一種地空數據鏈通信系統的無線信道分析方法

陳 婷 鄭 昱 洪 偉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

地空數據鏈通信系統主要用于空中端機和地面控制站之間的數據通信，是保證飛機飛行以及完成遙控任務的重要手段。無線通信信道是地空數據鏈通信系統的重要通道，由于地空數據鏈通信系統主要工作在頻段高、運動速度快、多徑擴展大為主要特征的復雜衰落無線信道中，因此無線信道的信道特性是影響地空數據鏈數據傳輸質量的關鍵因素。

影響無線信道傳播的因素包括地形或者障礙物等引起的陰影效應、通信節點的移動隨機性而引入的遠近效應、復雜地形和地物環境引起的多徑效應，以及由于通信節點高速運動而引起的多普勒效應。以上這些傳播方式及影響無線信道傳播的因素在很大程度上影響了到達接收端的信號電平強度，因而造成了無線信號在無線信道中的衰落。基于以上分析，本文將對無線信道的傳輸特性進行了研究和仿真分析，為地空數據鏈通信系統建立合適的無線信道衰落模型，為系統的鏈路設計提供支撐。

1 無線信道衰落模型設計

1.1 無線信道衰落

在無線通信系統中，電波的主要傳播方式為直射、反射、繞射和散射。基于電波的傳播機制，地空數據鏈通信系統的幅度衰落可以分為大尺度衰落和小尺度衰落這兩種類型。

大尺度衰落是指路徑傳輸損耗和衰落發生的傳輸距離遠遠大于無線電信號的波長，前者反映在宏觀大范圍一般可達千米量級，后者反映在中等范圍內一般為數百米波長量級的。慢衰落損耗一般為無線電波傳播過程中所特有的，服從對數正態分布，其變化速度比傳送信息率要慢[1]。小尺度衰落又稱快衰落，反映的是無線接收信號電平平均值的起伏變化趨勢是在微觀小范圍，一般為數十米波長以下量級，其電平幅度一般服從萊斯分布或瑞利分布，變化速度比慢衰落快。小尺度衰落主要由信號的多普勒擴展以及多徑傳播引起。

1.2 適用于地空數據鏈通信系統的無線信道模型

常用的無線信道模型包括自由空間傳播損耗模型以及經驗模型。自由空間傳播損耗模型是無線電波傳播的最簡單的模型。自由空間即指在均勻的、理想的、無任何阻擋、多徑的介質中傳播，單純地由電磁波能量擴散而引起傳播損耗的空間。而在實際大氣環境中，理想的無線傳播條件是不存在的，實際的傳輸損耗要遠大于自由空間傳輸損耗，為描述這種情況，研究機構根據大量的實地測量的數據推演除了一些經驗模型，其中最常用的有Hata模型、Okumura模型等。

在地空數據鏈通信系統的應用場景中，根據地面控制站與空中端機的連線與水平線的夾角，可將通信區域范圍劃分為以下三種：將夾角大于等于30°的區域劃為高仰角區，夾角在10°和30°中間的區域劃為中仰角區，夾角小于10°的區域劃為低仰角區。

在高仰角區域，信道質量較好，可認為其服從高斯分布，可用自由空間傳輸損耗模型進行設計計算。

設地空數據鏈通信系統發射端的發射功率為Pt，天線增益為Gt，接收天線的有效接收面積為Ar，則在自由空間中，當發射天線和接收天線相距D時，接收天線接收到的回波功率Pr為：

(1)

由天線理論得知，天線增益和有效接收面積之間滿足以下關系：

(2)

式(2)中，Gr表示接收天線的增益，λ表示地空數據鏈通信系統的工作波長。

當Gt=Gr=1時，自由空間的路徑損失可寫為：

(3)

式(3)中，F是為以MHz為單位的系統工作頻率，D單位為km。

在中仰角區域，發射天線和接收天線之間存在一條直視波分量，到達接收天線端的接收信號則是由直視波分量和其余多徑分量疊加而成的。該多徑分量的角度和幅度隨機分布并且各分量具有統計獨立性，服從萊斯分布。一般認為，中仰角區域的多徑分量到達接收天線端接近總分量的一半，等效于接收端天線的增益減少約3dB。

在低仰角區，由于地形和地物環境比較復雜，發射和接收天線之間由于反射、散射以及繞射引起的路徑數較多，此時多徑分量大于直射分量，信道的沖激響應可看作一個復高斯過程，其包絡復合瑞利分布。由于低仰角區域通信的隨機性和多變性，低仰角區域的信道模型無法直接用理論公式進行模擬，可采用經驗模型，比如Okuruma模型進行計算。

Okumura模型是根據CCIR推薦的一種電波傳播實際衰減計算模式。該模型是參考準平坦地形的傳播路徑損耗，對其他的一些地形條件因素分別以校正因子進行修正得到的基本通用模型。

