OFDM 技術在無人機通信中的應用

魏毅，黎斌

（廣東開放大學，廣東理工職業學院，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、攝像系統、無線圖傳系統等組成。近年來，得益于電子技術、通信技術和人工智能的發展，民用無人機取得長足進步，主要應用范圍包括航拍、農用植保、監控、巡檢等。執行這些任務都要求無人機具備良好的無線圖傳系統，即能夠實時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，以適應無人機飛行過程中突發情況出現時能夠快速控制的需要。這些都對無人機通信系統的兩項重要指標——有效性和可靠性有較高的要求。Wi-Fi 技術和OFDM 技術是目前民用無人機圖傳系統采用的主流技術，Wi-Fi 技術的特點是技術簡單，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

無人機通信系統主要依賴無線電波完成地面到空中的通信，即地空雙向數據傳輸。目前主流的民用無人機主要應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有Wi-Fi、藍牙、雷達、移動通信系統等，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境也十分復雜，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（Shadow Effect）造成的慢衰落，和多徑效應（Multipath Effect）、多普勒效應（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，則會使得信號傳輸的效果大打折扣，直接影響無人機的數據鏈路傳輸質量。

2 OFDM技術應用分析

2.1 OFDM技術的實現

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

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

圖1 OFDM調制解調過程示意圖

2.2 OFDM技術的優勢和不足

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據傳輸。如果某個子載波衰落較大，則可以調度到其他信號質量較好的子載波上，所以OFDM 技術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、下行不同的數據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，每個子載波就可以進行獨立調制。例如下行圖傳信號傳輸鏈路可采用高階調制以獲得較高的數據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制以獲得較好的信噪比。可見OFDM 的傳輸性能明顯優于傳統的單載波調制。

然而，由于通信雙方相互運動產生的多普勒效應會造成無線信號的頻率偏移，或者發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 系統中子載波較多，多個子載波疊加后的峰均比PAPR 較大，對發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射機發射功率，所以上述OFDM 技術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。在無人機通信系統中，發現在被物體擋住的陰影區域往往無法良好地接收到發射信號。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，而且發射信號有可能被淹沒在噪聲當中。

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

2.3 基于OFDM技術的改進方案

2009 年，Ding C 等人研究將OFDM 技術與分組Turbo 碼（BTCs）相結合用于無人機高速數據鏈路[5]。針對時變的無人機通信信道和多徑效應產生的影響，建立無人機信道模型進行仿真，發現在無人機飛行的不同情況下，OFDM 技術與分組Turbo 碼（BTCs）相結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據鏈路的傳輸速率和可靠性。

2010 年，白洋等人研究將擴頻技術引入OFDM 系統[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果表明，引入擴頻技術后的OFDM 系統可以在低信噪比情況下較大地提高無人機數據鏈路的可靠性。但擴頻技術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 技術和多天線技術MIMO 結合[7]。在WSSUS 信道模型下，仿真結果表明，如果子載波采用BPSK 調制，MIMO-OFDM 系統的誤碼率明顯優于OFDM 系統。如果子載波采用相對高階的調制方式，如QPSK 或16QAM，MIMO-OFDM 系統在信噪比較低時和OFDM 系統誤碼率性能差別不大。隨著輸入信噪比的增大，MIMO-OFDM 系統的誤碼率有明顯改善。

2019 年，張玲研究了與OFDM 系統具有相似結構的單載波頻域均衡（SC-FDE）系統[8]。兩者主要都是基于傅里葉變換實現，只是IFFT 模塊的位置不同，OFDM系統實現的IFFT 模塊在發送端，而SC-FDE 系統實現的IFFT 模塊在接收端。因SC-FDE 采用單載波調制，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現，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揮抗載波頻偏和相位噪聲的優點，因此在低信噪比下的誤碼率性能更優。

3 結語

隨著無人機應用場景的多樣化、執行任務的復雜化，其飛行距離的要求從幾百米提高到幾千米，圖像傳輸的質量和穩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提出了更高的要求。因此，OFDM 技術要結合其他的先進技術如MIMO、擴頻、編碼、調制等，才能適應未來無人機通信技術的需要。