張 玲

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

近年來，隨著無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，特別是中國研制的軍用無人機(jī)在中東地區(qū)作戰(zhàn)時的精彩表現(xiàn)，中國產(chǎn)無人機(jī)在國際軍火市場供不應(yīng)求，無人機(jī)的研發(fā)成為國內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一。隨著無人機(jī)市場的不斷拓展，要求無人機(jī)單次執(zhí)行任務(wù)的時間拉長，應(yīng)用環(huán)境呈現(xiàn)出多樣化。無人機(jī)可能飛行在山丘、海洋、平原、森林、沙漠或者繁華的都市。這些應(yīng)用場景由于地理環(huán)境不同，地形、地貌完全不一樣，造成無線電波被反射甚至阻擋，直接影響無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的通信質(zhì)量。特別是在無人機(jī)起飛降落階段，飛行器處于低仰角工作時，無線電波由于多次反射，信號質(zhì)量進(jìn)一步惡化，多徑效應(yīng)嚴(yán)重。應(yīng)用環(huán)境的多樣化對無人機(jī)測控鏈路的可靠性、安全性特別是克服嚴(yán)重的多徑效應(yīng)以適用更多的應(yīng)用場景，提出了更高的要求[1]。

無人機(jī)測控鏈路分為上行鏈路和下行鏈路兩條。上行鏈路用于傳播低速遙控信息，下行鏈路用于傳播有效載荷和遙測信息。隨著無人機(jī)科技的發(fā)展，用戶需求的提升，當(dāng)前需要傳送的載荷數(shù)據(jù)量越來越大，下行傳輸速率進(jìn)一步提高。傳輸速率越高，多徑效應(yīng)對測控鏈路的影響更加嚴(yán)重。為了改善多徑環(huán)境下下行高速數(shù)據(jù)鏈路的性能，測控系統(tǒng)除采用常規(guī)的快速AGC、高效信道編碼、交織糾錯和鏈路冗余等措施外，目前下行高速數(shù)據(jù)鏈路抗多徑方案有單載波頻域均衡技術(shù)（Single Carrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE）和正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）。OFDM帶寬可擴(kuò)展性強(qiáng)，頻譜資源靈活分配，但對相位噪聲和頻率偏移敏感，且存在較高的峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR），更適用于近距離通信，在遠(yuǎn)距離通信時優(yōu)勢不明顯。SC-FDE直接在時域上調(diào)制信號，信號包絡(luò)恒定，有低峰均比、低復(fù)雜度的優(yōu)勢，抗載波頻偏和相位噪聲的性能優(yōu)于OFDM體制，在遠(yuǎn)距離通信時性能較OFDM體制更具優(yōu)勢。文獻(xiàn)[2]從頻偏、時偏的角度對比兩種體制的誤碼率，分析得出SC-FDE的頻率頻偏忍受能力更強(qiáng)，OFDM對時間偏移忍受能力更強(qiáng)。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為兩種體制的性能非常接近，OFDM只有在低信噪比配合強(qiáng)編碼（低碼率）的情況下，性能比SC-FDE稍好，而SCFDE能夠正常使用需要在均衡后的符號間干擾盡量消除的前提下。

本文通過對OFDM和SC-FDE通信體制的比較，分析了OFDM和SC-FDE體制的優(yōu)缺點(diǎn)，提出通過優(yōu)化SC-FDE的傳輸幀結(jié)構(gòu)，以同一種SC-FDE傳輸體制適應(yīng)無人機(jī)近場和遠(yuǎn)場兩種信道條件，既提高系統(tǒng)抗多徑性能，又降低了設(shè)備設(shè)計(jì)和工作的復(fù)雜程度。仿真結(jié)果表明，合理設(shè)計(jì)SC-FDE的幀結(jié)構(gòu)，在近距離通信時能夠達(dá)到與OFDM相當(dāng)?shù)目苟鄰叫阅?，遠(yuǎn)距離通信時則可發(fā)揮SC-FDE的抗載波頻偏和相位噪聲優(yōu)勢。

