劉海寧，張少卿，鄂思宇

沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所 綜合航電部，沈陽 110035

5G技術(shù)作為中美之間博弈的重點，具有重要的戰(zhàn)略意義[1-3]。5G技術(shù)實現(xiàn)了多種無線通信技術(shù)的有效融合，從多方面提升了無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能，以滿足3大應(yīng)用場景下的不同需求[4-5]。目前民用領(lǐng)域5G技術(shù)發(fā)展迅速，形成了大帶寬(eMBB)、高可靠低時延(uRLLC)及大規(guī)模機(jī)器通信(mMTC)的三大應(yīng)用場景[6-8]，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[9-13]。在軍事領(lǐng)域，未來以馬賽克戰(zhàn)為代表的跨域協(xié)同作戰(zhàn)樣式[14]，對航空平臺的機(jī)載信息系統(tǒng)的設(shè)計提出了新的要求，機(jī)載信息系統(tǒng)作為單機(jī)平臺OODA環(huán)的重要執(zhí)行載體，其架構(gòu)與通信網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)性將直接決定單個飛機(jī)平臺乃至整個作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)效能。未來機(jī)載信息系統(tǒng)設(shè)計可以借鑒民用5G以業(yè)務(wù)場景為核心的技術(shù)發(fā)展模式[15]，從體系級作戰(zhàn)的角度分析任務(wù)需求，實現(xiàn)任務(wù)驅(qū)動的機(jī)載信息系統(tǒng)設(shè)計。

當(dāng)前，中國軍用飛機(jī)的機(jī)載信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仍使用有線總線進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)容量有限、物理拓?fù)溥B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(gòu)建靈活適變的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)滿足新一代機(jī)載信息系統(tǒng)的需求。5G的高速率、低時延及海量接入等特點，具備航空應(yīng)用前景[17]。相對于民用5G應(yīng)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(shù)高可靠、低時延、高速連接等特點，更適用于航空機(jī)載平臺內(nèi)部的無線通信[18-20]。高頻毫米波與機(jī)載設(shè)備頻段隔離，面對機(jī)內(nèi)復(fù)雜封閉環(huán)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(nèi)結(jié)構(gòu)打孔設(shè)計，可實現(xiàn)毫米波信號在艙內(nèi)實現(xiàn)穿孔傳輸，有利于實現(xiàn)機(jī)載平臺內(nèi)部近距離小范圍無線組網(wǎng)通信[22]。

5G技術(shù)賦能下的機(jī)載信息系統(tǒng)將向功能解耦、物理分散、動態(tài)重構(gòu)等趨勢轉(zhuǎn)變，具備即插即用和柔性智聯(lián)的能力。同時解鎖現(xiàn)有機(jī)載頻譜的新應(yīng)用，滿足未來信息化作戰(zhàn)下機(jī)載分布式平臺通信的需求；此外，機(jī)內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)通信可以實現(xiàn)艙內(nèi)部分無線化，減輕機(jī)艙內(nèi)線纜帶來的重量負(fù)擔(dān)與復(fù)雜線束分布設(shè)計負(fù)擔(dān)，簡化艙內(nèi)系統(tǒng)布置設(shè)計，提升可維護(hù)性。

本文針對航空平臺內(nèi)部無線通信展開研究，基于典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)，開展了毫米波信號在機(jī)載復(fù)雜封閉艙段內(nèi)的傳播特性仿真分析，設(shè)計并開發(fā)了用于機(jī)內(nèi)通信的毫米波原型系統(tǒng)，完成了基于真實飛機(jī)結(jié)構(gòu)下的無線通信測試，其通信速率達(dá)到了1 Gbps，驗證了艙內(nèi)無線通信的可行性，為航空機(jī)載復(fù)雜環(huán)境的無線通信奠定基礎(chǔ)。

1 毫米波機(jī)內(nèi)傳播特性仿真

1.1 仿真模型設(shè)計及射線路徑追蹤

為了研究毫米波在機(jī)載平臺內(nèi)無線通信的可行性，首先基于射線追蹤法開展機(jī)載平臺典型結(jié)構(gòu)內(nèi)的無線傳輸特性仿真分析[23]，研究飛機(jī)內(nèi)部的毫米波信號分布與傳播特性，分析多徑信號的時延擴(kuò)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(shù)學(xué)方法。運(yùn)用射線追蹤法發(fā)展的無線電波傳播仿真工具，可以用于預(yù)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(biāo)配置如下：

1) 仿真軟件：Wireless Insite。

2) 信號源發(fā)出射線數(shù)量設(shè)置：≥25。

3) 反射階數(shù)設(shè)置：6階。

4) 透射階數(shù)設(shè)置：0階。

5) 繞射階數(shù)設(shè)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(fā)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(jī)載平臺結(jié)構(gòu)模型應(yīng)反映真實飛機(jī)內(nèi)部和外部主要特征，其結(jié)構(gòu)設(shè)計在外形上應(yīng)能夠反映飛機(jī)某一部分的外形特征，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)包含該飛機(jī)組成部分中重要的棱、面、孔、縫隙等結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對毫米波傳播規(guī)律的高可靠性仿真分析。本文以飛機(jī)典型尾翼結(jié)構(gòu)作為仿真模型結(jié)構(gòu)開展仿真結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真模型結(jié)構(gòu)模型圖

