C波段基站式多目標遙測網絡構建技術

霍朝暉，惠 力

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

隨著航空工業技術的不斷發展，新機型的復雜度越來越高，導致在飛行試驗中測試參數的種類與數據量越來越大[1]?，F行航空飛行試驗測試使用的符合IRIG-106標準的S波段單向點對點的PCM數據傳輸系統受設備與技術限制，數據速率最大可傳輸20 Mbps，傳輸距離不足300 km，不能滿足新技術、新測試發展對數據傳輸的需求[2-3]。針對上述問題，本文將開展C波段基站式多目標遙測網絡構建技術研究，突破S波段點對點傳輸模式，建立基于移動基站的C波段無線雙向網絡傳輸鏈路，提升數據傳輸速率，實現跨區域的試驗與測試網絡系統。

1 架構設計

1.1 蜂窩架構及原理

本文將引入蜂窩網絡實現C波段基站式多目標遙測網絡的架構設計。蜂窩網絡被廣泛采用源于一個數學結論，即：以相同半徑的圓覆蓋平面，當圓心處于正六邊形的中心，也就是圓心處于正三角網格的格點時，圓的數量最少。在通信系統中，使用圓形來表述工程實踐是合理的。出于構建成本的考慮，正三角網格(也稱為簡單六角網格)是做好的選擇。這樣形成的網絡重疊在一起，形狀非常像蜂窩，因此被稱作蜂窩網絡。

為實現基于C波段的多目標遙測網絡，本文采用基于移動基站的C波段無線雙向網絡傳輸方式，以支持半徑50 km的可視空域通信覆蓋，使數據傳輸速率達到50 Mbps，傳輸延時不大于200 ms[4]。

C波段基站式多目標遙測網絡屬于空地遙測遙控，無線信道環境簡單，采用大區制蜂窩網絡布局，利用地面基站式遙測遙控設備實現飛行空域覆蓋。單位無線區群為7(N=7、j=2、i=1)，通過增加單位無線區群，實現多個星形網絡拓撲結構，不增加頻率范圍就可以增加網絡覆蓋面積[5]。每個星形中心節點為基站式遙測遙控設備，移動節點為機載端遙測遙控設備，C波段基站式多目標遙測網絡架構如圖1所示。

圖1 C波段基站式多目標遙測網絡架構

1.2 蜂窩架構說明

C波段基站式多目標遙測網絡系統由機載端遙測遙控設備、基站式遙測遙控設備、網絡服務器、空地接口、IU接口等組成[6]，如圖2所示。

圖2 C波段基站式多目標遙測網絡系統結構

機載端遙測遙控設備由機載端C波段網絡收發器、雙向功率放大器、機載天線組成，實現機載端入網、退網、TDD雙工數據傳輸、狀態檢測、參數設置等功能。

基站式遙測遙控設備由地面端C波段網絡收發器、雙向功率放大器、基站天線組成，實現TDD雙工數據傳輸、狀態檢測、參數設置等功能。

網絡服務器具有通過SNMP協議管理各個機載端遙測遙控設備和基站式遙測遙控設備、對機載端遙測遙控設備歸屬區域的移動性管理、雙向數據交換等功能。

空地接口是機載端遙測遙控設備與基站式遙測遙控設備間的無線接口協議。

IU接口是基站式遙測遙控設備與網絡服務器間的以太網接口協議。

在網絡構建過程中，將機載網絡收發器、功率放大器、C波段機載天線改裝至試驗機，地面將C波段基站天線、雙向功放、網絡收發器加裝至C波段網絡基站，交換機與基站交換網絡相連，所有的基站通過地面光纖網絡匯聚到本地數據處理中心。

2 C波段基站式多目標遙測網絡系統接入體制

C波段基站式多目標遙測網絡系統采用TDMA接入體制，相比較隨機接入類型MAC體制具有更高的資源利用率，更加容易實現時延控制和QoS控制，是更加適合飛行試驗空地遙測網絡應用特點的一種媒體訪問控制架構。

2.1 TDMA協議設計

對TDMA協議設計而言，本文針對以下三個關鍵環節進行了分析。

1)TDMA時槽(Slot)的分配：

本文設計網絡內每個用戶占用1個或多個Slot用于通信，Slot數量根據網絡內接入節點數量、接入順序和每個用戶QoS配置確定。全體網絡節點(試驗對象和地面基站)Slot形成一個周期重復的時間環。對于Slot長度設計，首先Slot長度應滿足信道相干時間要求，其次TDMA Slot長度固定，以便于實現和分配，再次TDMA Slot長度設計應考慮數字電路設計時序同步的便捷。