1 多徑的產(chǎn)生

在無人機(jī)起降或遠(yuǎn)距離飛行時，測控通信鏈路工作于低仰角狀態(tài)，傳輸信號極易受到周圍建筑物和地形地貌的影響。信道中除直射分量外，傳輸信號會出現(xiàn)較多的多徑分量，嚴(yán)重時甚至無直射分量。惡劣環(huán)境引起的復(fù)雜信號疊加，會造成測控鏈路，特別是下行高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路性能惡化，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸性能嚴(yán)重下降。當(dāng)下行傳輸體制采用QPSK時，發(fā)射信號可表示為：

由于多徑效應(yīng)，疊加共n條多徑信號，多徑信號時延分別為τi（i=1,2,3,…,n），幅度分別為Ai（i=1,2,3,…,n），則到達(dá)接收機(jī)的信號可表示為：

式中，i=0是主徑信號，i=1,2,3,…,n為多徑信號。

2 傳輸體制分析

下行高速數(shù)據(jù)鏈路一般傳輸遙測信息和有效載荷信息，用戶傳輸速率一般從幾兆比特每秒到幾百兆比特每秒不等。高速率的傳輸速率需求，信號對多徑帶來的信道衰落和碼間干擾更加敏感。合理選擇傳輸調(diào)制體制，能夠改善多徑環(huán)境下測控鏈路的性能。目前，接收機(jī)常用的信號處理方法有均衡和信道編碼。當(dāng)前，各類高效率信道編碼技術(shù)均比較成熟，高速數(shù)據(jù)抗多徑傳輸技術(shù)主要有單載波自適應(yīng)均衡技術(shù)（SC-FDE）和正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）兩種[4-5]。

2.1 SC-FDE和OFDM結(jié)構(gòu)比較

SC-FDE和OFDM系統(tǒng)具有相似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 SC-FDE與OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

OFDM和SC-FDE均是基于均衡、FFT和IFFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，主要差異在IFFT模塊的位置：OFDM中IFFT模塊置于發(fā)送端，SC-FDE中IFFT模塊置于接收端。

IFFT模塊位置的不同，導(dǎo)致SC-FDE與OFDM系統(tǒng)發(fā)送端PAPR性能的不同，也造成了頻域均衡性能的差異。SC-FDE系統(tǒng)中，每個數(shù)據(jù)符號都承載于整個頻帶上，接收端的IFFT使得各數(shù)據(jù)符號的均衡性能受整個頻帶信道影響。OFDM系統(tǒng)中，發(fā)送端的IFFT使得數(shù)據(jù)符號承載于不同的子載波上，接收端對各子載波獨(dú)立均衡，各數(shù)據(jù)符號的均衡性能只受相應(yīng)的子載波信道影響。

2.2 頻域性能分析

當(dāng)信道多徑環(huán)境條件不同時，SC-FDE和OFDM由于算法結(jié)構(gòu)不同，會呈現(xiàn)不同的性能狀態(tài)。

信道條件一般惡劣，信道頻域上將出現(xiàn)明顯衰落，但衰落深度不大。SC-FDE部分子載波的均衡性能較差，經(jīng)過IFFT的擴(kuò)展，部分子載波上的噪聲由整個數(shù)據(jù)符號塊分擔(dān)。OFDM部分子載波承載數(shù)據(jù)符號將受信道衰落影響，此時系統(tǒng)性能惡化嚴(yán)重。但是，如果在系統(tǒng)中引入編譯碼處理，那么由于頻域衰落產(chǎn)生的隨機(jī)誤碼將得以緩解，系統(tǒng)性能得以提升。此種信道條件下，SC-FDE和OFDM性能相當(dāng)。

