基于SC-FDE的一種無人機(jī)新型圖傳系統(tǒng)設(shè)計

邊慧穎，張德海，劉 鵬

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實驗室，北京 100190）

0 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟，無人機(jī)在民事和軍事中的應(yīng)用越來越多，建立一條可靠的無人機(jī)通信鏈路顯得尤為重要。無人機(jī)圖傳系統(tǒng)屬于典型的無線通信系統(tǒng)。傳輸時，通信距離遠(yuǎn)、地形地貌復(fù)雜、移動臺的移動速度、傳播路徑復(fù)雜等因素都會導(dǎo)致嚴(yán)重的多徑衰落和多普勒頻移，從而對無線通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響，降低無人機(jī)通信的可靠性[1]。

目前，常用的對抗多徑衰落的方法主要有OFDM，SCTDE，SC-FDE。其中SC-FDE系統(tǒng)兼具單載波和正交頻分復(fù)用（OFDM）的優(yōu)點(diǎn)，在有效消除碼間串?dāng)_的同時又避免了多載波傳輸技術(shù)峰均比（PARA）高、對頻偏敏感等缺點(diǎn)[2-3]。

單載波頻域均衡技術(shù)通過利用可調(diào)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性來補(bǔ)償實際信道在相頻和幅頻上的畸變，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，需要進(jìn)行FFT變換，先將數(shù)據(jù)分成FFT數(shù)據(jù)塊再進(jìn)行處理，并通過在每個數(shù)據(jù)塊的前端加入循環(huán)前綴（CP）來消除數(shù)據(jù)塊之間的干擾。目前常用已知序列獨(dú)特字（UW）來代替循環(huán)前綴（CP），其具有自相關(guān)性好、頻率響應(yīng)平穩(wěn)的特性，不僅可以用來做循環(huán)前綴，還可用于同步及信道估計與均衡。由于SC-FDE系統(tǒng)分塊傳輸和添加循環(huán)前綴的特性，設(shè)計合理的幀結(jié)構(gòu)不僅可以改善系統(tǒng)的性能，而且可以提高系統(tǒng)的帶寬利用率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省o人機(jī)高速圖傳系統(tǒng)中信道為時變信道，且傳輸模式多為突發(fā)傳輸。針對其特殊性，基于SC-FDE技術(shù)建立新的傳輸系統(tǒng)具有重要的意義。基于以上分析，本文搭建了一個無人機(jī)新型圖傳系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)，在保證系統(tǒng)誤碼性能的同時，提高了有效數(shù)據(jù)的傳輸效率。

1 單載波頻域均衡系統(tǒng)

SC-FDE系統(tǒng)原理框如圖1所示，信號處理流程大致分為4個步驟[4]。（1）對原始的二進(jìn)制信號進(jìn)行編碼、調(diào)制得到符號序列，隨后進(jìn)行分塊處理同時插入獨(dú)特字（UW）作為循環(huán)前綴，封裝成幀，其中循環(huán)前綴的長度由信道的多徑時延特性確定。（2）完整的傳輸幀經(jīng)過信道，受到多徑效應(yīng)及多普勒頻移的影響，在接收端進(jìn)行時域同步和頻率同步處理。（3）去除循環(huán)前綴，通過FFT變換將接收信號變換到時域，并利用已知的訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計，得到信道的傳輸函數(shù)，并對信號進(jìn)行頻域均衡，以消除信道對信號產(chǎn)生的影響。（4）繼續(xù)對均衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)、譯碼，得到輸出端的輸出信息序列。

圖1 單載波頻域均衡系統(tǒng)原理

2 SC-FDE的傳輸幀結(jié)構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

在移動通信中，數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)中是以幀為單位進(jìn)行傳輸?shù)模鶕?jù)IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)，SC-FDE系統(tǒng)中幀結(jié)構(gòu)由獨(dú)特字（UW）序列和有效數(shù)據(jù)組成，根據(jù)插入獨(dú)特字的塊數(shù)不同分為單塊獨(dú)特字傳輸和多塊獨(dú)特字傳輸，連續(xù)傳輸和突發(fā)傳輸模式下幀結(jié)構(gòu)如圖2—5所示[5]。

