戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)視距下行通信鏈路信道模型特性的研究

鄧海峰，申江江，何勰，劉旭寧，吳一

（海軍航空大學(xué)91206部隊(duì)，山東 青島 266000）

隨著航空技術(shù)的高速進(jìn)步和人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人軍事裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)爭及非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)中應(yīng)用越來越廣泛，在作戰(zhàn)偵察及反恐等領(lǐng)域獲得了長足的發(fā)展。無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）憑借其靈活性高、使用方便、機(jī)載配置多樣化等特點(diǎn)得到了越來越多的應(yīng)用和重視。隨著目前無人機(jī)搭載偵查設(shè)備日漸多樣化，載荷不斷提高，其下行通信鏈路需要傳輸?shù)男畔⒎N類不斷增多，對(duì)其數(shù)據(jù)傳輸速率提出了更高的要求。為了提高無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速率，必須對(duì)其通信鏈路進(jìn)行分析，通信鏈路信道特性是提高通信傳輸速度的基礎(chǔ)問題[1-3]。無人機(jī)下行鏈路信道除了具有無線通信基本特點(diǎn)之外，兼具低仰角地空通信鏈路信道和移動(dòng)通信信道特點(diǎn)，比一般的無線信道更加復(fù)雜，研究戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)下行鏈路的信道特征，進(jìn)而建立準(zhǔn)確的信道模型，對(duì)于提高戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)作戰(zhàn)使用效能具有重要作用[4-5]。

1 無人機(jī)無線移動(dòng)信道的傳播特性

無人機(jī)移動(dòng)信道本身屬于無線電波，在空中傳播過程中受到空間環(huán)境各種因素的影響，表現(xiàn)出多種衰落特征，比如收發(fā)兩端帶來的路徑損耗，信號(hào)傳輸中會(huì)受到反射及散射等影響，一般可以將對(duì)信道的影響區(qū)分為大規(guī)模衰落和小規(guī)模衰落[6]。

1.1 無線信道大規(guī)模衰落模型

大規(guī)模衰落通常表現(xiàn)為通信目標(biāo)大范圍移動(dòng)造成的路徑衰落和平均信號(hào)能量的衰減，這是無線通信領(lǐng)域中最普遍的損耗形式。Hata根據(jù)Okumura的應(yīng)用測量結(jié)果，總結(jié)出了路徑損失的參數(shù)方程，根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為[7]:

按照dB形式可以寫為：

其中，d為信號(hào)傳輸距離，d0為參考距離（遠(yuǎn)離發(fā)射天線的一個(gè)位置和天線之間的距離，可選1 km、100 m、1 m）。路徑損耗指數(shù)n由信號(hào)頻率、天線位置和傳輸?shù)沫h(huán)境條件等決定，一般情況下當(dāng)信號(hào)在空間中進(jìn)行傳播時(shí)n取2即可，如果信號(hào)在街道等可能存在波導(dǎo)現(xiàn)象的空間中傳播時(shí)n可能會(huì)小于2，當(dāng)傳播路徑中存在障礙物時(shí)n可能會(huì)增大。

1.2 無線信道小規(guī)模衰落模型

在工程實(shí)踐中基站位置安排、發(fā)射功率設(shè)置等工作中小規(guī)模衰落是需要考慮的關(guān)鍵問題，研究調(diào)制方法的應(yīng)用時(shí)主要關(guān)注點(diǎn)也在于小規(guī)模衰落。小規(guī)模衰落是信號(hào)在較小距離或較短時(shí)間內(nèi)幅值、相位劇烈的動(dòng)態(tài)變化，具體表現(xiàn)為兩種形式：信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展和信道的時(shí)變特性。信號(hào)時(shí)延擴(kuò)展是由信道多徑干擾引起的，信號(hào)傳播過程中受到反射、散射等多種原因，到達(dá)接收端的時(shí)間不同，因此，接收端就會(huì)收到不同時(shí)延信號(hào)的疊加，由于不同反射路徑的信號(hào)幅度、相位、入射角各有不同，使疊加而成的接收信號(hào)幅度、相位產(chǎn)生失真[8-11]。

根據(jù)最大超量時(shí)延Tm和碼元時(shí)間Ts的關(guān)系，時(shí)延擴(kuò)展造成的性能下降分為頻率選擇性衰落（Frequency–selective Fading）和平坦衰落（Flat Fading)兩種類型。若TmTs，碼元的時(shí)延擴(kuò)展超出了碼元持續(xù)時(shí)間，對(duì)相鄰碼元造成了碼間干擾，則稱信道呈現(xiàn)頻率選擇性衰落特性。從頻域分析信道時(shí)延擴(kuò)展特性，研究相干帶寬f0=1/Tm與信號(hào)帶寬fs的關(guān)系（相干帶寬表示在兩個(gè)頻率點(diǎn)處保持強(qiáng)相關(guān)時(shí)的最大頻率差）。當(dāng)f0>fs時(shí)，在系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)任意頻率處，信號(hào)衰落相同，信道呈現(xiàn)平坦衰落。當(dāng)f0