信道條件中等惡劣，那么信道頻域上將出現(xiàn)深衰落，其分布較分散且占據(jù)頻帶較窄。SC-FDE部分子載波的均衡性能惡化嚴(yán)重，經(jīng)過IFFT的擴(kuò)展，部分子載波上的噪聲擴(kuò)散到整個數(shù)據(jù)符號塊。OFDM部分子載波承載數(shù)據(jù)符號將無法恢復(fù)，此時系統(tǒng)性能惡化嚴(yán)重。但是，如果在系統(tǒng)中引入編譯碼處理，那么由于頻域深衰落產(chǎn)生的隨機(jī)誤碼將得以消除，系統(tǒng)性能大大提升。此種信道條件下，OFDM更優(yōu)。

信道條件特別惡劣，那么信道頻域上的深衰落分布將比較集中且占據(jù)頻帶較寬。SC-FDE大量子載波均衡性能惡化嚴(yán)重，但是經(jīng)過IFFT的擴(kuò)展后，單個數(shù)據(jù)符號受到的影響將減弱。OFDM大量子載波承載數(shù)據(jù)符號無法恢復(fù)，即使引入編譯碼，系統(tǒng)性能提升有限。此種信道條件下，SC-FDE更優(yōu)。

2.3 時域性能分析

為了獲得更好的接收機(jī)性能，需要對通信系統(tǒng)所處的信道環(huán)境進(jìn)行估計(jì)。信道狀態(tài)信息一般通過已知導(dǎo)引符號的檢測得到。導(dǎo)引符號的插入密度直接影響信道估計(jì)精度，插入依據(jù)是信道的相干帶寬和相干時間[6]。

OFDM符號在時間和頻率上分布，因而可以在時頻二維進(jìn)行導(dǎo)引符號插入。常見的導(dǎo)引（導(dǎo)頻）插入方式如圖2所示。

圖2 常見導(dǎo)引（導(dǎo)頻）插入方式

SC-FDE發(fā)送端完全在時域進(jìn)行處理，所以導(dǎo)引插入方式只能是塊狀插入。當(dāng)SC-FDE采用塊狀插入方式時，導(dǎo)引在時域上的插入密度受限于數(shù)據(jù)塊大小，即時域?qū)бg隔至少為1個數(shù)據(jù)塊。同時，為了保證信道狀態(tài)在信道估計(jì)過程中不變，時域?qū)бg隔必須小于信道相干時間。因此，SC-FDE的導(dǎo)引插入靈活性差于OFDM。當(dāng)信道相干時間較小時，為保證相當(dāng)?shù)男阅埽琒C-FDE的導(dǎo)引插入開銷將遠(yuǎn)大于OFDM。

2.4 傳輸體制選擇

由于SC-FDE和OFDM導(dǎo)引插入方式的差別，在同等信道條件下，SC-FDE導(dǎo)引插入的開銷會高于OFDM。但是，在近場條件下，開銷引入的門限損失在高信噪比情況下可忽略不計(jì)。在近場仍采用SC-FDE的傳輸方式還具有以下優(yōu)勢：不需要進(jìn)行鏈路工作模式切換，或僅需要進(jìn)行參數(shù)配置，避免了體制更新帶來的信號中斷，同時降低了設(shè)備設(shè)計(jì)和工作時的復(fù)雜程度，增加了可靠性；相較OFDM，SC-FDE峰均比較低，避免了較大的功率回退、復(fù)雜的峰均比抑制算法或預(yù)失真技術(shù)。SCFDE結(jié)合OFDM系統(tǒng)和單載波時域均衡系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜度和性能的折中方面優(yōu)于前兩者。綜合考量寬帶高速數(shù)據(jù)鏈中接收機(jī)復(fù)雜度和應(yīng)用場景需求，最終選擇單載波頻域均衡作為實(shí)現(xiàn)方法。

3 單載波頻域均衡技術(shù)

單載波頻域均衡（SC-FDE）算法在波形設(shè)計(jì)時采用單載波調(diào)制。調(diào)制端對數(shù)據(jù)采用分塊傳輸和加入循環(huán)前綴的波形結(jié)構(gòu)。接收端對信號進(jìn)行FFT變換到頻域后，在頻域上完成信道估計(jì)算法和均衡算法[7]。

