提高地空數據傳輸系統可用度方法研究

楊曉飛，張小龍

(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

可用度是數據傳輸系統保障性的重要參數之一，是指在規定的時間和條件內，系統能夠完成規定數據傳輸功能的概率，在實際工程中，可定義為規定時間和條件內，系統實際正確傳輸的數據量占總數據量的百分比值。可用度是對系統可工作能力的綜合描述。

在無人機地空無線電信號傳輸過程中，由于大氣折射、地面反射或地物繞射的影響，到達接收天線的電波有多個路徑且相位不一致，產生多徑衰落現象，造成數據傳輸質量下降，使系統可用度大大降低。

傳統的無線數據傳輸信道抗多徑、抗衰落方法有擴頻、分集以及糾錯編碼等，在滿足傳輸質量要求、追求易于實現的設計理念下，采用ARQ斷鏈數據重傳方案，在不明顯增加系統設備量和成本的情況下，可顯著提高無人機地空數據傳輸系統的通信可用度。

1 需求分析

當前的大多數無人機地空數據傳輸系統，上行鏈路傳輸信息主要有載機飛行控制和任務裝訂數據，下行主要有載機遙測參數及機載平臺的業務數據(一般為圖像視頻類信息)。其中的遙控與遙測數據都是實時性數據，信息每幀更新，鏈路通信短時間的中斷后，一旦恢復，接收端馬上可以獲得最新的數據，并且上行控制指令多采用高冗余度的大數判決機制，上行信號采用高抗干擾的擴頻體制，傳輸可用度滿足使用要求;而下行圖像信息幀之間有較多的重復性冗余信息，短時間的鏈路通信中斷，基本并不影響信息的可用性。統計表明，在無人機地空數據傳輸系統中，當收發鏈路電平衰落裕度為10 dB時，地空數據傳輸通信可用度在90%以上［1］。

隨著未來陸海空天一體化通信體系的發展，無人機系統將成為體系中的重要節點和信息傳輸通道，承載情報、指揮與控制等信息的傳輸任務，數據傳輸的帶寬需求將成倍增加，多徑效應等各種原因引起的信號衰落也會更加嚴重，任何時間地空數據傳輸鏈路出現任何形式的中斷，都可能會破壞數據信息的完整性，90%的通信可用度顯然不可能滿足數據信息的傳輸要求。因此，有效提高無人機地空數據傳輸系統的可用度勢在必行。

2 地空數傳信道衰落分析

為了提高無人機地空數據傳輸系統的可用度，有必要對無人機地空數據傳輸鏈路信號衰落和傳輸中斷的原因進行分析。

2.1 多徑衰落

無人機地空數據傳輸屬于微波通信過程，在實際通信過程中，如圖1所示，發射天線發送的信號經過大氣折射或散射、地面反射或地物繞射等的傳播路徑后，到達接收端的信號往往是多個路徑信號的疊加，使接收到的信號幅度出現隨機起伏變化，形成多徑衰落。多徑衰落會降低接收機可獲得的有用信號功率并增加干擾的影響，使得接收信號產生失真、波形展寬、波形重疊和畸變［2－4］，甚至造成解調器輸出發生大量差錯，以至完全不能通信。

圖1 無人機地空數據傳輸示意

為建立穩定的無線鏈路，在無人機系統執行任務時，一般要求地面站天線與機載天線間必須滿足無線電通視條件，二者間不能有任何明顯的遮擋物。同時要求地面站選擇在開闊地帶，地面為土地或草地較好，盡量避免水泥等反射系數較高的硬化地面，周圍一定范圍內不要有明顯遮擋或高大建筑物，以減少反射繞射等多徑信號的產生。

依據工程經驗及文獻［5］的分析，在滿足以上場地環境通視條件下，無人機地空數據傳輸信道可以簡化為二徑信道，即只考慮地面天線與機載天線之間的直達路徑r1和電波通過地面反射后到達接收天線的路徑r2。

2.2 機體遮擋引起的衰落

機載天線一般安裝在飛機腹部，當飛機在空中做水平方向飛行時，機載天線與地面站天線通視效果最好，而當飛機做大角度爬升、下降、轉彎或掉頭時，機體均有可能對天線波束產生遮擋，引起傳輸信號的衰落，導致傳輸鏈路的瞬間中斷或不穩定。衰落影響的時間與飛機爬升或下降的持續時間有關，轉彎和掉頭動作對信號傳輸的影響一般在數秒鐘時間之內。

