMSE信道估計準則對均衡性能進行仿真,誤碼率曲線如圖4所示。

圖4 滑行階段SC-FDE性能仿真

從圖4中可以看出,在信噪比為10 dB時,均衡將誤碼率從10-1數量級降低到10-2,加入卷積編碼以后,誤碼率降低到＜10-5。

4.2 起降階段

信道模型選擇萊斯信道,Rice因子K取15 dB,最大多徑時延設定為10 μ s。UW序列選擇的是長度為64的Frankzadoff 序列,FFT數據塊長度為512。信道編碼采用(2,1,7)卷積編碼。采用MMSE信道估計準則對均衡性能進行仿真,誤碼率曲線如圖5所示。

圖5 起降階段SC-FDE性能仿真

從圖5中可以看出,在信噪比為10 dB時,均衡將誤碼率從10-1數量級降低到10-3,加入卷積編碼以后,誤碼率降低到＜10-6。

5 結束語

無人機地空數據鏈路在數據傳輸過程中受到多徑衰落的影響,造成通信質量下降。通過對比分析SC-FDE技術和OFDM技術,SC-FDE技術具有載波包絡恒定,適合下行鏈路跟蹤等的特點,能很好地解決無人機地空數據鏈在滑行和起降階段的多徑衰落問題,大大提高數據傳輸質量。該文的研究對無人機地空寬帶數據鏈的抗多徑設計具有一定的參考意義。

[1]尹長川,羅 濤,樂光新.多載波寬帶無線通信技術[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.

[2]龔志紅,陳宏偉,樊 昊.空基型導彈圖像傳輸信道模型研究[J].航空兵器,2006(6):58-62.

[3]HASS E.Aeronautial Channel Modeling[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology,2002,5(2):56-60.

[4]楊霄鵬,姚 昆,史浩山.航空信道仿真分析[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2006(6):41-44.