霍朝暉，惠 力

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

0 引言

隨著航空工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，新機(jī)型的復(fù)雜度越來越高，導(dǎo)致在飛行試驗(yàn)中測試參數(shù)的種類與數(shù)據(jù)量越來越大[1]?，F(xiàn)行航空飛行試驗(yàn)測試使用的符合IRIG-106標(biāo)準(zhǔn)的S波段單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的PCM數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)受設(shè)備與技術(shù)限制，數(shù)據(jù)速率最大可傳輸20 Mbps，傳輸距離不足300 km，不能滿足新技術(shù)、新測試發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨骩2-3]。針對(duì)上述問題，本文將開展C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)研究，突破S波段點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式，建立基于移動(dòng)基站的C波段無線雙向網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路，提升數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的試驗(yàn)與測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 蜂窩架構(gòu)及原理

本文將引入蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)被廣泛采用源于一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)論，即：以相同半徑的圓覆蓋平面，當(dāng)圓心處于正六邊形的中心，也就是圓心處于正三角網(wǎng)格的格點(diǎn)時(shí)，圓的數(shù)量最少。在通信系統(tǒng)中，使用圓形來表述工程實(shí)踐是合理的。出于構(gòu)建成本的考慮，正三角網(wǎng)格(也稱為簡單六角網(wǎng)格)是做好的選擇。這樣形成的網(wǎng)絡(luò)重疊在一起，形狀非常像蜂窩，因此被稱作蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

為實(shí)現(xiàn)基于C波段的多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)，本文采用基于移動(dòng)基站的C波段無線雙向網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，以支持半徑50 km的可視空域通信覆蓋，使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到50 Mbps，傳輸延時(shí)不大于200 ms[4]。

C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)屬于空地遙測遙控，無線信道環(huán)境簡單，采用大區(qū)制蜂窩網(wǎng)絡(luò)布局，利用地面基站式遙測遙控設(shè)備實(shí)現(xiàn)飛行空域覆蓋。單位無線區(qū)群為7(N=7、j=2、i=1)，通過增加單位無線區(qū)群，實(shí)現(xiàn)多個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不增加頻率范圍就可以增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積[5]。每個(gè)星形中心節(jié)點(diǎn)為基站式遙測遙控設(shè)備，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為機(jī)載端遙測遙控設(shè)備，C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 蜂窩架構(gòu)說明

C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由機(jī)載端遙測遙控設(shè)備、基站式遙測遙控設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、空地接口、IU接口等組成[6]，如圖2所示。

圖2 C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)載端遙測遙控設(shè)備由機(jī)載端C波段網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、雙向功率放大器、機(jī)載天線組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)載端入網(wǎng)、退網(wǎng)、TDD雙工數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)檢測、參數(shù)設(shè)置等功能。

基站式遙測遙控設(shè)備由地面端C波段網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、雙向功率放大器、基站天線組成，實(shí)現(xiàn)TDD雙工數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)檢測、參數(shù)設(shè)置等功能。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器具有通過SNMP協(xié)議管理各個(gè)機(jī)載端遙測遙控設(shè)備和基站式遙測遙控設(shè)備、對(duì)機(jī)載端遙測遙控設(shè)備歸屬區(qū)域的移動(dòng)性管理、雙向數(shù)據(jù)交換等功能。

空地接口是機(jī)載端遙測遙控設(shè)備與基站式遙測遙控設(shè)備間的無線接口協(xié)議。

IU接口是基站式遙測遙控設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間的以太網(wǎng)接口協(xié)議。

在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，將機(jī)載網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、功率放大器、C波段機(jī)載天線改裝至試驗(yàn)機(jī)，地面將C波段基站天線、雙向功放、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器加裝至C波段網(wǎng)絡(luò)基站，交換機(jī)與基站交換網(wǎng)絡(luò)相連，所有的基站通過地面光纖網(wǎng)絡(luò)匯聚到本地?cái)?shù)據(jù)處理中心。

2 C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接入體制

C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用TDMA接入體制，相比較隨機(jī)接入類型MAC體制具有更高的資源利用率，更加容易實(shí)現(xiàn)時(shí)延控制和QoS控制，是更加適合飛行試驗(yàn)空地遙測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點(diǎn)的一種媒體訪問控制架構(gòu)。