圖1所示的仿真模型方案充分表征了飛機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有信道分析和建模所需的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，可用于模擬機(jī)載平臺內(nèi)部復(fù)雜封閉環(huán)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(fā)射節(jié)點，選取了11個參考位置作為接收節(jié)點RX的參考位置，模擬在機(jī)載典型尾翼結(jié)構(gòu)內(nèi)通信節(jié)點之間視距傳播及非視距傳播特性。

圖2 射頻收發(fā)節(jié)點模塊布局示意圖

對仿真模型內(nèi)部射線路徑進(jìn)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(nèi)部的路徑追蹤及功率分布結(jié)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(dǎo)致的信號盲區(qū)，進(jìn)而為無線節(jié)點的布局優(yōu)化提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

圖3 腔體內(nèi)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(nèi)部電波傳播的接收功率分布，根據(jù)接收功率分布在圖2射頻收發(fā)節(jié)點模塊布局示意圖中選取5個接收節(jié)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(qū)域，將R1～R3所處的區(qū)域依次稱為第1～第3腔體，本節(jié)主要針對3個腔體內(nèi)接收點的信道時延特性及方向性模型進(jìn)行仿真分析。

第1腔體中接收點R1-1的時延擴(kuò)展模型及方向性模型仿真結(jié)果如圖4所示。該節(jié)點接收到的射線條數(shù)為上限仿真所設(shè)上限300條，對照圖3可知此節(jié)點偏離TX電波傳播功率強(qiáng)的路徑上，該接收節(jié)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(jié)點R1-1所接收到的信號多來自于面向TX一側(cè)，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(jié)點R1-1時延擴(kuò)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(jié)果如圖5和圖6所示。其中接收節(jié)點R2-1所接收到的有效射線條數(shù)為209條，R2-4接收到的有效射線條數(shù)為139條。對照圖3可知接收節(jié)點R2-1位于第2腔體中的毫米波傳播與金屬材料發(fā)生反射的主要路徑上，因此節(jié)點R2-1所能接收到的有效射線條數(shù)大于節(jié)點R2-4，但是由于第2腔體相比與第1腔體距離發(fā)射節(jié)點更遠(yuǎn)，因此接收到射線數(shù)量小于節(jié)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(jié)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(nèi)部毫米波傳播主要沿X-O-Y平面?zhèn)鞑?，其中接收?jié)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(qū)域，表明射線的入射區(qū)域與毫米波傳播的路徑方向相同。

圖5 節(jié)點R2-1時延擴(kuò)展模型及方向性模型

圖6 節(jié)點R2-4時延擴(kuò)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(jié)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(dá)此腔體的電波傳輸信號極弱，此腔體中節(jié)點R3-1所接收到的有效射線條數(shù)為12條，節(jié)點R3-4接收到的有效射線條數(shù)為56條，對照圖3可知接收節(jié)點R3-1位于第3腔體中信號最低的區(qū)域，而R3-4由于電波與蒙皮發(fā)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(shù)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(qū)域上俯仰角有細(xì)微發(fā)散于90°附近。

針對仿真模型內(nèi)不同腔體的無線傳輸特性仿真結(jié)果表明，隨著射頻接收節(jié)點模塊布局的腔體越發(fā)遠(yuǎn)離于TX所在的腔體時，俯仰角上電波傳播的接收面將越發(fā)集中于90°的區(qū)域，通信環(huán)境愈發(fā)惡劣，通信時延增大，通信質(zhì)量變差，因此節(jié)點布設(shè)時需要充分參考仿真結(jié)果，實現(xiàn)通信質(zhì)量最優(yōu)。

圖7 節(jié)點R3-1時延擴(kuò)展模型及方向性模型

圖8 節(jié)點R3-4時延擴(kuò)展模型及方向性模型

2 毫米波模塊設(shè)計與開發(fā)

為了開展通信測量實驗，設(shè)計并開發(fā)了毫米波頻段的通信模塊，集成射頻前端與天線，以工業(yè)機(jī)、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(xiàn)低剖面，小型化設(shè)計，其增益為10 dBi，帶寬400 MHz。天線的設(shè)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(shè)計充分借鑒1.2節(jié)仿真試驗結(jié)果，從飛機(jī)內(nèi)部傳播特性出發(fā)，考慮機(jī)內(nèi)通信復(fù)雜封閉金屬環(huán)境，部署垂直極化的2組天線，電磁波接觸機(jī)內(nèi)金屬時極易根據(jù)金屬朝向而發(fā)生極化偏轉(zhuǎn)，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(bǔ)的對偶極化天線對可以盡量彌補(bǔ)這種情況帶來的接收不良，同時將天線放置于機(jī)內(nèi)有通孔區(qū)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(jīng)移相器進(jìn)行相位調(diào)制與疊加后，經(jīng)中頻放大并于射頻信號源混頻濾波之后發(fā)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(jù)設(shè)計方案，完成了適用于機(jī)內(nèi)仿真模型內(nèi)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(jìn)行供電、控制以及NV設(shè)置，組網(wǎng)方法等。同時為了對模塊之間進(jìn)行通信以及吞吐性能的測試引入了一些工具包及Web設(shè)置，通過對FPGA及測試板的交叉開發(fā)完成調(diào)試，調(diào)試系統(tǒng)對2個板子間的通信進(jìn)行NV設(shè)置，保證其能順利地作為同一組網(wǎng)下的客戶端與服務(wù)端進(jìn)行鏈接。經(jīng)過調(diào)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(jī)結(jié)構(gòu)模型下的無線通信測試