圖2 單塊字連續(xù)傳輸模式數(shù)據(jù)幀

圖3 單塊字突發(fā)傳輸模式數(shù)據(jù)幀

圖4 多塊字連續(xù)傳輸模式數(shù)據(jù)幀

圖5 多塊字突發(fā)傳輸模式數(shù)據(jù)幀

不同幀結(jié)構(gòu)的帶寬利用率如表1所示[6]。由表1可知，在突發(fā)模式下，多塊獨(dú)特字傳輸幀帶寬利用率較低，單塊獨(dú)特字傳輸幀帶寬利用率明顯高于多塊獨(dú)特字傳輸幀。但由于單塊獨(dú)特字傳輸幀中每段負(fù)載數(shù)據(jù)前的UW序列既要用于克服碼間串?dāng)_，避免前一個幀對當(dāng)前幀的干擾，又要作為導(dǎo)頻信號用于信道估計和頻域均衡，信道估計的準(zhǔn)確度大大降低，系統(tǒng)誤碼率性能有較大的改善空間。

表1 不同幀結(jié)構(gòu)帶寬利用率

吳輝等[7-8]提出可以將原有的信道估計序列設(shè)計為幾塊長度相等的子UW，通過利用子UW進(jìn)行多次信道估計求平均值的方式提高信道估計的準(zhǔn)確度[9]。在該種幀結(jié)構(gòu)中，信道估計序列的總長度保持不變，因此不會造成另外的開銷，且UW的長度大于信道最大時延擴(kuò)展，可以有效避免碼間串?dāng)_。論文[10]中進(jìn)一步驗證了這一結(jié)論：16×4個UW序列組作為信道估計的導(dǎo)頻序列時比一個64位的Frank_zadoff序列時的信道沖擊響應(yīng)估計精度高。但由于無線信道是時變信道，UW過短時，會因為點(diǎn)數(shù)太少而不足以檢測到整個信道的變化。且UW越短，頻域插值的效果也不理想，導(dǎo)致估計出的信道頻率響應(yīng)與實際信道偏差過大，反而使得系統(tǒng)性能惡化。因此，應(yīng)綜合考慮UW長度和估計次數(shù)之間的關(guān)系。

2.2 改進(jìn)的傳輸幀結(jié)構(gòu)

無人機(jī)無線通信系統(tǒng)為時變信道，且傳輸環(huán)境較為復(fù)雜，因此在實際應(yīng)用中，多采用突發(fā)傳輸模式，以保證數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量[9]。突發(fā)傳輸模式下要想提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，可以增加每幀的有效數(shù)據(jù)的長度。

在實際的工程應(yīng)用中，傳輸幀結(jié)構(gòu)應(yīng)該至少滿足以下要求。一是循環(huán)前綴或獨(dú)特字的長度滿足功能要求；二是在保證性能的同時盡可能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩蝗且Y(jié)合實際盡量降低硬件實現(xiàn)的難度。

當(dāng)總幀長較大時，便不能假設(shè)信道在一幀的持續(xù)時間內(nèi)近似恒定，這將大大降低信道估計的準(zhǔn)確性。除此之外，一幀信號的時長與系統(tǒng)在做頻域均衡之前做FFT變換的點(diǎn)數(shù)密切相關(guān)，信號的持續(xù)時間越長，F(xiàn)FT變換的點(diǎn)數(shù)越多，在工程實現(xiàn)過程中對硬件的性能要求越高[10]。基于以上分析，對傳統(tǒng)的傳輸幀進(jìn)行了改進(jìn)，如圖6—8所示。

圖6 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

圖7 幀頭結(jié)構(gòu)

圖8 數(shù)據(jù)部分結(jié)構(gòu)

