無人機高速數據鏈路抗多徑技術*

張 玲

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

近年來，隨著無人機產業的高速發展，特別是中國研制的軍用無人機在中東地區作戰時的精彩表現，中國產無人機在國際軍火市場供不應求，無人機的研發成為國內的研究熱點之一。隨著無人機市場的不斷拓展，要求無人機單次執行任務的時間拉長，應用環境呈現出多樣化。無人機可能飛行在山丘、海洋、平原、森林、沙漠或者繁華的都市。這些應用場景由于地理環境不同，地形、地貌完全不一樣，造成無線電波被反射甚至阻擋，直接影響無人機數據鏈路的通信質量。特別是在無人機起飛降落階段，飛行器處于低仰角工作時，無線電波由于多次反射，信號質量進一步惡化，多徑效應嚴重。應用環境的多樣化對無人機測控鏈路的可靠性、安全性特別是克服嚴重的多徑效應以適用更多的應用場景，提出了更高的要求[1]。

無人機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。隨著無人機科技的發展，用戶需求的提升，當前需要傳送的載荷數據量越來越大，下行傳輸速率進一步提高。傳輸速率越高，多徑效應對測控鏈路的影響更加嚴重。為了改善多徑環境下下行高速數據鏈路的性能，測控系統除采用常規的快速AGC、高效信道編碼、交織糾錯和鏈路冗余等措施外，目前下行高速數據鏈路抗多徑方案有單載波頻域均衡技術（Single Carrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE）和正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）。OFDM帶寬可擴展性強，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，在遠距離通信時優勢不明顯。SC-FDE直接在時域上調制信號，信號包絡恒定，有低峰均比、低復雜度的優勢，抗載波頻偏和相位噪聲的性能優于OFDM體制，在遠距離通信時性能較OFDM體制更具優勢。文獻[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，OFDM對時間偏移忍受能力更強。文獻[3]認為兩種體制的性能非常接近，OFDM只有在低信噪比配合強編碼（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體制的優缺點，提出通過優化SC-FDE的傳輸幀結構，以同一種SC-FDE傳輸體制適應無人機近場和遠場兩種信道條件，既提高系統抗多徑性能，又降低了設備設計和工作的復雜程度。仿真結果表明，合理設計SC-FDE的幀結構，在近距離通信時能夠達到與OFDM相當的抗多徑性能，遠距離通信時則可發揮SC-FDE的抗載波頻偏和相位噪聲優勢。

1 多徑的產生

在無人機起降或遠距離飛行時，測控通信鏈路工作于低仰角狀態，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，傳輸信號會出現較多的多徑分量，嚴重時甚至無直射分量。惡劣環境引起的復雜信號疊加，會造成測控鏈路，特別是下行高速數據傳輸鏈路性能惡化，導致數據傳輸性能嚴重下降。當下行傳輸體制采用QPSK時，發射信號可表示為：

由于多徑效應，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），則到達接收機的信號可表示為：

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

下行高速數據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。合理選擇傳輸調制體制，能夠改善多徑環境下測控鏈路的性能。目前，接收機常用的信號處理方法有均衡和信道編碼。當前，各類高效率信道編碼技術均比較成熟，高速數據抗多徑傳輸技術主要有單載波自適應均衡技術（SC-FDE）和正交頻分復用技術（OFDM）兩種[4-5]。

2.1 SC-FDE和OFDM結構比較

SC-FDE和OFDM系統具有相似的系統結構，如圖1所示。

圖1 SC-FDE與OFDM系統結構原理

OFDM和SC-FDE均是基于均衡、FFT和IFFT技術實現的，主要差異在IFFT模塊的位置：OFDM中IFFT模塊置于發送端，SC-FDE中IFFT模塊置于接收端。

IFFT模塊位置的不同，導致SC-FDE與OFDM系統發送端PAPR性能的不同，也造成了頻域均衡性能的差異。SC-FDE系統中，每個數據符號都承載于整個頻帶上，接收端的IFFT使得各數據符號的均衡性能受整個頻帶信道影響。OFDM系統中，發送端的IFFT使得數據符號承載于不同的子載波上，接收端對各子載波獨立均衡，各數據符號的均衡性能只受相應的子載波信道影響。

