无人机地空链路信道特性与宽带数据传输

高保生,朱良彬

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

无人机地空数据传输过程中,无线信号会受到地形、地物以及大气等因素的影响,引起电波的反射、散射和绕射,形成多径传播,造成数据传输质量下降。

该文分析了无人机地空数据传输信道特性,提出了相应的数据传输体制,提高了地空宽带数据链的抗多径传输性能。

1 地空信道模型

寻找和建立一个合适的信道模型是研究无人机地空数据传输信道特性的关键。在无人机整个工作过程中,根据飞行环境的不同,存在不同数量的传播路径,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,如图1所示。

为了方便分析,使用WSSUS三径模型对无人机地空数据链路信道特性进行分析:

式中,a0、a1、a2分别为直射分量、地面反射分量和除地面反射分量以外的其余多径分量的幅度增益;fLOS为直射分量的多普勒频移 ;θref、fref、τref分别为地面反射分量的相移、多普勒频移和延迟时间;θscat、fscat、τscat分别为除地面反射之外的多径分量的相移、多普勒频移和延迟时间。

图1 无人机地空数据传输示意图

2 地空信道特性分析

在不同的工作状态下,无人机所处的信道具有不同的特性,并且由信道衰落类型、多普勒频移以及延迟扩展等特性决定。为了准确建立信道模型,将无人机系统整个工作过程划分为“滑行”、“起降”和“巡航”3种状态。

2.1 滑行阶段

在无人机滑行阶段存在视距传播分量r1,同时机场地面及其周围建筑物、山脉等地物地貌会引起很强的多径传播分量r2和r3,信道呈现明显的莱斯特性。该阶段的多径信号能量较强,在文献[4]中建议无人机滑行阶段的莱斯因子大小为6.9 dB。

在该阶段可以借鉴COST-207标准中的乡村信道模型,最大多径时延为0.7 μ s,计算得到信道相关带宽约为1.4 MHz。而此时数据传输速率在2 Mbps以上时,信号带宽大于信道相关带宽,信号在传输过程中会引起频率选择性衰落。

2.2 起降阶段

“起降”阶段传输信号由直射波信号r1、地面发射波信号r2以及周围建筑物、山脉等地物地貌引起的反射波信号r3组成,属于莱斯(Rice)信道。相对于滑行阶段,信号r1有所加强,r2和r3分量相对减弱,文献[4]中建议无人机起降阶段的莱斯因子大小为15 dB。

多径衰落效应主要由r2和r3引起,其中r2径时延相对较小。以地面站天线高度为5 m、飞机高度为50～5 km、飞行距离为1～100 km为例来计算,最大多径时延约为16.7 ns;而 r3的多径时延相对较大。在某些复杂飞行环境下,多径时延可以达到几 μ s,甚至几十 μ s。以最大多径时延1 μ s来计算,信道相关带宽为1 MHz;当多径时延增大时,相关带宽会变得更小。而这个阶段数据传输速率一般不低于2 Mbps,信号带宽远大于信道相关带宽,数据在传输过程中会产生严重的频率选择性衰落。

2.3 巡航阶段

在这个阶段,传输信号同样由 r1、r2和r3组成。而此时r3信号分量相对较弱,其能量约为直射分量的1%～8.4%,可以忽略。在该状态下,无人机地空数据链路可以等效为由信号r1和 r2组成的莱斯信道,莱斯因子可以设定为10 dB。

多径效应主要由信号r2引起。假设地面反射为理想镜面反射,以地面站天线高度为5 m,飞机高度为5～20 km,飞行距离为100～400 km来计算,多径时延约为0.42～6.67 ns。信道相关带宽最小约为150 MHz。而这个阶段数据传输速率一般在2～100 Mbps之间,远小于信道相关带宽。所以在这种飞行状态下,信道是一个平坦衰落信道。

3 宽带数据传输技术

根据上述分析,在无人机巡航飞行阶段,信道属于平坦衰落信道,采用QPSK调制等调制体制,加入合适的信道纠错编码就可以满足系统误码率要求。而在无人机滑行阶段和起降阶段,较大的多径时延会引起频率选择性衰落,影响数据传输质量,所以必须采取有效宽带数据传输方案以对抗多径衰落的影响。