Okumura模型的基本傳輸損耗的計算公式如下：

(4)

式(4)中，F為工作頻率(單位：MHz)；D為發送端和接收端天線之間的距離(單位：km)；hb為地面控制站天線高度(單位：m)；hm為空中端機天線高度(單位：m)；a(hm)為移動臺天線高度校正因子。a(hm)由式(5)計算：

(5)

2 無線信道仿真

對無線信道的仿真，重點是對無線鏈路進行運算而得到合理的信道鏈路余量。無線鏈路運算，是指在一個通信系統中，對發送端、通信鏈路、無線傳播環境和接收端中所有增益和衰減的核算。其通常用來估算信號能夠成功從發射端傳送到接收端之間的最遠距離。信道鏈路余量則是對通信系統中上下行信號傳播途徑中各種影響因素進行考察后，獲得保持一定通信質量下減去鏈路所允許的最大傳播損耗而剩余的信道余量。

本節將給出在不同通信場景下，計算某地空數據鏈通信系統的鏈路余量的過程方法，從而為本通信系統的設計提供支撐，同時為其他通信系統的鏈路余量計算及設計提供參考。

圖2 信道鏈路余量計算框圖

2.1 仿真參數設置

本文所仿真的地空數據鏈通信系統由地面控制站和空中端機組成，地面控制站固定不動，空間端機隨空中平臺在空中飛行。該通信系統的參數如表1所示。

表1 本文所仿真的通信系統的參數

工作頻率5GHz空中端機接收機帶寬10Mbps地面控制站發射功率40W空中端機接收機噪聲系數6dB地面控制站天線增益6dB空中端機天線增益6dB系統損耗(包括饋線、器件、基帶處理以及天線損耗等)6dB

2.2 仿真分析

下面將分別計算在不同地形條件下、不同的通信區域下系統的最大通信距離。

通過上面的分析，可以看出，在高仰角條件下，我們可以利用自由空間傳輸損耗模型計算該地空數據鏈通信系統的鏈路余量，結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著通信距離的增加，系統鏈路余量呈指數衰減，在47.8km處鏈路余量衰減為0。即在高仰角條件下，系統的最遠通信距離為47.8km。若系統的通信距離要求為25km，那么，此時高仰角下該數據鏈通信系統的鏈路余量為5.6dB。

圖3 高仰角條件下鏈路余量仿真結果

在中仰角條件下，由于直徑傳輸分量大約總接收分量的50%，因此，系統的鏈路余量比高仰角條件下減少約3dB。圖4為中仰角條件下系統的鏈路余量隨距離的變化圖。

經分析得出，在中仰角條件下，該系統的最遠通信距離為33.8km。在相同通信距離25km的條件下，該數據鏈通信系統的鏈路余量為2.6dB。

在低仰角條件下，由于地形及地物環境復雜，無法利用自由空間傳輸模型進行模擬分析，本文采用經驗模型Okumura模型進行仿真分析。圖5為空中端機天線高度為200m時，在城市、郊區、開闊地、50m丘陵起伏、200m丘陵起伏等五種地形條件下，系統的鏈路余量仿真結果(設地面端機天線高度3.5m)。

圖4 中仰角條件下鏈路余量仿真結果

圖5 低仰角條件下鏈路余量仿真結果

經分析可得出，在城市、郊區、200m丘陵起伏、50m丘陵起伏以及開闊地地形條件，空中端機天線高度為200m時，該地空數據鏈通信系統的最遠通信距離如表2所示。在低仰角條件下的開闊地，該系統的最遠通信距離17.2km。隨著地形條件的遮擋越來越嚴重，該通信系統的鏈路余量逐漸減少，并且系統的鏈路余量遠小于高仰角和中仰角條件下的鏈路余量值。

表2 低仰角條件下無線通信系統的最遠通信距離

城市郊區200m丘陵50m丘陵開闊地空中端機天線高度200m2.0km4.7km7.1km11km17.2km

3 結束語

通過針對某地空數據鏈通信系統的仿真分析結果進行分析得出 ，在低仰角通信場景下，信道衰減遠大于高仰角和中仰角通信場景。因此在地空數據鏈通信系統的鏈路設計中，應該充分考慮低仰角帶來的信道衰減，為系統預留出充分的鏈路余量來保證通信質量在不同通信場景下不受太大影響。

本文通過對地空數據鏈通信系統在高中低仰角下工作的無線傳播環境特點的研究，給出了在地空數據鏈通信系統中，適用于不同通信區域的合適的地空無線信道模型；同時給出了一種針對地空數據鏈通信系統適用在不同通信場景下的鏈路余量的仿真分析方法。通過對仿真模型的計算分析，有效地利用無線信道的傳輸潛力，提高地空數據鏈通信的可靠性，并且為深入研究地空數據鏈通信系統的相關技術提供了評估基礎和平臺。