2.1 TDMA協(xié)議設(shè)計(jì)

對(duì)TDMA協(xié)議設(shè)計(jì)而言，本文針對(duì)以下三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析。

1)TDMA時(shí)槽(Slot)的分配：

本文設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)用戶占用1個(gè)或多個(gè)Slot用于通信，Slot數(shù)量根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量、接入順序和每個(gè)用戶QoS配置確定。全體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(試驗(yàn)對(duì)象和地面基站)Slot形成一個(gè)周期重復(fù)的時(shí)間環(huán)。對(duì)于Slot長度設(shè)計(jì)，首先Slot長度應(yīng)滿足信道相干時(shí)間要求，其次TDMA Slot長度固定，以便于實(shí)現(xiàn)和分配，再次TDMA Slot長度設(shè)計(jì)應(yīng)考慮數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)序同步的便捷。

2)MAC接入控制機(jī)制：

采用以地面基站為本小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)的接入控制機(jī)制，每次飛行前通過設(shè)備管理軟件，在地面C波段網(wǎng)絡(luò)終端預(yù)先設(shè)置本次飛行的機(jī)載C波段網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的ID號(hào)(即地址碼)、信道訪問順序、QoS等工作參數(shù)，從而確定本次工作TDMA時(shí)間環(huán)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)每次地面基站Slot(用于傳輸上行數(shù)據(jù)幀)中廣播占用隨后Slot的機(jī)載C波段網(wǎng)絡(luò)終端的ID號(hào)，ID號(hào)按照已設(shè)置的順序依次廣播，周期重復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)全體TA的信道訪問控制。同時(shí)，各地面基站的總體時(shí)隙分配由地面基站控制器(AC)統(tǒng)一分配和管理。

3)空地TDMA同步控制：

本文設(shè)計(jì)了一種由地面C波段網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)起的同步周期修正機(jī)制，即地面基站Slot內(nèi)的上行數(shù)據(jù)幀，在完成向機(jī)載C波段網(wǎng)絡(luò)終端傳輸控制數(shù)據(jù)的同時(shí)，兼做周期同步修正時(shí)標(biāo)，空地收發(fā)器僅需在兩次修正期間內(nèi)保持短期相對(duì)穩(wěn)定即可。因?yàn)檫@一周期僅為若干毫秒，因此即使采用較低穩(wěn)定度時(shí)鐘，短時(shí)間內(nèi)也完全可以認(rèn)為時(shí)鐘是充分穩(wěn)定的，從而可靠地滿足了TDMA Slot的精度要求(μs級(jí))。同時(shí)，TDMA協(xié)議設(shè)計(jì)還預(yù)留了保護(hù)間隔，即空中無線信號(hào)傳播時(shí)延補(bǔ)償(對(duì)應(yīng)50 km最大167 μs)和各種處理時(shí)延(收發(fā)切換、硬件處理時(shí)延和軟件處理時(shí)延，總量小于50 μs)的補(bǔ)償量。

2.2 QoS設(shè)計(jì)分析

本文采用的TDMA體制為實(shí)現(xiàn)靈活QoS處理提供了基礎(chǔ)。QoS設(shè)計(jì)主要涉及上下行帶寬分配與數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)兩個(gè)方面。

由于TDMA體制采用固定長度Slot模式，因此在MAC層設(shè)計(jì)了基本傳輸幀+復(fù)幀+超幀的架構(gòu)，基本傳輸幀長度為Slot長度，是最小傳輸單元，復(fù)幀由1個(gè)或多個(gè)同方向基本傳輸幀組成，分為上行復(fù)幀和下行復(fù)幀，而超幀又由上行復(fù)幀和下行復(fù)幀及保護(hù)間隔組成。通過靈活分配上下行復(fù)幀中的基本傳輸幀數(shù)量，可以按比例靈活分配上下行用戶帶寬。

此外，為實(shí)現(xiàn)遙測全程鏈路穩(wěn)定接通，本文除設(shè)計(jì)足夠的射頻鏈路余量和信道補(bǔ)償機(jī)制外，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)速率動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)制，即每數(shù)據(jù)幀的發(fā)射數(shù)據(jù)速率依據(jù)當(dāng)前本設(shè)備接收性能動(dòng)態(tài)變化，為保證判斷可靠性，采用接收信號(hào)強(qiáng)度+誤碼性能聯(lián)合作為判決依據(jù)，可以快速準(zhǔn)確真實(shí)反映當(dāng)前信道實(shí)際能力，從而選擇適合當(dāng)前信道的數(shù)據(jù)速率。