傳輸幀分為兩部分，包括幀頭和數(shù)據(jù)部分。幀頭包括循環(huán)前綴（CP）和同步序列，該部分的循環(huán)前綴主要用于抵制前一個數(shù)據(jù)傳輸幀對幀頭中同步序列的多徑干擾，防止同步序列受到碼間串?dāng)_（ISI）的影響。同步序列主要用于接收端對到達(dá)的信號進(jìn)行時域同步和頻率同步，準(zhǔn)確的時頻同步可以大大提高后續(xù)信道估計的精確度。數(shù)據(jù)部分采用了分塊傳輸?shù)姆绞剑瑢⒂行?shù)據(jù)劃分為數(shù)據(jù)塊，并結(jié)合不同長度的獨(dú)特字UW序列組成子幀和小幀。數(shù)據(jù)部分共包含m個子幀，每個子幀包含子幀頭和n個小幀。子幀頭中包括獨(dú)特字UW、UW組、獨(dú)特字UW。第一個UW起到循環(huán)前綴的作用，有效消除幀頭中同步序列對UW組的串?dāng)_。UW組用于信道估計，由e個相等長度的UW序列組成，每個UW序列分別進(jìn)行信道估計得到e個信道估計值，并對e個信道估計值求平均，作為最終的信道估計值。最后一個UW作為數(shù)據(jù)塊的循環(huán)前綴。小幀部分由n個FFT數(shù)據(jù)塊組成，每個FFT數(shù)據(jù)塊均包括有效數(shù)據(jù)和獨(dú)特字UW。

幀頭位置處的同步序列適用于突發(fā)模型，不僅可以應(yīng)對短時間內(nèi)相對高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，而且適用于無人機(jī)無線通信這種信道環(huán)境相對復(fù)雜的傳輸環(huán)境。因為新型數(shù)據(jù)傳輸幀的總幀長較長，信道在一幀的時長范圍內(nèi)會發(fā)生無法預(yù)知的變化，于是將總幀劃分為m個子幀，保證在每個子幀的時長范圍內(nèi)信道參數(shù)是近似不變的，即每個子幀的時長小于信道相干時間。因此，在每個子幀內(nèi)做一次信道估計便可用于整個子幀的信道均衡。每個子幀中將數(shù)據(jù)部分分為3個小幀，可控制FFT變換的點(diǎn)數(shù)，降低硬件的實現(xiàn)難度。可以結(jié)合具體場景自主選擇適當(dāng)長度的獨(dú)特字UW組用于信道估計，既可以使得信道估計更準(zhǔn)確，又不會占用太多帶寬。將信道估計的結(jié)果作用于子幀的每個小幀中，與均衡器結(jié)合即可進(jìn)行頻域均衡。

該幀的主要改進(jìn)之處在于：（1）突發(fā)模式下幀頭同步序列進(jìn)行一次同步運(yùn)算可實現(xiàn)不同子幀的連續(xù)傳輸；（2）保證每個子幀傳輸時長小于信道相干時間，每個子幀中一組信道估計用于多次信道均衡；（3）采用UW組代替單一UW序列進(jìn)行信道估計。

改進(jìn)后的幀結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）增加了有效數(shù)據(jù)的長度，大大提高了有效數(shù)據(jù)的傳輸效率。（2）利用多個連續(xù)的UW序列進(jìn)行信道估計后求平均，減少了噪聲和信道突發(fā)情況對系統(tǒng)性能的影響，提高了信道估計的精度。（3）在信道相干時間內(nèi)使用相同的均衡系數(shù)對多組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡，減少了不必要的信道估計。（4）有效控制了FFT變換的點(diǎn)數(shù)，降低了硬件實現(xiàn)的難度。

3 無人機(jī)通信應(yīng)用場景仿真與實現(xiàn)

本文首先針對具體的應(yīng)用場景進(jìn)行仿真和分析，并在FPGA開發(fā)板上進(jìn)行調(diào)試和板級驗證，通過Matlab仿真和FPGA硬件實現(xiàn)的結(jié)果對無人機(jī)新型圖傳系統(tǒng)的誤碼性能進(jìn)行分析。仿真參數(shù)如下，通信距離100 m～100 km，最大飛行速度60 m/s，載波頻率5 GHz，最大傳輸速率4 Mbps。

無人機(jī)飛行過程中傳播路徑多為山地且環(huán)境較為復(fù)雜，COST207標(biāo)準(zhǔn)中的HT信道是針對蜂窩系統(tǒng)設(shè)計的無線信道，符合無人機(jī)信道的特點(diǎn)，故本次仿真采用HT信道模型，均方根時延約為5。由以上分析，本次設(shè)計中無人機(jī)無線信道的具體參數(shù)為[00.2 0.4 0.6 15 17.2]μs。