3.1 測試環(huán)境搭建

在完成毫米波設(shè)備開發(fā)后，還需要加工實際飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型來開展機(jī)內(nèi)無線通信測試。根據(jù)圖1所設(shè)計的仿真模型，加工實際飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型，其實物如圖11所示。

圖11 飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型實物圖

為了搭建機(jī)內(nèi)無線通信系統(tǒng)，除毫米波模塊和飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型外，還需要配備基帶處理器和路由模塊、千兆網(wǎng)口以及電源模塊等部分，系統(tǒng)構(gòu)成如圖12所示。

測試系統(tǒng)的工作流程如圖13所示，數(shù)據(jù)傳至承載板后由應(yīng)用子系統(tǒng)完成信息格式化處理；總線接收處理、格式化信息，經(jīng)路由、MAC處理后將數(shù)據(jù)包送入基帶子系統(tǒng)?；鶐ё酉到y(tǒng)收到數(shù)據(jù)包之后對其加載包頭并進(jìn)行信道編碼，然后對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)字調(diào)制之后由DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號并作為中頻信號送入射頻前端子系統(tǒng)。射頻前端子系統(tǒng)對中頻信號進(jìn)行正交化之后經(jīng)混頻器混頻、濾波、然后送至射頻放大器之后發(fā)送到天線子系統(tǒng)。天線子系統(tǒng)根據(jù)通道開關(guān)切換指令選中相應(yīng)天線發(fā)射信號。

圖12 系統(tǒng)組成示意圖

圖13 系統(tǒng)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(tǒng)完成下變頻處理；得到中頻信號經(jīng)濾波后送入基帶處理模塊，基帶處理模塊通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)字濾波和解調(diào)得到數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗、拆包后得到數(shù)據(jù)負(fù)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(yè)機(jī)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(jié)點的收/發(fā)系統(tǒng)。

3.2 機(jī)內(nèi)無線通信測試

圖11所示的飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型可用于模擬機(jī)載平臺內(nèi)部強(qiáng)多徑環(huán)境，將毫米波無線通信設(shè)備和視頻監(jiān)控設(shè)備布設(shè)在尾翼模型內(nèi)，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(nèi)，其大致布局如圖15所示。

圖15 機(jī)內(nèi)無線通信測試系統(tǒng)

完成軟硬件信息配置后，開展機(jī)內(nèi)無線通信通信試驗，按照圖15所示，在實測環(huán)境中布設(shè)3個通信節(jié)點，一收兩發(fā)，采用視距傳播模式。測試畫面與結(jié)果分別如圖16和圖17所示。

圖16 視頻監(jiān)控畫面

圖17 速率測試

圖17為一組通信速率的采集結(jié)果，在真實飛機(jī)艙段模型內(nèi)部傳播速率可達(dá)1 031 Mbits=1 Gbps。與仿真結(jié)果相比，毫米波無線信號在真實飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部的傳播產(chǎn)生較嚴(yán)重的路徑損耗、多徑快衰落以及時延擴(kuò)展，造成通信質(zhì)量下降。

4 結(jié) 論

本文針對5G技術(shù)在機(jī)載無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用展開研究。

1) 首先基于典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真模型，完成了毫米波模塊在仿真模型內(nèi)部的無線通信性能仿真分析，仿真結(jié)果表明隨著射頻接收節(jié)點模塊布局的腔體越發(fā)遠(yuǎn)離于TX所在的腔體時，通信環(huán)境愈發(fā)惡劣，通信時延增大，通信質(zhì)量變差。

2) 設(shè)計并加工了毫米波模塊和真實飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型，搭建了機(jī)內(nèi)無線通信系統(tǒng)并開展試驗測試。試驗結(jié)果表明，在真實飛機(jī)封閉艙段內(nèi)，所搭建的測量系統(tǒng)實現(xiàn)了2對1無線傳輸測試，通過自主開發(fā)的可視化用戶界面顯示其無線速率達(dá)到了1 Gbps，同時監(jiān)控畫面可以實時顯示，實現(xiàn)了機(jī)內(nèi)無線通信。但是，機(jī)內(nèi)復(fù)雜封閉環(huán)境帶來的多徑效應(yīng)及快衰落等問題需要借助相應(yīng)的技術(shù)手段解決。

本文研究成果可為機(jī)載平臺無線通信提供理論基礎(chǔ)，加速5G技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。