2)MAC接入控制機制：

采用以地面基站為本小區中心節點的接入控制機制，每次飛行前通過設備管理軟件，在地面C波段網絡終端預先設置本次飛行的機載C波段網絡收發器的ID號(即地址碼)、信道訪問順序、QoS等工作參數，從而確定本次工作TDMA時間環的結構，同時每次地面基站Slot(用于傳輸上行數據幀)中廣播占用隨后Slot的機載C波段網絡終端的ID號，ID號按照已設置的順序依次廣播，周期重復，從而實現全體TA的信道訪問控制。同時，各地面基站的總體時隙分配由地面基站控制器(AC)統一分配和管理。

3)空地TDMA同步控制：

本文設計了一種由地面C波段網絡終端發起的同步周期修正機制，即地面基站Slot內的上行數據幀，在完成向機載C波段網絡終端傳輸控制數據的同時，兼做周期同步修正時標，空地收發器僅需在兩次修正期間內保持短期相對穩定即可。因為這一周期僅為若干毫秒，因此即使采用較低穩定度時鐘，短時間內也完全可以認為時鐘是充分穩定的，從而可靠地滿足了TDMA Slot的精度要求(μs級)。同時，TDMA協議設計還預留了保護間隔，即空中無線信號傳播時延補償(對應50 km最大167 μs)和各種處理時延(收發切換、硬件處理時延和軟件處理時延，總量小于50 μs)的補償量。

2.2 QoS設計分析

本文采用的TDMA體制為實現靈活QoS處理提供了基礎。QoS設計主要涉及上下行帶寬分配與數據速率自適應兩個方面。

由于TDMA體制采用固定長度Slot模式，因此在MAC層設計了基本傳輸幀+復幀+超幀的架構，基本傳輸幀長度為Slot長度，是最小傳輸單元，復幀由1個或多個同方向基本傳輸幀組成，分為上行復幀和下行復幀，而超幀又由上行復幀和下行復幀及保護間隔組成。通過靈活分配上下行復幀中的基本傳輸幀數量，可以按比例靈活分配上下行用戶帶寬。

此外，為實現遙測全程鏈路穩定接通，本文除設計足夠的射頻鏈路余量和信道補償機制外，設計了數據速率動態自適應機制，即每數據幀的發射數據速率依據當前本設備接收性能動態變化，為保證判斷可靠性，采用接收信號強度+誤碼性能聯合作為判決依據，可以快速準確真實反映當前信道實際能力，從而選擇適合當前信道的數據速率。

2.3 C波段基站式多目標遙測網絡系統安全認證方案

C波段基站式多目標遙測網絡系統具有高度的開放性，空域廣、功率大，傳輸的信息易于竊取、篡改和插入。因此，遙測網絡系統安全和認證尤為重要。遙測網絡系統的安全需求主要體現在以下兩個方面：

1)遙測網絡安全認證方案。本文參照iNET中的RF網絡單元標準，采用無線局域網媒體訪問控制和物理層規范。安全認證系統由認證服務器、基站認證端、試驗機認證端三部分組成，如圖3所示。其中試驗機認證端提出認證請求，通過駐留于試驗機認證端的請求端口接入實體發送接入請求，基站認證端是控制試驗機認證端接入網絡的實體，利用駐留于基站認證端的認證PAE對接入請求進行認證；認證服務器是為認證系統提供認證服務的實體，對請求方進行鑒權。

2)端到端加密方案。對于飛行試驗較高密級信息的數據加密要求，采用端到端加密方式，即在試驗機和基站的網絡終端輸入、輸出端增加一臺具備保密資質認證的數據加密機，以實現高等級數據的加解密。在工程樣機研制中保留端到端加密設備連接接口，需要增加端到端的加解密機，只需采購具有資質的標準設備即可。

圖3 安全認證方案

3 C波段遙測網絡終端系統研制

在面向飛行試驗的場景下，C波段基站式多目標遙測網絡系統應具備功能：1)C波段(4.4～4.94 GHz)工作頻點與多信道能力；2)C波段網絡收發器必須支持通信處理體制靈活可變，即設備一體化、功能軟件化，決定了收發器設計實現應采用軟件無線電技術架構；3)高達50 Mbps的數據速率要求C波段網絡終端設計考慮高階調制模式和多種帶寬增強方案，具備足夠強大的數字信號和軟件處理資源與處理速度；4)空地快變通信信道和高頻點高速移動通信環境決定了C波段網絡終端數字信號處理部分應具備載波同步、符號同步、數據幀同步算法以及數字電路實現設計應預留足夠的處理余量[7]。

