天地一體化網絡中無人機通信鏈路選擇策略研究

呂思運

（北京郵電大學電子工程學院，北京 海淀　100876）

天地一體化網絡中無人機通信鏈路選擇策略研究

呂思運

（北京郵電大學電子工程學院，北京 海淀100876）

本文在研究無人機通信多種信道模型和特征的基礎上，提出了一種基于天地一體化網絡的無人機通信鏈路選擇策略。該策略通過分析不同飛行環境下無人機通信鏈路影響因素選擇最佳通信鏈路，解釋了無人機系統中不同通信鏈路的適用場景，并根據所提出的策略，設計了一種多無人機在近地面觀測站的編隊飛行方式。仿真研究了基于該策略的多無人機編隊飛行時通信鏈路的誤碼率性能，以及多普勒頻移、傳輸時延和陰影衰落等影響因素。研究結果表明無人機在長時間多場景飛行過程中，根據所提出的策略切換不同的通信鏈路能夠將誤碼率保持在滿足通信需求的水平。

空天地一體化；無人機；無線通信鏈路；動態信道仿真

本文著錄格式：呂思運. 天地一體化網絡中無人機通信鏈路選擇策略研究[J]. 軟件，2016，37（9）：109-114

0　引言

天地一體化網絡中，無人機是重要空中單位的偵察目標載體[1]。在無人機系統的眾多需求中，鏈路系統是最重要的組成部分之一，無人機與地面站之間完全依賴無線鏈路進行信息的交互和控制[2]。因此，建立有效的通信信道模型并進行準確的模擬，對通信鏈路進行具體的規劃，對于真實環境下的無人機通信系統至關重要。

無人機在飛行過程中需要實時與地面站保持通信連接，這要求通信鏈路不能有任何死角。但是，目前無人機通信鏈路應用的主要頻段為微波波段，不具有繞射功能，兩個微波天線之間只能視距通信。而無線信號在傳播過程中會受到地形、地物以及大氣等因素的影響，信道會受到來自自然和人為的多種噪聲干擾。為了實現無人機在多種環境下保持通信暢通，需要合理的利用無人機配備的各種通信鏈路，以及多無人機組成編隊的優勢。

無人機通信信道模型是目前國內外研究的熱點。在國外，2002年德國Haas E[3]研究了無人機近地面站信道模型隨仰角的變化，2013年希臘Hatziefremidis A等人[4]研究了一種無人機近地面站起飛降落的信道模型；在國內，2013年廈門大學Shi Z[5]等研究了無人機與海上的一種信道建模方法，2014年電子科技大學楊國勝等[6]研究了多種場景下無人機的地空數據鏈，2013年南京航空航天大學徐儀華等[7]研究了無人機對無人機通信的一種空中信道模型，2013年復旦大學陸曦等[8]對航空衛星信道進行了相關研究。

目前在無人機通信方面主要研究單一場景下無人機與地面站、空中平臺和衛星通信鏈路，但是，對于無人機系統來講，其通信鏈路無法根據基于某種模型或算法直接得出可供實際使用的規劃方案，只能根據具體的任務需求和實際通信環境在有限的鏈路使用狀態中進行必要的配置和管理。為了在飛行場景變化而改變通信環境的情況下，無人機始終能夠保持通信鏈路暢通，本文提出了一種根據通信信道狀態選擇不同通信鏈路的策略。并對長時間、多場景的多無人機飛行進行建模仿真，通過對誤碼性能、多普勒頻移、時延、陰影衰落等數據的分析，驗證通信鏈路選擇策略的可行性。

1　無人機通信鏈路選擇策略

1.1多無人機編隊飛行系統結構

天地一體化網絡中，無人機系統由無人機編隊、地面站和通信衛星組成，如圖1所示。無人機編隊包括多架執行偵察或其他任務的無人機，和作為中繼通信平臺的小型無人機，作為簇首的偵察無人機或中繼無人機通過空地信道接入地面基站網絡，或通過空天信道接入通信衛星，提供無人機業務及飛行管理。地面基站除固定基站外，有時也會用到雷達車等移動地面站保持地面通信。