采用載機安裝多副天線的措施，如在飛機左右兩翼或機頭、機尾安裝2副或以上天線，當飛機飛行姿態變化時，通過切換天線可以較有效地規避機體遮擋引起的衰落影響。

2.3 機體反射吸收引起的衰落

早期無人機系統機體材料多為玻璃鋼、碳纖維或環氧樹脂等非金屬材料，隨著無人機數據傳輸系統向有人機或有人機改造成的無人機上的推廣使用，由于有人機機體多為金屬材料，金屬機體一方面影響了機載天線的輻射方向圖;另一方面對地空無線信號的反射干擾信號也大大增強，以致影響到傳輸鏈路通信質量。因此，無人機的金屬機體的影響也已成為地空數據傳輸過程中必須考慮的因素。這就要求在機載天線的設計中有針對性的考慮金屬機體表面的具體情況，合理選取機載天線的安裝位置和高度，并將機體與機載天線組合在一起進行天線設計，同時也要在系統數據傳輸體制上采用更有效的抗衰落措施。

2.4 其他因素的影響

由于無人機地空數據傳輸系統機載收發設備處于高速移動狀態，接收到的信號由于多普勒效應會產生嚴重的失真;氣象條件等的變化也都影響信號的傳播，使接收到的信號幅度和相位發生變化;另外，周圍環境中的各種無線電波也會對信號傳輸構成不可忽視的危害［6］。這些都給無人機地空數據傳輸帶來了不利的影響。

依據工程經驗及文獻［5］的理論計算得出:各種原因引起的信號深衰落幅度一般在10～20 dB，嚴重時可達30 dB，造成的傳輸鏈路中斷時間從秒級到數十秒級時間長度不等，95%以上的中斷持續時間在數秒鐘時間之內，其總中斷時間占所有中斷時間的90%左右，持續時間在數十秒鐘以上的中斷屬于低概率事件。

3 傳統抗衰落方法

目前，無線數據傳輸信道抗多徑、抗衰落的主要方法有擴頻、分集以及前向糾錯等技術體制，下面對這些方法在無人機地空數據傳輸系統中應用的可行性進行分析。

3.1 擴頻與Rake接收技術

Rake接收與擴頻技術結合主要用于當不同路徑信號的延遲超過一個偽碼的碼片時延，則可在接收端將不同的波束區別開來，將這些不同的波束分別經過不同的延遲線，對齊后合并在一起，把原來的干擾信號變成有用信號。Rake接收技術是一種隱分集技術，也叫路徑分集技術。

無人機在執行數據傳輸任務時，一般處于巡航飛行狀態，依據前文所述地空二徑模型及文獻［7，8］，此時地空數據傳輸系統中具有影響的多徑時延一般在幾納秒量級，而目前大多擴頻碼速率在100 Mcps以下，多徑時延小于一個擴頻偽碼碼片的時間，因此，采用Rake接收技術不適用于解決無人機地空數據傳輸系統的多徑問題。

3.2 顯分集技術

常見的顯分集技術包括空間分集和頻率分集等，是一項主要的抗衰落技術，可以明顯提高多徑衰落信道傳輸下的可用度。依據文獻［5］可以看出，地空數據傳輸信道的深衰落強度隨著系統工作頻率、地空收發天線距離和相對高度的不同而變化，分集接收的效益是顯而易見的。但是，采用這類顯分集技術將會成倍增加系統設備量與成本，這基本不符合無人機系統低成本的使用需求。因此，空間分集和頻率分集技術在輕便型無人機地空數據傳輸系統中不宜采用。

3.3 前向糾錯技術(FEC)

FEC的優點是不需要反饋信道就能有效地糾正傳輸錯誤，缺點是當接收信號信噪比衰落到譯碼門限以下時，會出現糾錯能力喪失甚至失步斷鏈的結果，因此FEC最好配合分集一起使用［9］。

可見，以上抗衰落方法在無人機地空數據傳輸系統中并不適用。在實際工作中，通過對一種能夠提高數據傳輸可靠性的ARQ技術的研究發現，無人機地空數據傳輸系統完全具備了ARQ技術的應用條件，對ARQ方式加以改進后的ARQ斷鏈重傳機制可能成為高性價比的地空數據傳輸抗衰落手段。