2.2 頻域性能分析

當信道多徑環境條件不同時，SC-FDE和OFDM由于算法結構不同，會呈現不同的性能狀態。

信道條件一般惡劣，信道頻域上將出現明顯衰落，但衰落深度不大。SC-FDE部分子載波的均衡性能較差，經過IFFT的擴展，部分子載波上的噪聲由整個數據符號塊分擔。OFDM部分子載波承載數據符號將受信道衰落影響，此時系統性能惡化嚴重。但是，如果在系統中引入編譯碼處理，那么由于頻域衰落產生的隨機誤碼將得以緩解，系統性能得以提升。此種信道條件下，SC-FDE和OFDM性能相當。

信道條件中等惡劣，那么信道頻域上將出現深衰落，其分布較分散且占據頻帶較窄。SC-FDE部分子載波的均衡性能惡化嚴重，經過IFFT的擴展，部分子載波上的噪聲擴散到整個數據符號塊。OFDM部分子載波承載數據符號將無法恢復，此時系統性能惡化嚴重。但是，如果在系統中引入編譯碼處理，那么由于頻域深衰落產生的隨機誤碼將得以消除，系統性能大大提升。此種信道條件下，OFDM更優。

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頻帶較寬。SC-FDE大量子載波均衡性能惡化嚴重，但是經過IFFT的擴展后，單個數據符號受到的影響將減弱。OFDM大量子載波承載數據符號無法恢復，即使引入編譯碼，系統性能提升有限。此種信道條件下，SC-FDE更優。

2.3 時域性能分析

為了獲得更好的接收機性能，需要對通信系統所處的信道環境進行估計。信道狀態信息一般通過已知導引符號的檢測得到。導引符號的插入密度直接影響信道估計精度，插入依據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行導引符號插入。常見的導引（導頻）插入方式如圖2所示。

圖2 常見導引（導頻）插入方式

SC-FDE發送端完全在時域進行處理，所以導引插入方式只能是塊狀插入。當SC-FDE采用塊狀插入方式時，導引在時域上的插入密度受限于數據塊大小，即時域導引間隔至少為1個數據塊。同時，為了保證信道狀態在信道估計過程中不變，時域導引間隔必須小于信道相干時間。因此，SC-FDE的導引插入靈活性差于OFDM。當信道相干時間較小時，為保證相當的性能，SC-FDE的導引插入開銷將遠大于OFDM。

2.4 傳輸體制選擇

由于SC-FDE和OFDM導引插入方式的差別，在同等信道條件下，SC-FDE導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。在近場仍采用SC-FDE的傳輸方式還具有以下優勢：不需要進行鏈路工作模式切換，或僅需要進行參數配置，避免了體制更新帶來的信號中斷，同時降低了設備設計和工作時的復雜程度，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、復雜的峰均比抑制算法或預失真技術。SCFDE結合OFDM系統和單載波時域均衡系統的優點，在復雜度和性能的折中方面優于前兩者。綜合考量寬帶高速數據鏈中接收機復雜度和應用場景需求，最終選擇單載波頻域均衡作為實現方法。

3 單載波頻域均衡技術

單載波頻域均衡（SC-FDE）算法在波形設計時采用單載波調制。調制端對數據采用分塊傳輸和加入循環前綴的波形結構。接收端對信號進行FFT變換到頻域后，在頻域上完成信道估計算法和均衡算法[7]。

如圖3所示，信號的發送端對原始數據編碼后，對數據部分進行交織、映射，同時生成PN前導和UW序列，在成幀單元中插入循環前綴（Cycle Prefix，CP），信道估計字（Unique Word，UW），再進行成型濾波和數字上變頻，最后由DAC轉換為模擬信號發送出去。

圖3 調制單元總體結構

如圖4所示，接收端對信號帶通濾波，由ADC轉為數字信號；信號經過數字下變頻、匹配濾波后進行內插處理，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果。