無人機通信信道分為三種：無人機與地面觀測站直接通信的空地鏈路，以另一架無人機作為中繼平臺的空中中繼鏈路，以及借助通信衛星作為中繼平臺的無人機衛星鏈路。

1.2無人機通信鏈路模型

無人機通信信道一般采用信道抽頭延遲線模型。無人機和地面站一般使用高增益定向天線，鏈路中存在一條較強的直視信號分量。在傳播過程中，直視信號會受到來自地形、地物以及大氣等因素的干擾，形成多徑傳播。此外，微波通信還存在來自地面或海洋的反射波。因此，無人機信道通常表示為直射徑、反射徑和若干散射徑的疊加，屬于萊斯信道。無人機信道根據不同通信環境受到的影響因素不同，如多普勒頻移的強度等，在不同條件下每一徑的表現形式也有所差異。

地空數據鏈是無人機最常用的通信鏈路，主要影響因素是地面陰影衰落和其他各種人為噪聲干擾，以及來自地面較強的反射信號[6]。無人機對地通信信道的數學模型可表示為[3,7]：

圖1　天地一體化網絡無人機通信系統Fig.1　UAV Communication System in the Space-Earth Integration Network

式中，dirα、refα、scaα分別為直視徑分量、反射徑分量和散射徑分量的強度；f和τ為相應的多普勒頻移和時延；θ為相應的相位差，系數1N為散射徑歸一化因子。

無人機編隊飛行過程中，兩架無人機之間的通信會應用到空中鏈路。與無人機對地面的靜態場景信道模型相比，無人機之間存在相對運動，徑向運動速度將導致接收信號產生較嚴重的多普勒頻移。無人機機身本身存在一條強鏡像反射鏈路，也是無人機空中鏈路不可忽視的因素?？罩墟溌返膬烖c是當無人機飛行高度較高時，來自地面的反射和散射波影響降低，多徑分量的強度會降低。

當無人機B為發送端，無人機A為接收端時，將（1）中的直視路徑修改為[8]：

式中，v表示無人機A相對于B的飛行速度，⊙表示向量內積。直射信號最大多普勒頻移為其中v分別為收發端移動速度矢量，θ為移動方向和入射波夾角。

中高空長航時無人機通常配置衛通鏈路以支持其全球作戰。無人機衛星通信信道需要考慮到機身反射、地面/海平面鏡面反射以及地面/海平面漫反射等，可以表示為[9]：

1.3無人機通信鏈路選擇策略設計方案

無人機空地鏈路系統組成要素少，成本低，以美軍“獵人”無人偵察機[10]為代表的小型戰術無人機通常不配備衛星通信鏈路，續航時間短，飛行速度較慢，飛行高度一般小于7 km。無人機空地鏈路主要受兩方面因素限制：第一，無人機視距鏈路的最大距離一般在150～200 n mail（約合277～370 km）之間，超過這個距離無法與地面站保持連接；第二，無人機對地面站仰角低于10°時稱為低仰角階段，受地面陰影衰落影響較大。

對于中、高空無人機來說，飛行高度使其通信信道受大氣影響較大，且距離控制地面站很遠，不僅超出視距鏈路范圍，甚至由于地球曲率的影響導致視距通信鏈路根本不存在，因此必須通過空中中繼平臺或衛星進行信號轉發。此外，有時無人機雖處于視距通信范圍內，但由于飛行高度較低而受到山脈、建筑遮擋時，也應選擇中繼通信方式。

中繼通信分為空中中繼通信和衛星中繼通信?？罩兄欣^的優勢在于，多架無人機編隊飛行時，可以選擇一架無人機作為簇首與地面進行通信，不同無人機之間可以根據通信狀況輪流作為簇首，通信中繼平臺在編隊內部選取，節約能源，提高通信質量，延長飛行時間。

空中中繼通信的局限性，一是需要至少兩架或更多的無人機平臺，需要考慮多架無人機編隊飛行策略，對多架無人機航路規劃要求較高；二是不同類型的無人機平臺傳輸頻段、傳輸速率、傳輸數據鏈不同，造成通信鏈路復雜化；三是信號轉發過程中需要重新對信號進行放大，對無人機攜帶能量要求提高。

衛星通信一般情況下能保證較為穩定的通信需求，但與空中中繼相比，信號傳輸的時延更長，需要的天線增益更大，申請衛星獲得通信資源比空中困難很多，成本大大提高，還存在日凌中斷等太空惡劣因素的干擾。

