基于5G技術的航空機載平臺無線通信應用

劉海寧，張少卿，鄂思宇

沈陽飛機設計研究所 綜合航電部，沈陽 110035

5G技術作為中美之間博弈的重點，具有重要的戰略意義[1-3]。5G技術實現了多種無線通信技術的有效融合，從多方面提升了無線通信網絡的性能，以滿足3大應用場景下的不同需求[4-5]。目前民用領域5G技術發展迅速，形成了大帶寬(eMBB)、高可靠低時延(uRLLC)及大規模機器通信(mMTC)的三大應用場景[6-8]，廣泛應用于各個領域[9-13]。在軍事領域，未來以馬賽克戰為代表的跨域協同作戰樣式[14]，對航空平臺的機載信息系統的設計提出了新的要求，機載信息系統作為單機平臺OODA環的重要執行載體，其架構與通信網絡的先進性將直接決定單個飛機平臺乃至整個作戰體系的作戰效能。未來機載信息系統設計可以借鑒民用5G以業務場景為核心的技術發展模式[15]，從體系級作戰的角度分析任務需求，實現任務驅動的機載信息系統設計。

當前，中國軍用飛機的機載信息系統網絡仍使用有線總線進行連接，網絡容量有限、物理拓撲連接固定、故障耦合性高、自愈能力差、無法支持載荷的即插即用、無法靈活升級等問題[16]，需要構建靈活適變的新型網絡架構滿足新一代機載信息系統的需求。5G的高速率、低時延及海量接入等特點，具備航空應用前景[17]。相對于民用5G應用廣泛的Sub-6頻段，高頻毫米波波長短、衰減大，同時保留了5G技術高可靠、低時延、高速連接等特點，更適用于航空機載平臺內部的無線通信[18-20]。高頻毫米波與機載設備頻段隔離，面對機內復雜封閉環境存在的非視距傳輸多的場景，毫米波衰減大的特性使得其具有較高的通信保密性[21]。通過對艙內結構打孔設計，可實現毫米波信號在艙內實現穿孔傳輸，有利于實現機載平臺內部近距離小范圍無線組網通信[22]。

5G技術賦能下的機載信息系統將向功能解耦、物理分散、動態重構等趨勢轉變，具備即插即用和柔性智聯的能力。同時解鎖現有機載頻譜的新應用，滿足未來信息化作戰下機載分布式平臺通信的需求；此外，機內無線網絡通信可以實現艙內部分無線化，減輕機艙內線纜帶來的重量負擔與復雜線束分布設計負擔，簡化艙內系統布置設計，提升可維護性。

本文針對航空平臺內部無線通信展開研究，基于典型飛機結構，開展了毫米波信號在機載復雜封閉艙段內的傳播特性仿真分析，設計并開發了用于機內通信的毫米波原型系統，完成了基于真實飛機結構下的無線通信測試，其通信速率達到了1 Gbps，驗證了艙內無線通信的可行性，為航空機載復雜環境的無線通信奠定基礎。

1 毫米波機內傳播特性仿真

1.1 仿真模型設計及射線路徑追蹤

為了研究毫米波在機載平臺內無線通信的可行性，首先基于射線追蹤法開展機載平臺典型結構內的無線傳輸特性仿真分析[23]，研究飛機內部的毫米波信號分布與傳播特性，分析多徑信號的時延擴展情況。射線追蹤法(Ray Tracing)是一種通過在三維空間中建立路徑，并且通過這些路徑和接觸面的互動來計算物理量變化的數學方法。運用射線追蹤法發展的無線電波傳播仿真工具，可以用于預測傳播路徑、涵蓋范圍、計算吞吐量和接收功率。

仿真軟件及仿真指標配置如下：

1) 仿真軟件：Wireless Insite。

2) 信號源發出射線數量設置：≥25。

3) 反射階數設置：6階。

4) 透射階數設置：0階。

5) 繞射階數設置：1階。

6) 最低門限：-100 dBm(即仿真過程中每條射線能量衰減到-100 dBm以下則不再跟蹤)。

7) 發射天線類型：全向天線。

8) 接收天線類型：全向天線。

仿真所需典型機載平臺結構模型應反映真實飛機內部和外部主要特征，其結構設計在外形上應能夠反映飛機某一部分的外形特征，內部結構應包含該飛機組成部分中重要的棱、面、孔、縫隙等結構，從而實現對毫米波傳播規律的高可靠性仿真分析。本文以飛機典型尾翼結構作為仿真模型結構開展仿真結構模型設計，其結構如圖1所示。

圖1 仿真模型結構模型圖

圖1所示的仿真模型方案充分表征了飛機的內部結構，具有信道分析和建模所需的關鍵結構部件，可用于模擬機載平臺內部復雜封閉環境。在開展毫米波無線傳輸特性仿真分析時，將射頻模塊固定在擬通信的若干位置，如圖2所示，TX為發射節點，選取了11個參考位置作為接收節點RX的參考位置，模擬在機載典型尾翼結構內通信節點之間視距傳播及非視距傳播特性。