4 ARQ斷鏈重傳技術及工程應用

4.1 ARQ技術

ARQ是一種可有效地提高數據傳輸可靠性的技術。ARQ通信系統首先在發送端對信息進行編碼，編碼后的碼組具有很強的檢錯能力，通過前向信道送到接收端。在接收端進行檢錯，如果沒有檢出錯誤，則送給用戶，同時，通過反向信道向發送端返回一個信號ACK，通知對方此碼組已經正確接收。如果檢出錯誤，則通過反向信道返回一個NAK，請求對方把剛才的碼組重傳一次，這樣持續進行下去直到正確接收為止。傳統ARQ有3種典型技術:停止等待方式(SW-ARQ)、回退N步方式(GBN-ARQ)以及選擇重傳方式(SR-ARQ)［10］。

應用ARQ方式的前提條件是必須有一條從收至發的反饋信道，并要求信源產生信息的速率可以控制(或有大容量的信源存儲器)，整個通信系統的收、發兩端必須互相配合，密切協作。

最早ARQ技術研究者認為，GBN及SR-ARQ在有線環境下工作的相當好，但它們并不適合無線系統:首先，無線高誤碼信道以及相對不足的控制帶寬將不能滿足過多確認幀的傳輸需求;此外，這2種方法中所使用的捎帶技術同樣不適合無線信道。總而言之，由于無線信道質量較差，大量的用于傳輸錯誤幀的確認信息占用傳輸帶寬，導致傳輸效率變低。因此，在無線數據通信系統特別是無人機地空數據傳輸系統中，需要針對性的研究定制的自動請求重傳機制。

4.2 ARQ斷鏈重傳方案

在系統前期試驗中，下傳數據丟包率接近5%，超出了1%的要求。分析發現，系統實際下傳數據信息有一半以上時間處于空閑狀態，這就給ARQ重傳提供了足夠時間。針對實際需求，對已滿足使用需求的遙控、遙測及圖像信息不作處理，對有高可靠度要求的下行數據信息特別設計了ARQ斷鏈重傳方案。

ARQ斷鏈重傳方案相當于一個改進的SR-ARQ，其基本原理是:發送端連續發送數據，當接收端接收數據正確時，不再返回ACK;當接收端發現數據錯誤或丟包時，發送重傳請求NAK，發送端收到NAK后，插入所需重發數據;如果超過一定時間后，重發數據仍未正確接收，系統將放棄重傳，繼續傳輸后續的數據。原理并不復雜，但是由于地空數傳系統更大的特殊性在于上下行鏈路都不是在任何時刻都魯棒可靠的數傳通道，方案的設計與實施經歷了一個試驗改進再試驗再改進的過程。

ARQ斷鏈重傳機制重點旨在解決數秒時間內或者一個數據更新周期內的鏈路中斷引起的數據丟失問題，更長時間的中斷，由于丟失的數據大多或已失去時效性，其影響因此無法完全消除，重傳也就失去價值。

4.3 方案設計

地空數據傳輸系統相當于整個無人機數據信息的一個傳輸通道，如圖2所示，收發兩端分別與數據用戶和數據源通過有線網絡連接，要求在與數據用戶進行數據交換時數據包順序不能顛倒。

圖2 系統數據傳輸流程示意

ARQ斷鏈重傳工作流程簡述如下:機載數傳發送終端將從數據源收到的待傳數據信息分組、打包并增加包序號標識。傳輸過程一開始，發送端按包序號順序發送并存儲，地面接收端按順序接收，然后按順序向數據用戶通過有線網絡進行轉發。當發現某包或某些包(統稱丟失包)沒有收到或接收錯誤時，按以下程序進行處理:① 繼續接收新的數據包并緩存;②轉發完丟失包之前的數據包后，停止轉發;③同時通過上行鏈路發送請求重傳信息，信息中包含需重傳數據包的序號;④ 啟動計時，在未收到丟失包前，繼續定時請求重傳，當時間超出設定值時，丟失包仍未收到，即放棄請求，轉而繼續轉發丟失包后面的數據。

發送端收到請求重傳信息后，先繼續發送完當前正在發送的數據包，即插入發送地面請求的數據包。斷鏈前后數據發送流程示意如圖3所示。

圖3 系統ARQ斷鏈重傳流程示意

在ARQ斷鏈重傳機制中，有幾個關鍵參數需要針對系統特點進行設定:

①數據包長度L:包長度的取值會影響到信道利用率，但也與信道的可靠度有關。每一個數據包都有一個幀頭，幀頭的存在會占用一定信道資源，包長增加可以提高傳輸效率;但信道不可靠時，包長增加導致錯誤概率增加，引起重傳機會增加，最終效率下降;綜上所述，應該有一個最佳長度范圍，一般包長取為1 000～2 000 bit較佳。