本文提出的無人機，無人機在近地面站區域飛行時，以地空鏈路為主要通信方式，中繼通信作為特殊情況下的補充。當無人機與地面站的相對位置超出視距范圍內，將通信方式切換為中繼通信，其中空中中繼通信方式作為首選，當空中信道環境較差，達不到所需的通信要求，以及中繼平臺也超出地面視距范圍時，以衛星通信作為補充。

以上為無人機通信鏈路選擇策略的理論分析，下一節將根據具體場景進行仿真模擬，對以上通信方式的通信質量進行分析，驗證所提出方案的正確性。

2　性能分析

為了驗證本文提出策略的正確性，本節以兩架無人機、一個地面觀測站和低軌通信衛星組成的無人機系統為例，對本文提出的通信鏈路選擇策略進行仿真驗證。

本文仿真中無人機飛行軌跡為大圓軌跡，仿真場景無人機參數設置如表1所示：

表1　雙無人機系統通信鏈路仿真參數Tab. 1　Simulation parameters of two UAVs system communication link

此外，地面觀測站坐標（E117.1°，N35.8°，0.004 km），通信衛星為距地面高度400 km。

偵察無人機起點不在地面站視距范圍內，航線方向指向地面站，經過地面站上空后保持原航向飛行；中繼無人機起點在偵查無人機和地面站之間，航向與偵查無人機基本相同，海拔低于偵察無人機，以便于建立中繼信道。仿真飛行過程時長1.5 h，載波頻率5.5 GHz，仿真點數80000點/s，調制方式采用QPSK調制，并加入信道編碼[11]。

3.1誤碼率仿真

如圖2所示，橫軸為仿真時間，縱軸為誤碼率，每條曲線表示一種信噪比下誤碼率隨時間的變化。從圖2可以看出，隨著信噪比的增大，縱坐標誤碼率逐漸下降。無人機空地鏈路，在無人機飛臨地面站時誤碼率下降，在飛離地面站是誤碼率上升，與理論分析相符。其飛臨地面站分為兩個階段：第一階段（0～約30 min）無人機進入地面站視距范圍，誤碼率下降到滿足通信要求；第二階段（約30 min～60 min），無人機進入空地通信范圍后，對地面站天線的仰角逐漸減小，達到最佳通信狀態，從航空信道角度來講[12]，是由途中飛行狀態到飛過塔臺狀態的過程，彌散信道影響減弱。

圖2　無人機地空鏈路隨時間變化的誤碼率Fig.2　The error rate of UAV Air-earth link changes with time

圖3的數據結果顯示，無人機空中中繼鏈路，飛行開始時一段時間（約15min）后，兩機距離較近，誤碼率保持平穩；約30～40min時，兩機水平距離最小，多普勒頻移減小，誤碼率快速降低，下降超過一個數量級，臨近飛行結束階段（70min后），中繼機到地面站距離的增大，誤碼率上升，無法達到可正常通信要求。圖3的結果說明，無人機空中中繼鏈路在一定條件下能夠為無人機系統提供相對穩定的通信。

從圖4可以看出，無人機衛星鏈路的誤碼率比較穩定，不會隨飛行狀態的變化而產生較大的起伏，在衛星鏈路存在的條件下，衛星通信可以提供滿足通信需求的服務。

圖3　無人機空中中繼鏈路隨時間變化的誤碼率Fig.3　The error rate of UAV Air-relay link changes with time

圖4　無人機衛星鏈路隨時間變化的誤碼率Fig.4　The error rate of UAV-satellite link changes with time

3.2通信鏈路選擇策略誤碼率仿真

如圖5所示，相比于空中中繼鏈路和衛星鏈路，當偵察無人機在地面站視距范圍內時空地鏈路誤碼率明顯低于前兩種通信鏈路。當偵察無人機超出地面站視距范圍但中繼無人機在地面站視距范圍內時，空中中繼鏈路的誤碼率與衛星通信相當，其中當兩架無人機水平距離較近時空中中繼鏈路有明顯的優勢，此時空中中繼鏈路是最佳選擇。當中繼無人機超出地面站視距范圍時，衛星通信仍能保持較低的誤碼率。仿真結果初步驗證了上一節所提出的策略方案的可行性。

