魏毅，黎斌

（廣東開放大學，廣東理工職業(yè)學院，廣州510091）

0 引言

無人機的全稱是無人駕駛飛機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），主要由飛行控制系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、無線圖傳系統(tǒng)等組成。近年來，得益于電子技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能的發(fā)展，民用無人機取得長足進步，主要應(yīng)用范圍包括航拍、農(nóng)用植保、監(jiān)控、巡檢等。執(zhí)行這些任務(wù)都要求無人機具備良好的無線圖傳系統(tǒng)，即能夠?qū)崟r將無人機機載平臺拍攝到的高清視頻回傳到地面控制平臺，以適應(yīng)無人機飛行過程中突發(fā)情況出現(xiàn)時能夠快速控制的需要。這些都對無人機通信系統(tǒng)的兩項重要指標——有效性和可靠性有較高的要求。Wi-Fi 技術(shù)和OFDM 技術(shù)是目前民用無人機圖傳系統(tǒng)采用的主流技術(shù)，Wi-Fi 技術(shù)的特點是技術(shù)簡單，芯片成熟，性價比高，但實時性難以保證，抗干擾能力不夠強。而OFDM 技術(shù)則帶寬利用率高，抗干擾能力強，實時性好，因此使用最廣泛，成為近年來研究的熱點。

1 無人機無線通信信道分析

無人機通信系統(tǒng)主要依賴無線電波完成地面到空中的通信，即地空雙向數(shù)據(jù)傳輸。目前主流的民用無人機主要應(yīng)用全世界公開通用的2.4GHz 或5GHz 的ISM（Industry Science Medicine）無線頻段。工作于該頻段的無線通信系統(tǒng)有Wi-Fi、藍牙、雷達、移動通信系統(tǒng)等，因此在戶外可能存在的干擾源較多。另外，無人機飛行過程中的無線電波傳播環(huán)境也十分復(fù)雜，從基本的可視距離直線傳播，到遭遇各種如樓房、山體和樹林等障礙物造成遮擋、反射等問題。無人機信號在傳輸時，一般都會受到路徑損耗（Path Loss）、陰影效應(yīng)（Shadow Effect）造成的慢衰落，和多徑效應(yīng)（Multipath Effect）、多普勒效應(yīng)（Doppler Effect）造成的頻率選擇性、時間選擇性快衰落的影響[1]。信道衰落不僅會使信號強度降低，從而導致信噪比下降；而且會使接收端接收到的多個信號相互疊加，造成信號變形，從而引起符號間干擾，導致信噪比進一步下降。如果不對無人機的信道衰落進行分析并加以處理，則會使得信號傳輸?shù)男Ч蟠蛘劭?，直接影響無人機的數(shù)據(jù)鏈路傳輸質(zhì)量。

2 OFDM技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 OFDM技術(shù)的實現(xiàn)

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)最早用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)，然而結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此限制了其進一步應(yīng)用。直到二十世紀七、八十年代，相繼提出采用傅里葉變換實現(xiàn)OFDM，添加循環(huán)前綴CP（Cyclic Prefix）以克服多徑效應(yīng)等方法，基本形成了今天所使用的OFDM 技術(shù)框架。

OFDM 將頻域劃分為N 個重疊但又相互正交的子信道，然后將串行數(shù)據(jù)流分解成N 個并行的子數(shù)據(jù)流，分別調(diào)制到N 個子信道上去進行傳輸[2]。在發(fā)射端可以采用IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里葉反變換）來實現(xiàn)OFDM 的調(diào)制，在接收端可以采用FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）來實現(xiàn)OFDM 的解調(diào)，調(diào)制解調(diào)過程如圖1 所示。

圖1 OFDM調(diào)制解調(diào)過程示意圖

2.2 OFDM技術(shù)的優(yōu)勢和不足

由于寬帶信道存在多徑時延擴展造成的頻率選擇性衰落和多普勒頻移造成的時間選擇性衰落，需要充分考慮頻率選擇性和時間選擇性衰落問題[3]。OFDM技術(shù)中各個子載波相互交疊且具有正交性，從而極大提高了頻譜利用率，適合于寬帶信道的高速數(shù)據(jù)傳輸。如果某個子載波衰落較大，則可以調(diào)度到其他信號質(zhì)量較好的子載波上，所以O(shè)FDM 技術(shù)具有良好的抗頻率選擇性衰落特性。

在無人機信號傳輸過程中，上行、下行不同的數(shù)據(jù)鏈路對信號的傳輸速率以及誤碼率的要求是不同的。如果采用OFDM 技術(shù)，每個子載波就可以進行獨立調(diào)制。例如下行圖傳信號傳輸鏈路可采用高階調(diào)制以獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率，上行控制信號傳輸鏈路和下行傳感器信號傳輸鏈路可以選擇低階調(diào)制以獲得較好的信噪比?？梢奜FDM 的傳輸性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單載波調(diào)制。