2.3 C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全認(rèn)證方案

C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高度的開放性，空域廣、功率大，傳輸?shù)男畔⒁子诟`取、篡改和插入。因此，遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全和認(rèn)證尤為重要。遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全需求主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1)遙測網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證方案。本文參照iNET中的RF網(wǎng)絡(luò)單元標(biāo)準(zhǔn)，采用無線局域網(wǎng)媒體訪問控制和物理層規(guī)范。安全認(rèn)證系統(tǒng)由認(rèn)證服務(wù)器、基站認(rèn)證端、試驗(yàn)機(jī)認(rèn)證端三部分組成，如圖3所示。其中試驗(yàn)機(jī)認(rèn)證端提出認(rèn)證請(qǐng)求，通過駐留于試驗(yàn)機(jī)認(rèn)證端的請(qǐng)求端口接入實(shí)體發(fā)送接入請(qǐng)求，基站認(rèn)證端是控制試驗(yàn)機(jī)認(rèn)證端接入網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體，利用駐留于基站認(rèn)證端的認(rèn)證PAE對(duì)接入請(qǐng)求進(jìn)行認(rèn)證；認(rèn)證服務(wù)器是為認(rèn)證系統(tǒng)提供認(rèn)證服務(wù)的實(shí)體，對(duì)請(qǐng)求方進(jìn)行鑒權(quán)。

2)端到端加密方案。對(duì)于飛行試驗(yàn)較高密級(jí)信息的數(shù)據(jù)加密要求，采用端到端加密方式，即在試驗(yàn)機(jī)和基站的網(wǎng)絡(luò)終端輸入、輸出端增加一臺(tái)具備保密資質(zhì)認(rèn)證的數(shù)據(jù)加密機(jī)，以實(shí)現(xiàn)高等級(jí)數(shù)據(jù)的加解密。在工程樣機(jī)研制中保留端到端加密設(shè)備連接接口，需要增加端到端的加解密機(jī)，只需采購具有資質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備即可。

圖3 安全認(rèn)證方案

3 C波段遙測網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)研制

在面向飛行試驗(yàn)的場景下，C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具備功能：1)C波段(4.4～4.94 GHz)工作頻點(diǎn)與多信道能力；2)C波段網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器必須支持通信處理體制靈活可變，即設(shè)備一體化、功能軟件化，決定了收發(fā)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)采用軟件無線電技術(shù)架構(gòu)；3)高達(dá)50 Mbps的數(shù)據(jù)速率要求C波段網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計(jì)考慮高階調(diào)制模式和多種帶寬增強(qiáng)方案，具備足夠強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)和軟件處理資源與處理速度；4)空地快變通信信道和高頻點(diǎn)高速移動(dòng)通信環(huán)境決定了C波段網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)字信號(hào)處理部分應(yīng)具備載波同步、符號(hào)同步、數(shù)據(jù)幀同步算法以及數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留足夠的處理余量[7]。

3.1 機(jī)載/基站式網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器結(jié)構(gòu)與組成

機(jī)載和地面C波段網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的原理圖如圖4所示。

圖4 收發(fā)器原理圖

收發(fā)器整體設(shè)計(jì)基于大規(guī)模高速FPGA+高速嵌入式處理器的SDR(軟件無線電)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，由AD/DA(模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換)實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字分割界面。大規(guī)模FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PHY和高速嵌入式ARM主控處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理與MAC協(xié)議處理，完成核心的數(shù)據(jù)處理過程，包括調(diào)制解調(diào)、符號(hào)同步、載波恢復(fù)、時(shí)頻域轉(zhuǎn)換(FFT/DFFT)、數(shù)據(jù)幀同步、數(shù)據(jù)幀裝幀拆幀、信道補(bǔ)償處理(含信道估計(jì)與補(bǔ)償、FEC編解碼)、數(shù)字削峰處理、高速數(shù)字接口、TDMA協(xié)議狀態(tài)機(jī)等全部功能，在單一設(shè)備內(nèi)完成一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)化無線收發(fā)處理流程。收發(fā)器通過2個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3u 10/100/1000M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或地面網(wǎng)絡(luò)接口，整機(jī)基于TCP/IP的全透明化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸體制，設(shè)備工作于對(duì)等傳輸模式(即通信兩端基本收發(fā)模式和通信體制相同)。