圖2 射頻收發節點模塊布局示意圖

對仿真模型內部射線路徑進行追蹤，建立路徑方向性模型，在射線密度加大的情況下，仿真模型內部的路徑追蹤及功率分布結果如圖3所示。通過對毫米波傳播路徑分析，可快速確定快衰落所導致的信號盲區，進而為無線節點的布局優化提供理論指導依據。

圖3 腔體內的功率分布圖

1.2 無線傳輸特性仿真分析

由圖3可知仿真模型內部電波傳播的接收功率分布，根據接收功率分布在圖2射頻收發節點模塊布局示意圖中選取5個接收節點R1-1、R2-1、R2-4、R3-1、R3-4，分別以TX、R1、R2與R3所處的位置劃分區域，將R1～R3所處的區域依次稱為第1～第3腔體，本節主要針對3個腔體內接收點的信道時延特性及方向性模型進行仿真分析。

第1腔體中接收點R1-1的時延擴展模型及方向性模型仿真結果如圖4所示。該節點接收到的射線條數為上限仿真所設上限300條，對照圖3可知此節點偏離TX電波傳播功率強的路徑上，該接收節點射線能量衰落較大，其輻射的能量衰減至-80 dBm以下，造成比較大的路徑損耗和較低的接收功率。方向性模型顯示節點R1-1所接收到的信號多來自于面向TX一側，只有少量來自于與第1、第2腔體之間的隔板反射后的信號。

圖4 節點R1-1時延擴展模型及方向性模型

第2腔體中接收點R2-1、R2-4的信道時延特性及方向性模型仿真結果如圖5和圖6所示。其中接收節點R2-1所接收到的有效射線條數為209條，R2-4接收到的有效射線條數為139條。對照圖3可知接收節點R2-1位于第2腔體中的毫米波傳播與金屬材料發生反射的主要路徑上，因此節點R2-1所能接收到的有效射線條數大于節點R2-4，但是由于第2腔體相比與第1腔體距離發射節點更遠，因此接收到射線數量小于節點R1-1。從時延分布圖可知，R2-1的整體接收功率略大于R2-4。方向性模型顯示接收節點R2-1、R2-4的俯仰角集中分布于90°上，說明在此仿真模型內部毫米波傳播主要沿X-O-Y平面傳播，其中接收節點R2-1的方位角主要分布于50°～-150°，R2-4的方位角主要分布于100°～-150°，毫米波傳播功率分布于這些方位角區域，表明射線的入射區域與毫米波傳播的路徑方向相同。

圖5 節點R2-1時延擴展模型及方向性模型

圖6 節點R2-4時延擴展模型及方向性模型

第3腔體中接收點R3-1、R3-4的信道時延特性及方向性模型仿真結果如圖7和圖8所示。第3腔體由于腔體之間隔板的阻隔，到達此腔體的電波傳輸信號極弱，此腔體中節點R3-1所接收到的有效射線條數為12條，節點R3-4接收到的有效射線條數為56條，對照圖3可知接收節點R3-1位于第3腔體中信號最低的區域，而R3-4由于電波與蒙皮發生反射，其接收的射線要多于信號R3-1。第3腔體整體接收到的射線數量小于第1、第2腔體，其接收功率都為-80 dBm以下。方向性模型顯示，由于第3腔體與TX相隔3層隔板，此時射線在俯仰角已高度集中在90°，僅在方位角為電波傳播功率分布集中的方位角區域上俯仰角有細微發散于90°附近。

針對仿真模型內不同腔體的無線傳輸特性仿真結果表明，隨著射頻接收節點模塊布局的腔體越發遠離于TX所在的腔體時，俯仰角上電波傳播的接收面將越發集中于90°的區域，通信環境愈發惡劣，通信時延增大，通信質量變差，因此節點布設時需要充分參考仿真結果，實現通信質量最優。

圖7 節點R3-1時延擴展模型及方向性模型

圖8 節點R3-4時延擴展模型及方向性模型

2 毫米波模塊設計與開發

為了開展通信測量實驗，設計并開發了毫米波頻段的通信模塊，集成射頻前端與天線，以工業機、FPGA為載體開展通信測試。毫米波天線模塊采用貼片形式，以實現低剖面，小型化設計，其增益為10 dBi，帶寬400 MHz。天線的設計思路是將8個天線分為水平極化和垂直極化2組(甲乙)，每組4個天線(ABCD)。其中甲乙組中的天線兩兩具有相同的方向但是極化互相垂直。毫米波模塊設計充分借鑒1.2節仿真試驗結果，從飛機內部傳播特性出發，考慮機內通信復雜封閉金屬環境，部署垂直極化的2組天線，電磁波接觸機內金屬時極易根據金屬朝向而發生極化偏轉，因此無法像自由空間中一樣保持不變的極化方向采用互補的對偶極化天線對可以盡量彌補這種情況帶來的接收不良，同時將天線放置于機內有通孔區域，保證毫米波傳輸。天線布局如圖9所示。