②超時丟棄時間Tf:系統下傳數據有一定的更新周期，據此可以設定一個重傳超時放棄的時間。Tf的取值直接決定了系統數據傳輸的丟包率，如果Tf足夠大，理論上可以將丟包率降低為零，但這樣數據傳輸時延也會很大，不符合一般數傳系統的要求。超時丟棄時間一般取為10 s左右或不大于數據更新周期較佳。

③重傳請求時間間隔Tr:由于系統信息具有上下行傳輸延時(t1、t2)和系統處理延時(t3)，發出重傳請求后，如果仍未收到所需數據，必須在一定時間間隔后才能重新發送請求，否則會造成發送端不必要的重復發送。一般取略大于(t1+t2+t3)較佳。

④緩存容量C:根據系統存儲資源，緩存容量最大可以設置為能夠存儲系統下傳數據一個更新周期內的數據。設數據傳輸碼速率為R，則一般應滿足下式較佳。

需要說明的是，驗證ARQ斷鏈重傳機制所使用的無人機平臺為有人機改造而成，機載數傳設備配備有一臺機載計算機，這給重傳機制提供了足夠的運算和存儲資源，目前在大多數無人機上尚不具備這些資源，但可以嘗試通過將一些軟件程序硬件化、增加必要存儲器來實現。

4.4 工程應用

實際工程中，系統鏈路電平衰落裕度為15 dB，根據經驗，地空數據傳輸通信可用度應在90%以上。設定ARQ斷鏈重傳機制中數據包長度為256 bytes，即2 048 bit，超時丟棄時間為12 s，重傳請求時間間隔為240 ms，緩存容量空間不限。

按前文所述，在因各種衰落原因引起的鏈路中斷中，時間在數秒內的中斷時間占到所有中斷時間的90%左右，當超時丟棄時間設為12 s時，這些中斷引起的丟包問題基本可以解決。也就是說，如果原系統數據傳輸可用度是90%以上的話，采用ARQ斷鏈重傳機制后可以達到99%以上，此時系統數據傳輸的最大時延為12 s左右。

測試表明，采用ARQ斷鏈重傳機制后，丟包率從5%降低到了4‰，實現了丟包率不大于1%的系統要求。表1和表2分別為工程中采用ARQ斷鏈重傳機制前后數據傳輸情況的實測數值。可以看出，實測數據基本符合理論分析數值，平均丟包率分別為4.9%和0.37%。

表1 采用重傳機制前試驗數據

表2 采用重傳機制后試驗數據

5 結束語

在未來無人機系統的發展中，數據傳輸的功能將發揮越來越重要的作用，有效提高地空數據傳輸系統的通信可用度是一個必須要解決的問題。在工程應用中，通過對實時性強、低可靠度要求的數據傳輸不作處理，對允許低時延、高可靠度要求的數據采用ARQ斷鏈重傳機制后，系統設備量和成本無明顯增加，但系統的通信可用度得到了顯著提高，以較低成本構建了一條有時延但高可信、魯棒的地空數據傳輸鏈路。

［1］ 韓玉輝．無人機測控與信息傳輸有關系統問題探討［J］．無線電工程，2008，38(8):4 －6．

［2］ KARUNAKARAN S，SRIDHAR K．Radio Network Design-considerations to Minimise Effects of Signal Fading［J］．IEEE Electromagnetic Interference and Compatibility 99，1999(10):322 －325．

［3］ OLSEN R L，TJELTA T．Worldwide Techniques for Predicting the Multipath Fading Distribution on Terrestrial LOS Iinks［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagateon，1999(1):1 －4．

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

［5］ 梁保衛，高紅濤．無人機飛行過程中信號弱區的分析［J］．無線電工程，2006，36(7):36 －38．

［6］ 余 昀．無人機數據鏈協議研究［J］．艦船電子工程，2008，28(9):50 －54．

［7］ LOYKA S，KOUKI A．Using Two Ray Multipath Model for Microwave Link Budget Analysis［J］．IEEE Antennas and Propagation Magazine，2001，43(5):31 －36．

［8］ 高保生，朱良彬．無人機地空鏈路信道特性與寬帶數據傳輸［J］．無線電工程，2011，41(9):4 －6．

［9］ 郭梯云，劉增基，王新梅，等．數據傳輸［M］．北京:人民郵電出版社，1998．

［10］方桂娟．數據通信中的重發差錯控制系統［J］．三明大學學報，1998，1(3):44－47．