然而，由于通信雙方相互運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)會造成無線信號的頻率偏移，或者發(fā)射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻譜偏差，都會導致OFDM 系統(tǒng)子載波之間的正交性被破壞[4]，所以對頻率同步的要求較高。而且，OFDM 系統(tǒng)中子載波較多，多個子載波疊加后的峰均比PAPR 較大，對發(fā)射機功放的性能要求較高。因為無人機運動速度較高會造成多普勒頻偏較大，受電池、體積、飛行時間等限制無法加大發(fā)射機發(fā)射功率，所以上述OFDM 技術(shù)的兩個不足之處會影響到無人機通信性能。除此之外，陰影效應(yīng)造成的深度衰落也是一個影響無人機通信性能的問題。在無人機通信系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)在被物體擋住的陰影區(qū)域往往無法良好地接收到發(fā)射信號。這是因為電磁波特別是高頻電磁波的穿透性能并不高，穿過遮擋物到達接收端的信號往往及其微弱，而且發(fā)射信號有可能被淹沒在噪聲當中。

考慮到無人機通信系統(tǒng)對于傳輸鏈路可靠性要求較高，為了彌補OFDM 技術(shù)的不足和對抗陰影效應(yīng)造成的深度衰落，應(yīng)采用更優(yōu)的解決方案。

2.3 基于OFDM技術(shù)的改進方案

2009 年，Ding C 等人研究將OFDM 技術(shù)與分組Turbo 碼（BTCs）相結(jié)合用于無人機高速數(shù)據(jù)鏈路[5]。針對時變的無人機通信信道和多徑效應(yīng)產(chǎn)生的影響，建立無人機信道模型進行仿真，發(fā)現(xiàn)在無人機飛行的不同情況下，OFDM 技術(shù)與分組Turbo 碼（BTCs）相結(jié)合的方案都比其他的信道編碼方案的誤碼率性能要更好，能夠有效提高無人機數(shù)據(jù)鏈路的傳輸速率和可靠性。

2010 年，白洋等人研究將擴頻技術(shù)引入OFDM 系統(tǒng)[6]。在多普勒頻偏為60Hz 和多徑時延大于OFDM間隔的信道條件下仿真結(jié)果表明，引入擴頻技術(shù)后的OFDM 系統(tǒng)可以在低信噪比情況下較大地提高無人機數(shù)據(jù)鏈路的可靠性。但擴頻技術(shù)獲得抗噪性能的代價是降低了有效信號的碼率，因而用于對傳輸碼率要求不高的上行控制信號鏈路和下行傳感器信號鏈路比用于高速下行圖傳信號鏈路要好。

2014 年，李曉明等研究了OFDM 技術(shù)和多天線技術(shù)MIMO 結(jié)合[7]。在WSSUS 信道模型下，仿真結(jié)果表明，如果子載波采用BPSK 調(diào)制，MIMO-OFDM 系統(tǒng)的誤碼率明顯優(yōu)于OFDM 系統(tǒng)。如果子載波采用相對高階的調(diào)制方式，如QPSK 或16QAM，MIMO-OFDM 系統(tǒng)在信噪比較低時和OFDM 系統(tǒng)誤碼率性能差別不大。隨著輸入信噪比的增大，MIMO-OFDM 系統(tǒng)的誤碼率有明顯改善。

2019 年，張玲研究了與OFDM 系統(tǒng)具有相似結(jié)構(gòu)的單載波頻域均衡（SC-FDE）系統(tǒng)[8]。兩者主要都是基于傅里葉變換實現(xiàn)，只是IFFT 模塊的位置不同，OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)的IFFT 模塊在發(fā)送端，而SC-FDE 系統(tǒng)實現(xiàn)的IFFT 模塊在接收端。因SC-FDE 采用單載波調(diào)制，所以其具有較低的峰均比。在不同的信道模型瑞利和萊斯信道下仿真發(fā)現(xiàn)，SC-FDE 在近距離飛行場景下的抗多徑性能和OFDM 基本相當，在遠距離飛行場景下可發(fā)揮抗載波頻偏和相位噪聲的優(yōu)點，因此在低信噪比下的誤碼率性能更優(yōu)。

3 結(jié)語

隨著無人機應(yīng)用場景的多樣化、執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜化，其飛行距離的要求從幾百米提高到幾千米，圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性的要求也越來越高，分辨率從720P提高到4K，這些都對無人機通信技術(shù)提出了更高的要求。因此，OFDM 技術(shù)要結(jié)合其他的先進技術(shù)如MIMO、擴頻、編碼、調(diào)制等，才能適應(yīng)未來無人機通信技術(shù)的需要。