圖4 解調單元總體結構

4 幀結構設計

由圖2信號的發送流程可見，單載波頻域均衡技術與一般的單載波調制技術相比，多一個數據成幀的過程[8]。

SC-FDE算法的數據幀結構包括訓練序列段、TFW段和數據段。訓練序列段用于承載訓練序列符號，TFW段用于承載傳輸控制字符號，數據段用于承載業務數據符號。其中，數據段包括N個“導引+數據”基本單元，1個“導引+數據”基本單元包括1個導引塊和1個數據塊。幀結構框架如圖5所示。

圖5 幀結構框架

在成幀模塊設計時，需要在幀結構中定時插入循環前綴CP。CP的內容是定時取每段有效數據的最后一截放在一整個數據塊的最前面，作用是用來吸收前一個數據塊的多徑干擾。設計CP時，具體長度需要根據具體無人機飛行的場景確定。不同的場景選擇不同的CP長度。

UW序列即特殊字，在每一個數據塊的最前面加入UW序列，主要作用是用于估計信道響應。為保證UW估計得到的信道特征與DATA部分的信道特征一致，需要保證在兩次信道估計間隔內，信道沒有明顯變化。一般認為，在信道相干時間內，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展成倒數關系，通常認為信道相干時間約等于信道多普勒擴展倒數的1/10。

幀結構的設計直接關系信道估計能力、抗多徑的性能及系統的開銷。數據幀結構中各項參數的選取，需要依據對工作場景信道環境的分析，建立合理的信道模型進行確定。

5 系統仿真

5.1 信道模型

地空信道環境接收的合成信號包括三類信號：第一項是直射波分量；第二項為地面反射波，其特性與地面環境、地面介質特性、入射角和極化方向等因素有關；第三項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。

無人機全飛行包線中，根據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距離任務階段的信道模型。在遠距離任務階段的信道模型中，第三項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（多徑數量較多），同時這類反射波多徑時延也遠遠高于地面反射波，其多徑信道甚至可能惡化到瑞利信道。

根據鏈路在近距離起降階段和遠距離任務階段的實際工作場景，結合無人機平臺空間位置、運動速度的不同，梳理不同信道類別，并參考移動通信3GPP TS 36.104 v8協議定義選取信道模型參數，如表1所示。

5.2 仿真結果

信道模型1對應無人機起降階段近距離工作場景，多徑環境比較惡劣，合成信號中不可忽略的多徑分量數量多，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對應無人機任務階段遠距離飛行場景，此時地空鏈路仰角很低，但距離遠，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，多徑環境較好。

表1 信道參數

對SC-FDE和OFDM在近場信道條件下（信道1 ETU模型）進行誤碼率仿真，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在遠場信道條件下（信道2）進行誤碼率仿真，得到如圖7所示的仿真圖。

圖7 遠場信道條件下SC-FDE和OFDM性能對比

分析仿真結果，可以得出以下結論：

（1）近場條件下復雜多徑信道下，SC-FDE可以正常解調，OFDM解調性能相比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導引插入方式的差別，在同等信道條件下，SC-FDE導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。

（3）近場仍采用SC-FDE的方式可以帶來的好處包括：不需要進行鏈路切換，或僅需要進行參數重配，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、復雜的峰均比抑制算法或預失真技術。

6 結 語

無人機高速數據鏈路負責無人機飛行時下行遙測信息和高速載荷的傳輸，當無人機起飛降落階段，無人機處于低仰角狀態，下行鏈路信號受到嚴重的多徑干擾。本文以SC-FDE和OFDM體制優缺點分析作為切入點，詳細闡述了SC-FDE的算法。仿真表明，在近場復雜多徑信道條件下，SC-FDE抗多徑能力與OFDM性能基本相當；遠場條件下，能發揮SC-FDE抗載波頻偏和相位噪聲的優勢。可見，合理選擇SC-FDE幀結構參數，遠場與近場均采用SC-FDE傳輸體制的方案，不需要進行鏈路工作模式切換，降低了設備設計和工作時的復雜程度，增加了可靠性，易于工程實現。