高保生,朱良彬

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

無人機地空數(shù)據(jù)傳輸過程中,無線信號會受到地形、地物以及大氣等因素的影響,引起電波的反射、散射和繞射,形成多徑傳播,造成數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量下降。

該文分析了無人機地空數(shù)據(jù)傳輸信道特性,提出了相應的數(shù)據(jù)傳輸體制,提高了地空寬帶數(shù)據(jù)鏈的抗多徑傳輸性能。

1 地空信道模型

尋找和建立一個合適的信道模型是研究無人機地空數(shù)據(jù)傳輸信道特性的關(guān)鍵。在無人機整個工作過程中,根據(jù)飛行環(huán)境的不同,存在不同數(shù)量的傳播路徑,包括直射分量 r1、地面反射波r2以及除地面反射波之外的其他反射分量r3,如圖1所示。

為了方便分析,使用WSSUS三徑模型對無人機地空數(shù)據(jù)鏈路信道特性進行分析:

式中,a0、a1、a2分別為直射分量、地面反射分量和除地面反射分量以外的其余多徑分量的幅度增益;fLOS為直射分量的多普勒頻移 ;θref、fref、τref分別為地面反射分量的相移、多普勒頻移和延遲時間;θscat、fscat、τscat分別為除地面反射之外的多徑分量的相移、多普勒頻移和延遲時間。

圖1 無人機地空數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2 地空信道特性分析

在不同的工作狀態(tài)下,無人機所處的信道具有不同的特性,并且由信道衰落類型、多普勒頻移以及延遲擴展等特性決定。為了準確建立信道模型,將無人機系統(tǒng)整個工作過程劃分為“滑行”、“起降”和“巡航”3種狀態(tài)。

2.1 滑行階段

在無人機滑行階段存在視距傳播分量r1,同時機場地面及其周圍建筑物、山脈等地物地貌會引起很強的多徑傳播分量r2和r3,信道呈現(xiàn)明顯的萊斯特性。該階段的多徑信號能量較強,在文獻[4]中建議無人機滑行階段的萊斯因子大小為6.9 dB。

在該階段可以借鑒COST-207標準中的鄉(xiāng)村信道模型,最大多徑時延為0.7 μ s,計算得到信道相關(guān)帶寬約為1.4 MHz。而此時數(shù)據(jù)傳輸速率在2 Mbps以上時,信號帶寬大于信道相關(guān)帶寬,信號在傳輸過程中會引起頻率選擇性衰落。

2.2 起降階段

“起降”階段傳輸信號由直射波信號r1、地面發(fā)射波信號r2以及周圍建筑物、山脈等地物地貌引起的反射波信號r3組成,屬于萊斯(Rice)信道。相對于滑行階段,信號r1有所加強,r2和r3分量相對減弱,文獻[4]中建議無人機起降階段的萊斯因子大小為15 dB。

多徑衰落效應主要由r2和r3引起,其中r2徑時延相對較小。以地面站天線高度為5 m、飛機高度為50～5 km、飛行距離為1～100 km為例來計算,最大多徑時延約為16.7 ns;而 r3的多徑時延相對較大。在某些復雜飛行環(huán)境下,多徑時延可以達到幾 μ s,甚至幾十 μ s。以最大多徑時延1 μ s來計算,信道相關(guān)帶寬為1 MHz;當多徑時延增大時,相關(guān)帶寬會變得更小。而這個階段數(shù)據(jù)傳輸速率一般不低于2 Mbps,信號帶寬遠大于信道相關(guān)帶寬,數(shù)據(jù)在傳輸過程中會產(chǎn)生嚴重的頻率選擇性衰落。

2.3 巡航階段

在這個階段,傳輸信號同樣由 r1、r2和r3組成。而此時r3信號分量相對較弱,其能量約為直射分量的1%～8.4%,可以忽略。在該狀態(tài)下,無人機地空數(shù)據(jù)鏈路可以等效為由信號r1和 r2組成的萊斯信道,萊斯因子可以設(shè)定為10 dB。

多徑效應主要由信號r2引起。假設(shè)地面反射為理想鏡面反射,以地面站天線高度為5 m,飛機高度為5～20 km,飛行距離為100～400 km來計算,多徑時延約為0.42～6.67 ns。信道相關(guān)帶寬最小約為150 MHz。而這個階段數(shù)據(jù)傳輸速率一般在2～100 Mbps之間,遠小于信道相關(guān)帶寬。所以在這種飛行狀態(tài)下,信道是一個平坦衰落信道。

3 寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

根據(jù)上述分析,在無人機巡航飛行階段,信道屬于平坦衰落信道,采用QPSK調(diào)制等調(diào)制體制,加入合適的信道糾錯編碼就可以滿足系統(tǒng)誤碼率要求。而在無人機滑行階段和起降階段,較大的多徑時延會引起頻率選擇性衰落,影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量,所以必須采取有效寬帶數(shù)據(jù)傳輸方案以對抗多徑衰落的影響。