信道的時(shí)變性是由發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相對(duì)移動(dòng)或信道內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)引起的，當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)受多普勒效應(yīng)的影響，產(chǎn)生頻率偏移，多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率偏移表示為：

其中，fc是發(fā)射信號(hào)載頻，v是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，φ為相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與電波入射方向夾角，c為光速。

1.3 無線信道小規(guī)模衰落信道特性

根據(jù)多普勒頻移fd與信號(hào)帶寬fs的關(guān)系，可以將信道分為快衰落信道和慢衰落信道。當(dāng)fs>fd時(shí)，信道呈現(xiàn)慢衰落特性，信道特性在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間里保持不變。當(dāng)fs

由上述分析可知，為使信號(hào)在無線移動(dòng)信道傳輸過程中不發(fā)生頻率選擇性失真和快衰落失真，必須綜合考慮信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展和信道的時(shí)變性。在時(shí)域表現(xiàn)為信號(hào)碼元持續(xù)時(shí)間Ts時(shí)需滿足Tm

圖1 信道衰落特性隨信道碼元時(shí)間變化規(guī)律

圖2 信道衰落特性隨信道帶寬變化規(guī)律

根據(jù)戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)平時(shí)執(zhí)行任務(wù)要求，其飛行速度較低，容易滿足Tsfd的要求，而戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)較低的飛行高度會(huì)導(dǎo)致信道中存在較為嚴(yán)重的多徑干擾，因此避免選擇性衰落應(yīng)該成為無人機(jī)發(fā)射信道發(fā)射信號(hào)的重點(diǎn)。

2 戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)下行通信鏈路信道模型特性分析

2.1 戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)信道模型分析

由于戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)地面站設(shè)有高增益的定向天線，下行鏈路信道存在一個(gè)較強(qiáng)的直視信號(hào)。同時(shí)，信號(hào)傳輸過程中存在反射與散射現(xiàn)象，因此，戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)下行鏈路信道屬于低測控仰角的航空信道。早期的航空信道研究并沒有提出明確的數(shù)學(xué)模型，自Bello提出了多普勒頻譜表達(dá)式后[12]，相關(guān)的研究逐漸增多。文獻(xiàn)[13]建立了航空下行通信鏈路的數(shù)學(xué)模型，其系統(tǒng)帶寬為5 MHz，并且指出信道的萊斯因子介于2～20 dB之間。Hass E在總結(jié)前人工作基礎(chǔ)上，針對(duì)航空信道建立了時(shí)域抽頭延遲線模型，該航空信道模型由一個(gè)較強(qiáng)的直視分量和若干散射分量構(gòu)成[11-15]。

無人機(jī)在起飛/降落時(shí)測控仰角較大，信號(hào)強(qiáng)度較大，多徑干擾最小，信道近似為高斯白噪聲，通信質(zhì)量好。隨著距離增大，測控仰角逐漸變小，進(jìn)入接收端的地面反射波能量增大，由于定向天線的存在，信號(hào)包含直視分量，信號(hào)包絡(luò)服從萊斯分布：

其中，直視分量與散射分量的能量比為萊斯因子k：

當(dāng)測控仰角進(jìn)一步減小，接收機(jī)就不會(huì)接收到明顯的直視分量，信號(hào)包絡(luò)會(huì)服從瑞利分布：

由上述分析可知，戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)下行鏈路信道隨著無人機(jī)與地面站距離的增大，測控仰角逐漸減小，信道特性由高斯白噪聲逐漸變化為瑞利信道。

2.2 戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)下行信道模型

萊斯在對(duì)不同場景信道參數(shù)進(jìn)行實(shí)測的基礎(chǔ)上，將信道模型具體為直視分量、反射分量、散射分量組成的三徑模型[14]，其沖擊響應(yīng)為：

式中，t、τ表示特定時(shí)刻和時(shí)間增量，a0、a1、ε(t)分別為直視分量、地面反射波分量和散射分量的幅度，Δθ1是反射分量相對(duì)視行分量的相移，Δωd1和Δωd2分別是反射分量和散射分量的多普勒頻移。由于OFDM子載波信號(hào)帶寬相對(duì)較小，一般而言小于信道相干帶寬，屬于窄帶信號(hào)，而對(duì)窄帶信號(hào)而言，式（7）可以化簡為：