如圖3所示，信號的發(fā)送端對原始數(shù)據(jù)編碼后，對數(shù)據(jù)部分進(jìn)行交織、映射，同時生成PN前導(dǎo)和UW序列，在成幀單元中插入循環(huán)前綴（Cycle Prefix，CP），信道估計(jì)字（Unique Word，UW），再進(jìn)行成型濾波和數(shù)字上變頻，最后由DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號發(fā)送出去。

圖3 調(diào)制單元總體結(jié)構(gòu)

如圖4所示，接收端對信號帶通濾波，由ADC轉(zhuǎn)為數(shù)字信號；信號經(jīng)過數(shù)字下變頻、匹配濾波后進(jìn)行內(nèi)插處理，然后依次送入同步、均衡等模塊送入譯碼器，通過迭代均衡得到輸出結(jié)果。

圖4 解調(diào)單元總體結(jié)構(gòu)

4 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖2信號的發(fā)送流程可見，單載波頻域均衡技術(shù)與一般的單載波調(diào)制技術(shù)相比，多一個數(shù)據(jù)成幀的過程[8]。

SC-FDE算法的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括訓(xùn)練序列段、TFW段和數(shù)據(jù)段。訓(xùn)練序列段用于承載訓(xùn)練序列符號，TFW段用于承載傳輸控制字符號，數(shù)據(jù)段用于承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)符號。其中，數(shù)據(jù)段包括N個“導(dǎo)引+數(shù)據(jù)”基本單元，1個“導(dǎo)引+數(shù)據(jù)”基本單元包括1個導(dǎo)引塊和1個數(shù)據(jù)塊。幀結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。

圖5 幀結(jié)構(gòu)框架

在成幀模塊設(shè)計(jì)時，需要在幀結(jié)構(gòu)中定時插入循環(huán)前綴CP。CP的內(nèi)容是定時取每段有效數(shù)據(jù)的最后一截放在一整個數(shù)據(jù)塊的最前面，作用是用來吸收前一個數(shù)據(jù)塊的多徑干擾。設(shè)計(jì)CP時，具體長度需要根據(jù)具體無人機(jī)飛行的場景確定。不同的場景選擇不同的CP長度。

UW序列即特殊字，在每一個數(shù)據(jù)塊的最前面加入UW序列，主要作用是用于估計(jì)信道響應(yīng)。為保證UW估計(jì)得到的信道特征與DATA部分的信道特征一致，需要保證在兩次信道估計(jì)間隔內(nèi)，信道沒有明顯變化。一般認(rèn)為，在信道相干時間內(nèi)，信道特征基本保持不變。信道相干時間一般與信道多普勒擴(kuò)展成倒數(shù)關(guān)系，通常認(rèn)為信道相干時間約等于信道多普勒擴(kuò)展倒數(shù)的1/10。

幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系信道估計(jì)能力、抗多徑的性能及系統(tǒng)的開銷。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中各項(xiàng)參數(shù)的選取，需要依據(jù)對工作場景信道環(huán)境的分析，建立合理的信道模型進(jìn)行確定。

5 系統(tǒng)仿真

5.1 信道模型

地空信道環(huán)境接收的合成信號包括三類信號：第一項(xiàng)是直射波分量；第二項(xiàng)為地面反射波，其特性與地面環(huán)境、地面介質(zhì)特性、入射角和極化方向等因素有關(guān)；第三項(xiàng)是傳輸路徑上附近的山脈、丘陵、建筑等地貌造成的反射波或多次反射波。