在2003年提出的IEEE802.16a標準中,規(guī)定了SC-FDE系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)2種抗多徑衰落的寬帶無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

3.1 SC-FDE系統(tǒng)基本原理

SC-FDE的基本原理框圖如圖2所示。

圖2 SC-FDE原理

在發(fā)送端,輸入的二進制信息流根據(jù)調(diào)制方式(如MPSK或者MQAM)先進行星座圖映射,然后插入UW序列和保護間隔進行數(shù)據(jù)成幀,對成幀后的數(shù)據(jù)序列進行脈沖成型后調(diào)制到高頻載波上,通過射頻發(fā)射出去;在接收端,信號進行A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過正交下變頻將信號搬移到基帶,在基帶完成同步、信道估計以及均衡處理,再恢復到時域進行判決輸出。

3.2 OFDM系統(tǒng)基本原理

OFDM基本原理框圖如圖3所示。

圖3 OFDM原理

在發(fā)送端,輸入的二進制信息流根據(jù)調(diào)制方式(如MPSK或者MQAM)先進行星座圖映射,然后串并轉(zhuǎn)換、插入循環(huán)前綴(CP)形成特定的數(shù)據(jù)幀。將成幀后的數(shù)據(jù)通過IFFT變換將并行數(shù)據(jù)調(diào)制到相應的子載波上發(fā)射出去。在接收端,通過FFT變換后在頻域進行均衡,最后判決輸出。

3.3 SC-FDE系統(tǒng)和OFDM系統(tǒng)比較

對比圖2和圖3可以看出,SC-FDE和OFDM二者在原理上有很多相似之處。但是OFDM信號是多路子載波信號的疊加,會產(chǎn)生很大的峰值平均功率比(PARA),通過非線性放大器時會導致信號畸變;同時OFDM系統(tǒng)中子載波之間要求嚴格的正交,所以O(shè)FDM對載波頻偏較敏感。而SC-FDE采用單載波傳輸體制,同時保留了多載波系統(tǒng)信號處理的方法,有效消除多徑衰落影響的同時避免了多載波傳輸?shù)娜毕?加上單載波系統(tǒng)適合下行鏈路的對無人機跟蹤。所以在無人機滑行和起降階段,可以選擇SC-FDE寬帶數(shù)據(jù)傳輸方案來對抗多徑衰落。

4 地空數(shù)據(jù)鏈路中SC-FDE性能仿真

根據(jù)上述對無人機地空數(shù)據(jù)鏈路信道特性分析,分別模擬無人機滑行階段和起降階段信道特性對SC-FDE系統(tǒng)的抗多徑衰落性能進行仿真。設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mbps,調(diào)制方式為QPSK。

4.1 滑行階段

采用COST-207標準中鄉(xiāng)村萊斯信道模型,最大多徑時延設(shè)定為0.7 μ s,萊斯因子K 取6.9 dB。UW序列選擇的是長度為64的Frankzadoff 序列,FFT數(shù)據(jù)塊長度為512。信道編碼采用為(2,1,7)卷積編碼。采用MMSE信道估計準則對均衡性能進行仿真,誤碼率曲線如圖4所示。

圖4 滑行階段SC-FDE性能仿真

從圖4中可以看出,在信噪比為10 dB時,均衡將誤碼率從10-1數(shù)量級降低到10-2,加入卷積編碼以后,誤碼率降低到＜10-5。

4.2 起降階段

信道模型選擇萊斯信道,Rice因子K取15 dB,最大多徑時延設(shè)定為10 μ s。UW序列選擇的是長度為64的Frankzadoff 序列,FFT數(shù)據(jù)塊長度為512。信道編碼采用(2,1,7)卷積編碼。采用MMSE信道估計準則對均衡性能進行仿真,誤碼率曲線如圖5所示。

圖5 起降階段SC-FDE性能仿真

從圖5中可以看出,在信噪比為10 dB時,均衡將誤碼率從10-1數(shù)量級降低到10-3,加入卷積編碼以后,誤碼率降低到＜10-6。

5 結(jié)束語

無人機地空數(shù)據(jù)鏈路在數(shù)據(jù)傳輸過程中受到多徑衰落的影響,造成通信質(zhì)量下降。通過對比分析SC-FDE技術(shù)和OFDM技術(shù),SC-FDE技術(shù)具有載波包絡(luò)恒定,適合下行鏈路跟蹤等的特點,能很好地解決無人機地空數(shù)據(jù)鏈在滑行和起降階段的多徑衰落問題,大大提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。該文的研究對無人機地空寬帶數(shù)據(jù)鏈的抗多徑設(shè)計具有一定的參考意義。

[1]尹長川,羅 濤,樂光新.多載波寬帶無線通信技術(shù)[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.

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