無人機(jī)信道為時變信道，工作過程中傳輸損耗和傳輸時延不斷隨周圍環(huán)境變化而變化，出現(xiàn)典型的多徑傳輸現(xiàn)象。為避免時延干擾和實現(xiàn)信道估計及信道均衡，要保證信道衰落足夠慢以至于可當(dāng)成靜態(tài)信道，即在一個SC-FDE符號的時間內(nèi)參數(shù)是恒定的，故幀結(jié)構(gòu)中的SC-FDE符號子幀不能過長，需保證每個子幀的長度小于相干時間。最大多普勒頻移為1 000 Hz，則相干時間Tc為1 000μs。因此，按照最大傳輸速率4 Mbps，幀長T＜4 000 bit即可。

由上文可知，本次設(shè)計均方根時延σTm為5μs，故循環(huán)保護(hù)前綴的長度需滿足TCP＞σTm。由于在1 ms的時間內(nèi)無須做重復(fù)的信道估計，因此每3個子幀做一次信道估計。在5G通信標(biāo)準(zhǔn)中，無線幀長是10 ms[11]，故選用了10個子幀，保證總幀長小于10 ms。基于以上，系統(tǒng)傳輸幀仿真參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)傳輸幀的參數(shù)

噪聲為加性高斯白噪聲，同步采用park算法，均衡算法采用MMSE算法，調(diào)制方式為BPSK調(diào)制。使用的FPGA開發(fā)板是Xilinx公司的黑金AX7020。

新型傳輸模型下無人機(jī)圖傳系統(tǒng)的系統(tǒng)誤碼性能如圖9所示。從圖中可知，Matlab軟件仿真中，在多徑信道條件下，多普勒頻移為1 000 Hz時，信噪比為15 dB時，系統(tǒng)的誤碼率。與文獻(xiàn)[4，9]中多徑信道中的仿真結(jié)果對比可知，該系統(tǒng)具有一定的抗多徑干擾能力，性能較好。FPGA硬件實現(xiàn)時，系統(tǒng)的誤碼性能略差于Matlab仿真，相差1 dB左右，這是由于系統(tǒng)鏈路在FPGA板上實現(xiàn)時對浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行定點(diǎn)量化計算，導(dǎo)致精度下降，但總體依然滿足通信系統(tǒng)鏈路誤碼性能的需求。

圖9 無人機(jī)新型傳輸系統(tǒng)誤碼率性能

4 結(jié)語

本文對單載波頻域均衡（SC-FDE）系統(tǒng)原理進(jìn)行了分析，并針對無人機(jī)高速率數(shù)據(jù)圖傳傳輸系統(tǒng)建立了新型傳輸模型。無人機(jī)飛行環(huán)境復(fù)雜，通信需采用突發(fā)傳輸模式，然而傳統(tǒng)的突發(fā)傳輸模式無法兼顧額外開銷與系統(tǒng)誤碼率性能，故本文對數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種適合遠(yuǎn)程無人機(jī)圖傳的SC-FDE幀結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)突發(fā)模式下有效數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸，同時幀結(jié)構(gòu)中大大增加了有效數(shù)據(jù)的長度，提高了帶寬利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率。利用連續(xù)的多個UW序列進(jìn)行多次信道估計，取其平均值用于信道均衡，提高了信道估計的準(zhǔn)確度。在信道的相干時間內(nèi)，使用相同的估計值對多個FFT數(shù)據(jù)庫進(jìn)行均衡，減少了不必要的信道估計，提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分塊處理，減小了FFT的點(diǎn)數(shù)，降低了硬件實現(xiàn)難度。通過分析研究Matlab仿真和FPGA硬件實現(xiàn)結(jié)果可知，在多徑條件下，該系統(tǒng)能較好地抵抗多徑干擾和多普勒頻移，誤碼率性能較好。除此之外，該新型圖傳系統(tǒng)模型中的幀結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于多種不同的無線通信環(huán)境，針對的應(yīng)用場景可調(diào)節(jié)子幀和小幀的數(shù)量。