在2003年提出的IEEE802.16a标准中,规定了SC-FDE系统和OFDM系统2种抗多径衰落的宽带无线数据传输技术。

3.1 SC-FDE系统基本原理

SC-FDE的基本原理框图如图2所示。

图2 SC-FDE原理

在发送端,输入的二进制信息流根据调制方式(如MPSK或者MQAM)先进行星座图映射,然后插入UW序列和保护间隔进行数据成帧,对成帧后的数据序列进行脉冲成型后调制到高频载波上,通过射频发射出去;在接收端,信号进行A/D转换后经过正交下变频将信号搬移到基带,在基带完成同步、信道估计以及均衡处理,再恢复到时域进行判决输出。

3.2 OFDM系统基本原理

OFDM基本原理框图如图3所示。

图3 OFDM原理

在发送端,输入的二进制信息流根据调制方式(如MPSK或者MQAM)先进行星座图映射,然后串并转换、插入循环前缀(CP)形成特定的数据帧。将成帧后的数据通过IFFT变换将并行数据调制到相应的子载波上发射出去。在接收端,通过FFT变换后在频域进行均衡,最后判决输出。

3.3 SC-FDE系统和OFDM系统比较

对比图2和图3可以看出,SC-FDE和OFDM二者在原理上有很多相似之处。但是OFDM信号是多路子载波信号的叠加,会产生很大的峰值平均功率比(PARA),通过非线性放大器时会导致信号畸变;同时OFDM系统中子载波之间要求严格的正交,所以OFDM对载波频偏较敏感。而SC-FDE采用单载波传输体制,同时保留了多载波系统信号处理的方法,有效消除多径衰落影响的同时避免了多载波传输的缺陷,加上单载波系统适合下行链路的对无人机跟踪。所以在无人机滑行和起降阶段,可以选择SC-FDE宽带数据传输方案来对抗多径衰落。

4 地空数据链路中SC-FDE性能仿真

根据上述对无人机地空数据链路信道特性分析,分别模拟无人机滑行阶段和起降阶段信道特性对SC-FDE系统的抗多径衰落性能进行仿真。设定数据传输速率为2Mbps,调制方式为QPSK。

4.1 滑行阶段

采用COST-207标准中乡村莱斯信道模型,最大多径时延设定为0.7 μ s,莱斯因子K 取6.9 dB。UW序列选择的是长度为64的Frankzadoff 序列,FFT数据块长度为512。信道编码采用为(2,1,7)卷积编码。采用MMSE信道估计准则对均衡性能进行仿真,误码率曲线如图4所示。

图4 滑行阶段SC-FDE性能仿真

从图4中可以看出,在信噪比为10 dB时,均衡将误码率从10-1数量级降低到10-2,加入卷积编码以后,误码率降低到＜10-5。

4.2 起降阶段

信道模型选择莱斯信道,Rice因子K取15 dB,最大多径时延设定为10 μ s。UW序列选择的是长度为64的Frankzadoff 序列,FFT数据块长度为512。信道编码采用(2,1,7)卷积编码。采用MMSE信道估计准则对均衡性能进行仿真,误码率曲线如图5所示。

图5 起降阶段SC-FDE性能仿真

从图5中可以看出,在信噪比为10 dB时,均衡将误码率从10-1数量级降低到10-3,加入卷积编码以后,误码率降低到＜10-6。

5 结束语

无人机地空数据链路在数据传输过程中受到多径衰落的影响,造成通信质量下降。通过对比分析SC-FDE技术和OFDM技术,SC-FDE技术具有载波包络恒定,适合下行链路跟踪等的特点,能很好地解决无人机地空数据链在滑行和起降阶段的多径衰落问题,大大提高数据传输质量。该文的研究对无人机地空宽带数据链的抗多径设计具有一定的参考意义。

[1]尹长川,罗 涛,乐光新.多载波宽带无线通信技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.

[2]龚志红,陈宏伟,樊 昊.空基型导弹图像传输信道模型研究[J].航空兵器,2006(6):58-62.

[3]HASS E.Aeronautial Channel Modeling[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology,2002,5(2):56-60.

[4]杨霄鹏,姚 昆,史浩山.航空信道仿真分析[J].空军工程大学学报(自然科学版),2006(6):41-44.