圖9 天線布局示意圖

射頻前端原型的中頻信號采用模擬IQ雙路輸入，經移相器進行相位調制與疊加后，經中頻放大并于射頻信號源混頻濾波之后發射，接收過程與此相反。將射頻前級方案與天線方案綜合，形成多路射頻整體方案。

圖10 毫米波模塊實物圖

根據設計方案，完成了適用于機內仿真模型內部通信的毫米波模塊的加工，實物如圖10所示。毫米波模塊集成了天線與射頻前端，同時使用FPGA對該模塊進行供電、控制以及NV設置，組網方法等。同時為了對模塊之間進行通信以及吞吐性能的測試引入了一些工具包及Web設置，通過對FPGA及測試板的交叉開發完成調試，調試系統對2個板子間的通信進行NV設置，保證其能順利地作為同一組網下的客戶端與服務端進行鏈接。經過調試后2個無線模塊之間可以建立通信鏈路，具備通信條件。

3 實際飛機結構模型下的無線通信測試

3.1 測試環境搭建

在完成毫米波設備開發后，還需要加工實際飛機結構模型來開展機內無線通信測試。根據圖1所設計的仿真模型，加工實際飛機結構模型，其實物如圖11所示。

圖11 飛機結構模型實物圖

為了搭建機內無線通信系統，除毫米波模塊和飛機結構模型外，還需要配備基帶處理器和路由模塊、千兆網口以及電源模塊等部分，系統構成如圖12所示。

測試系統的工作流程如圖13所示，數據傳至承載板后由應用子系統完成信息格式化處理；總線接收處理、格式化信息，經路由、MAC處理后將數據包送入基帶子系統。基帶子系統收到數據包之后對其加載包頭并進行信道編碼，然后對數據幀進行數字調制之后由DAC轉換為模擬信號并作為中頻信號送入射頻前端子系統。射頻前端子系統對中頻信號進行正交化之后經混頻器混頻、濾波、然后送至射頻放大器之后發送到天線子系統。天線子系統根據通道開關切換指令選中相應天線發射信號。

圖12 系統組成示意圖

圖13 系統邏輯圖

基帶模塊如圖14所示。指定的接收天線接收到的射頻信號射頻子系統完成下變頻處理；得到中頻信號經濾波后送入基帶處理模塊，基帶處理模塊通過AD轉換為數字信號，經過數字濾波和解調得到數據，對數據進行校驗、拆包后得到數據負載并送入MAC處理和路由處理后送至下一模塊。

圖14 基帶模塊

毫米波模塊通過基帶模塊的mini-pcie接口將工業機與基帶相連，之后通過連接線將基帶模塊與天線相連組成一個節點的收/發系統。

3.2 機內無線通信測試

圖11所示的飛機結構模型可用于模擬機載平臺內部強多徑環境，將毫米波無線通信設備和視頻監控設備布設在尾翼模型內，開展無線通信性能測試。由于天線為貼片陣列形，故將其置于平行于隔離處的開孔內，其大致布局如圖15所示。

圖15 機內無線通信測試系統

完成軟硬件信息配置后，開展機內無線通信通信試驗，按照圖15所示，在實測環境中布設3個通信節點，一收兩發，采用視距傳播模式。測試畫面與結果分別如圖16和圖17所示。

圖16 視頻監控畫面

圖17 速率測試

圖17為一組通信速率的采集結果，在真實飛機艙段模型內部傳播速率可達1 031 Mbits=1 Gbps。與仿真結果相比，毫米波無線信號在真實飛機結構模型內部的傳播產生較嚴重的路徑損耗、多徑快衰落以及時延擴展，造成通信質量下降。

4 結 論

本文針對5G技術在機載無線通信領域的應用展開研究。

1) 首先基于典型飛機結構設計仿真模型，完成了毫米波模塊在仿真模型內部的無線通信性能仿真分析，仿真結果表明隨著射頻接收節點模塊布局的腔體越發遠離于TX所在的腔體時，通信環境愈發惡劣，通信時延增大，通信質量變差。

2) 設計并加工了毫米波模塊和真實飛機結構模型，搭建了機內無線通信系統并開展試驗測試。試驗結果表明，在真實飛機封閉艙段內，所搭建的測量系統實現了2對1無線傳輸測試，通過自主開發的可視化用戶界面顯示其無線速率達到了1 Gbps，同時監控畫面可以實時顯示，實現了機內無線通信。但是，機內復雜封閉環境帶來的多徑效應及快衰落等問題需要借助相應的技術手段解決。

本文研究成果可為機載平臺無線通信提供理論基礎，加速5G技術在航空領域的應用。