如圖6所示，通信鏈路選擇策略在大部分場景下選擇了誤碼率最低的通信方式。當無人機空中中繼鏈路與空地鏈路誤碼率相當時，由于空地鏈路受陰影衰落影響較重，誤碼率方差起伏較大，選擇空中中繼鏈路能夠保證通信誤碼率的穩定性，同時避

圖5　同一信噪比下三種鏈路的誤碼率比較Fig.5　Comparison of three link bit error rate under the same signal to noise ratio

圖6　通信鏈路選擇策略與單一鏈路誤碼率比較Fig.6　Comparison of communication link selection strategy and single link bit error rate

3.3時延、多普勒頻移、陰影衰落對誤碼率的影響分析

圖7、圖8、圖9的仿真結果對信道選擇策略做出了進一步的說明。免了通信鏈路的頻繁切換。

圖7　三種通信鏈路的時延比較Fig.7　Delay comparison of three communication modes

圖8　三種通信鏈路的多普勒頻移比較Fig.8　Comparison of three communication links of Doppler shift

圖9　空地鏈路中陰影衰落對誤碼率的影響Fig.9　Effect of shadow fading on bit error rate inair-earth link

從圖7可以看出，衛星鏈路的平均時延遠高于其他兩種通信鏈路，因此從時延的角度來講，空中中繼通信要優于衛星中繼通信。當衛星鏈路誤碼率低于空中中繼鏈路時，在空中中繼鏈路誤碼率滿足通信需求的情況下，選擇空中中繼鏈路更容易保證無人機通信的的實時性。

從圖8可以看出，衛星飛行軌道較高，產生的飛行方向上的多普勒頻移很小，可以忽略；中繼無人機由于與目標無人機相向飛行，因此空中鏈路多普勒頻移小于地空鏈路的多普勒頻移，因此中繼無人機的航向對是空中中繼平臺通信質量的重要影響因素。

圖9將誤碼率和陰影衰落數據進行量化，繪制在一張圖中比較。從圖中可以看出，當陰影衰落起伏較大時，誤碼率的方差也比較大，陰影衰落環境的會對誤碼率產生不可忽視的影響。因此，當無人機與地面站直接通信時，應將空中中繼通信作為補充。以上仿真結果均與提出的方案相符。

從本次仿真結果可以提出一種編隊飛行方式，無人機編隊在臨近地面站附近時，可令飛在隊首無人機作為簇首加速飛向地面站，盡早搭建空中中繼鏈路；在飛離地面站時，處在隊尾的無人機降低飛行速度，作為與地面通信的中繼機，延長空中中繼的通信時間。

3　結論

本文對目前已有的無人機通信鏈路進行了綜合仿真，研究了一種無人機系統在空天地網絡下長時間飛行的通信鏈路選擇策略，通過分析無人機在不同飛行環境下的各項通信數據，得出以下結論：無人機在近地面站飛行時，應以空地鏈路為主要通信方式，空中中繼鏈路為輔助鏈路；當無人機與地面站超出視距范圍時，應以空中中繼鏈路作為主要通信方式；當無人機配備衛星通信鏈路時，衛星通信鏈路在任何時間段均可以選擇；為根據信道特征調整無人機編隊與通信方式提供了一種方法。

但是，本文的研究也不盡完善，例如本文沒有考慮各項數據對通信質量的影響因子大小，在今后的研究中，還需進一步完善。

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Research on The Selection Strategy of UAV Communication Link in The Space-Earth Integration Network

LV Si-yun
(School of electronic engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

This paper proposes a communication link selection strategy in the earth integrated network, based on a variety of channel models and features of UAV Communication. The strategy is to select the best communication link through analyzing the influence factors of UAV communication links under different flight conditions, explain the application scenarios of different communication links in the UAV system, and propose a formation flying mode of multi-UAVs in the near surface observation station. Simulated and studied the BER performance of the communication link in multi-UAVs formation flight from this strategy, and the influence factors such as Doppler shift, transmission delay shadow fading, etc. The results show that different communication links can be switched to keep the bit-error-rate at the level of the communication requirements during long time multi-scene flight according to the proposed strategy.

Air-space-earth of integrated; UAV (Unmanned Aerial Vehicle); Wireless communication link; Dynamic channel simulation

TN911.25+4

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.026

呂思運(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為衛星通信。