3.1 機載/基站式網絡收發器結構與組成

機載和地面C波段網絡收發器的原理圖如圖4所示。

圖4 收發器原理圖

收發器整體設計基于大規模高速FPGA+高速嵌入式處理器的SDR(軟件無線電)架構實現，由AD/DA(模數-數模轉換)實現模擬與數字分割界面。大規模FPGA實現的數字PHY和高速嵌入式ARM主控處理器實現數字信號處理與MAC協議處理，完成核心的數據處理過程，包括調制解調、符號同步、載波恢復、時頻域轉換(FFT/DFFT)、數據幀同步、數據幀裝幀拆幀、信道補償處理(含信道估計與補償、FEC編解碼)、數字削峰處理、高速數字接口、TDMA協議狀態機等全部功能，在單一設備內完成一個完整的網絡化無線收發處理流程。收發器通過2個符合標準IEEE802.3u 10/100/1000M自適應網絡與機載網絡系統或地面網絡接口，整機基于TCP/IP的全透明化網絡數據傳輸體制，設備工作于對等傳輸模式(即通信兩端基本收發模式和通信體制相同)。

3.2 C波段雙向寬帶線性功率放大器設計

本文在C波段雙向寬帶線性功率放大器設計中采用TDD(time division duplex)快速微波檢測技術和固態器件線性功放技術，在大幅擴展無線射頻通訊距離的同時保證無線傳輸速率穩定。該功放適用于多種不同的應用場合，能有效地增加無線設備的覆蓋范圍和橋接距離，同時提高覆蓋邊緣區域接入設備連接的傳輸速率，滿足空地寬帶無線通信技術要求。

圖5 功率放大器框架圖

其中，C波段寬帶線性功率放大器外部接口按功能劃分包括獨立的2路SMA收發器射頻接口(分別連接天線和C波段網絡終端)、功放控制管理接口(RS232)和電源接口。此外，地面功放支持狀態LED指示和電源開關，便于部署使用。

3.3 C波段機載天線與C波段基站天線設計

在商用通信系統中，移動通信的基站天線類型由于造型、耐溫范圍、收發增益等原因均不適合用在飛行試驗中。因此需要針對飛行試驗的特點，研制專用的機載C波段天線和地面C波段天線。

機載C波段天線采用模塊化設計，便于機載安裝，實現頻率范圍4.4～4.94 GHz的雙向信號發射[8]，如圖6所示。

圖6 機載C波段天線示意圖

為保證系統的網絡通信效果，地面基站天線采用高增益陣列天線，通過耦合形成具有高增益的通信天線。天線組合由16個增益為15 dbi單元組成。單元天線水平方向波束寬度約45°，垂直方向波束寬度為25°[9]。天線組合分兩層，底層8個單元天線和上層8個天線。當仰角較高時，目標與天線的距離較近，要求接收天線增益較低。因此，底層天線單元布設時，向上傾斜20°，上層天線布設時向上傾斜50°，就可以覆蓋整個空域[10]，如圖7所示。

圖7 C波段基站式多目標天線結構示意圖

4 試驗結果與分析

在演示驗證系統構建中，采用4套地面基站實現空域覆蓋，試驗對象安裝在一架運輸機上，組成C波段基站式遙測網絡演示驗證系統。地面基站接收到信號后，通過電信運營商地面光纖網絡將信號回傳。在試驗過程中，由于運營商網絡設備限制，不能驗證50 Mbps的最大傳輸速率。飛行試驗結果如圖8所示。

從圖8可以看出，傳輸速率為1606 kB/s，約13 Mbps，實現了C波段基站式遙測網絡數據的傳輸，突破了傳統遙測體制，為未來實現高速、雙向、多目標空地數據傳輸提供了基礎。

5 結束語

針對新技術、新測試的需求，本文開展了C波段基站式多目標遙測網絡構建技術研究，主要包括架構設計，C波段基站式多目標遙測網絡系統接入體制，C波段遙測網絡終端系統研制三大部分。遙測網絡采用蜂窩網絡架構，利用地面基站式遙測遙控設備實現飛行空域覆蓋。采用適用于飛行試驗空地遙測網絡的TDMA接入體制實現數據傳輸，并完成了機載端/地面端網絡收發器、雙向功率放大器、天線的設計與實現。C波段基站式多目標遙測網絡構建技術的研究為實現高速、雙向、多目標空地數據傳輸提供了支撐，并為跨域遙測數據的傳輸奠定了基礎。