3.2 C波段雙向?qū)拵Ь€性功率放大器設(shè)計(jì)

本文在C波段雙向?qū)拵Ь€性功率放大器設(shè)計(jì)中采用TDD(time division duplex)快速微波檢測技術(shù)和固態(tài)器件線性功放技術(shù)，在大幅擴(kuò)展無線射頻通訊距離的同時(shí)保證無線傳輸速率穩(wěn)定。該功放適用于多種不同的應(yīng)用場合，能有效地增加無線設(shè)備的覆蓋范圍和橋接距離，同時(shí)提高覆蓋邊緣區(qū)域接入設(shè)備連接的傳輸速率，滿足空地寬帶無線通信技術(shù)要求。

圖5 功率放大器框架圖

其中，C波段寬帶線性功率放大器外部接口按功能劃分包括獨(dú)立的2路SMA收發(fā)器射頻接口(分別連接天線和C波段網(wǎng)絡(luò)終端)、功放控制管理接口(RS232)和電源接口。此外，地面功放支持狀態(tài)LED指示和電源開關(guān)，便于部署使用。

3.3 C波段機(jī)載天線與C波段基站天線設(shè)計(jì)

在商用通信系統(tǒng)中，移動(dòng)通信的基站天線類型由于造型、耐溫范圍、收發(fā)增益等原因均不適合用在飛行試驗(yàn)中。因此需要針對(duì)飛行試驗(yàn)的特點(diǎn)，研制專用的機(jī)載C波段天線和地面C波段天線。

機(jī)載C波段天線采用模塊化設(shè)計(jì)，便于機(jī)載安裝，實(shí)現(xiàn)頻率范圍4.4～4.94 GHz的雙向信號(hào)發(fā)射[8]，如圖6所示。

圖6 機(jī)載C波段天線示意圖

為保證系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信效果，地面基站天線采用高增益陣列天線，通過耦合形成具有高增益的通信天線。天線組合由16個(gè)增益為15 dbi單元組成。單元天線水平方向波束寬度約45°，垂直方向波束寬度為25°[9]。天線組合分兩層，底層8個(gè)單元天線和上層8個(gè)天線。當(dāng)仰角較高時(shí)，目標(biāo)與天線的距離較近，要求接收天線增益較低。因此，底層天線單元布設(shè)時(shí)，向上傾斜20°，上層天線布設(shè)時(shí)向上傾斜50°，就可以覆蓋整個(gè)空域[10]，如圖7所示。

圖7 C波段基站式多目標(biāo)天線結(jié)構(gòu)示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在演示驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)建中，采用4套地面基站實(shí)現(xiàn)空域覆蓋，試驗(yàn)對(duì)象安裝在一架運(yùn)輸機(jī)上，組成C波段基站式遙測網(wǎng)絡(luò)演示驗(yàn)證系統(tǒng)。地面基站接收到信號(hào)后，通過電信運(yùn)營商地面光纖網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)回傳。在試驗(yàn)過程中，由于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)設(shè)備限制，不能驗(yàn)證50 Mbps的最大傳輸速率。飛行試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，傳輸速率為1606 kB/s，約13 Mbps，實(shí)現(xiàn)了C波段基站式遙測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，突破了傳統(tǒng)遙測體制，為未來實(shí)現(xiàn)高速、雙向、多目標(biāo)空地?cái)?shù)據(jù)傳輸提供了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

針對(duì)新技術(shù)、新測試的需求，本文開展了C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)研究，主要包括架構(gòu)設(shè)計(jì)，C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接入體制，C波段遙測網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)研制三大部分。遙測網(wǎng)絡(luò)采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用地面基站式遙測遙控設(shè)備實(shí)現(xiàn)飛行空域覆蓋。采用適用于飛行試驗(yàn)空地遙測網(wǎng)絡(luò)的TDMA接入體制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并完成了機(jī)載端/地面端網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、雙向功率放大器、天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。C波段基站式多目標(biāo)遙測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)的研究為實(shí)現(xiàn)高速、雙向、多目標(biāo)空地?cái)?shù)據(jù)傳輸提供了支撐，并為跨域遙測數(shù)據(jù)的傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。