當(dāng)a1=0時(shí)，信道簡化為萊斯信道。該模型即可作為戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)下行鏈路信道模型，即無人機(jī)下行信道模型為加入反射分量的萊斯信道，相比兩徑模型，三徑模型將地面強(qiáng)反射分量單獨(dú)計(jì)算，更加符合低仰角的戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)信道模型。文獻(xiàn)[14]給出了航空信道的兩個(gè)重要參數(shù)k、Γ，用以描述信道反射分量與散射分量的大小，并對(duì)信道進(jìn)行了實(shí)測，視行分量與散射分量能量的比值為萊斯因子k，參數(shù)Γ為反射分量與視行分量幅值比：

其中，δd為散射分量ε(t)的方差。

文獻(xiàn)[14]對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行了測量，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示(a為愛德華空軍基地，b為白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場)。

表1 航空信道參數(shù)

由表1可知，Γ一般在0.2～0.8之間變化，k一般在10～20 dB之間變化。

無人機(jī)飛行過程分為3個(gè)主要狀態(tài)，即起飛/降落狀態(tài)、途中飛行狀態(tài)和任務(wù)區(qū)域盤旋狀態(tài)，不同飛行狀態(tài)下信道參數(shù)的典型值如表2所示[10]，文獻(xiàn)[15]提出了一種最大時(shí)延擴(kuò)展的估計(jì)方法，當(dāng)飛行距離遠(yuǎn)大于飛行高度時(shí)，地空鏈路最大時(shí)延擴(kuò)展近似為飛行高度與光速比值h/c。由于沒有文獻(xiàn)實(shí)測戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)飛行過程中的信道時(shí)延擴(kuò)展值，該文以h/c為信道時(shí)延擴(kuò)展值進(jìn)行研究，戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)飛行高度一般在100～4 500 m間變化，可知多徑時(shí)延變化范圍約為0.33～15μs。

表2 不同飛行狀態(tài)下信道參數(shù)

2.3 戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)信道模型分析

為研究反射分量對(duì)于信道特性的影響，以64點(diǎn)FFT(N=64)的OFDM系統(tǒng)為例，研究該系統(tǒng)通過航空下行信道后BER性能分析航空信道特性[16-18]。

首先選擇散射分量能量接近、反射分量能量差距較大的EAFB數(shù)據(jù)組1、2、3進(jìn)行研究，系統(tǒng)誤碼性能如圖3所示。

圖3 反射分量能量差距較大時(shí)誤碼性能比較

從圖中可以看出，當(dāng)散射分量相近、反射分量差距較大時(shí)，系統(tǒng)BER性能有明顯差距，當(dāng)反射分量幅值較大時(shí)系統(tǒng)性能接近瑞利信道理論值，當(dāng)反射分量幅值較小時(shí)系統(tǒng)性能接近高斯白噪聲信道理論值。

然后選擇反射分量能量系數(shù)接近且幅值較小、散射分量能量差距較大的EAFB數(shù)據(jù)組6與WSMR數(shù)據(jù)組1、3進(jìn)行研究，系統(tǒng)誤碼性能如圖4所示。

圖4 散射分量能量差距較大時(shí)誤碼性能比較

從圖中可以看出，反射分量能量系數(shù)接近且幅值較小、散射分量能量差距較大時(shí)，系統(tǒng)誤碼性能區(qū)別并不明顯，且誤碼性能接近高斯白噪聲信道誤碼性能。

通過上述分析可知，航空下行傳輸信道主要受反射分量支配，當(dāng)反射分量較大時(shí)，信道特性接近瑞利信道，反射分量較小時(shí)，信道特性接近高斯白噪聲信道。相比之下，將反射分量單獨(dú)描述的三徑模型更能反應(yīng)無人機(jī)下行鏈路信道特性，適合無人機(jī)下行鏈路信道建模。

3 結(jié)束語

該文分析了戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)無線移動(dòng)信道的傳播特點(diǎn)，對(duì)下行鏈路信道的幾種典型衰落模型及其各自特點(diǎn)進(jìn)行了分析。在信道研究基礎(chǔ)上，以常見的OFDM通信系統(tǒng)為例，對(duì)實(shí)測航空信道參數(shù)進(jìn)行誤碼性能分析，得出航空下行傳輸信道主要受反射分量支配的結(jié)論，當(dāng)反射分量較大時(shí)，信道特性接近瑞利信道，反射分量較小時(shí)，信道特性接近高斯白噪聲信道。通過上述分析為戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)信道建模提供了參考借鑒,對(duì)于建立準(zhǔn)確的戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)下行信道模型，提高戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)作戰(zhàn)效能具有重要作用[19-20]。