無人機(jī)全飛行包線中，根據(jù)以上三類信號在合成信號中的占比，可以歸為兩種：近距離起降階段的信道模型和遠(yuǎn)距離任務(wù)階段的信道模型。在遠(yuǎn)距離任務(wù)階段的信道模型中，第三項(xiàng)信號的能量相對很小，建立信道模型時可以將其等效為一個隨機(jī)噪聲，因此空地信道常近似成一個典型的兩徑萊斯信道。近距離起降階段，收發(fā)兩端距離較近，傳輸路徑上附近反射體造成的反射波甚至多次反射波能量不可忽略（多徑數(shù)量較多），同時這類反射波多徑時延也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面反射波，其多徑信道甚至可能惡化到瑞利信道。

根據(jù)鏈路在近距離起降階段和遠(yuǎn)距離任務(wù)階段的實(shí)際工作場景，結(jié)合無人機(jī)平臺空間位置、運(yùn)動速度的不同，梳理不同信道類別，并參考移動通信3GPP TS 36.104 v8協(xié)議定義選取信道模型參數(shù)，如表1所示。

5.2 仿真結(jié)果

信道模型1對應(yīng)無人機(jī)起降階段近距離工作場景，多徑環(huán)境比較惡劣，合成信號中不可忽略的多徑分量數(shù)量多，多徑分量時延長，多徑分量能量高（甚至高于主徑）。信道模型2對應(yīng)無人機(jī)任務(wù)階段遠(yuǎn)距離飛行場景，此時地空鏈路仰角很低，但距離遠(yuǎn)，傳輸路徑上附近反射體反射信號弱，可以近似成一個典型的兩徑萊斯信道，多徑分量少，多徑分量時延短，多徑分量能量較低，多徑環(huán)境較好。

表1 信道參數(shù)

對SC-FDE和OFDM在近場信道條件下（信道1 ETU模型）進(jìn)行誤碼率仿真，得到如圖6所示的仿真圖。

圖6 近場信道條件下SC-FDE和OFDM性能對比

對SC-FDE和OFDM在遠(yuǎn)場信道條件下（信道2）進(jìn)行誤碼率仿真，得到如圖7所示的仿真圖。

圖7 遠(yuǎn)場信道條件下SC-FDE和OFDM性能對比

分析仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）近場條件下復(fù)雜多徑信道下，SC-FDE可以正常解調(diào)，OFDM解調(diào)性能相比SC-FDE高了約0.2 dB，表明SC-FDE和OFDM在近場條件下性能基本一致。

（2）由于SC-FDE和OFDM導(dǎo)引插入方式的差別，在同等信道條件下，SC-FDE導(dǎo)引插入的開銷會高于OFDM，但近場條件下，開銷引入的門限損失在高信噪比情況下可忽略不計(jì)。

（3）近場仍采用SC-FDE的方式可以帶來的好處包括：不需要進(jìn)行鏈路切換，或僅需要進(jìn)行參數(shù)重配，避免了體制更新帶來的信號中斷；相較OFDM，SC-FDE峰均比較低，避免了較大的功率回退、復(fù)雜的峰均比抑制算法或預(yù)失真技術(shù)。

6 結(jié) 語

無人機(jī)高速數(shù)據(jù)鏈路負(fù)責(zé)無人機(jī)飛行時下行遙測信息和高速載荷的傳輸，當(dāng)無人機(jī)起飛降落階段，無人機(jī)處于低仰角狀態(tài)，下行鏈路信號受到嚴(yán)重的多徑干擾。本文以SC-FDE和OFDM體制優(yōu)缺點(diǎn)分析作為切入點(diǎn)，詳細(xì)闡述了SC-FDE的算法。仿真表明，在近場復(fù)雜多徑信道條件下，SC-FDE抗多徑能力與OFDM性能基本相當(dāng)；遠(yuǎn)場條件下，能發(fā)揮SC-FDE抗載波頻偏和相位噪聲的優(yōu)勢?？梢?，合理選擇SC-FDE幀結(jié)構(gòu)參數(shù)，遠(yuǎn)場與近場均采用SC-FDE傳輸體制的方案，不需要進(jìn)行鏈路工作模式切換，降低了設(shè)備設(shè)計(jì)和工作時的復(fù)雜程度，增加了可靠性，易于工程實(shí)現(xiàn)。