戰術無人機視距下行通信鏈路信道模型特性的研究

鄧海峰，申江江，何勰，劉旭寧，吳一

（海軍航空大學91206部隊，山東 青島 266000）

隨著航空技術的高速進步和人工智能技術的發展，無人軍事裝備在現代戰爭及非戰爭軍事行動中應用越來越廣泛，在作戰偵察及反恐等領域獲得了長足的發展。無人機（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）憑借其靈活性高、使用方便、機載配置多樣化等特點得到了越來越多的應用和重視。隨著目前無人機搭載偵查設備日漸多樣化，載荷不斷提高，其下行通信鏈路需要傳輸的信息種類不斷增多，對其數據傳輸速率提出了更高的要求。為了提高無人機數據傳輸速率，必須對其通信鏈路進行分析，通信鏈路信道特性是提高通信傳輸速度的基礎問題[1-3]。無人機下行鏈路信道除了具有無線通信基本特點之外，兼具低仰角地空通信鏈路信道和移動通信信道特點，比一般的無線信道更加復雜，研究戰術無人機下行鏈路的信道特征，進而建立準確的信道模型，對于提高戰術無人機作戰使用效能具有重要作用[4-5]。

1 無人機無線移動信道的傳播特性

無人機移動信道本身屬于無線電波，在空中傳播過程中受到空間環境各種因素的影響，表現出多種衰落特征，比如收發兩端帶來的路徑損耗，信號傳輸中會受到反射及散射等影響，一般可以將對信道的影響區分為大規模衰落和小規模衰落[6]。

1.1 無線信道大規模衰落模型

大規模衰落通常表現為通信目標大范圍移動造成的路徑衰落和平均信號能量的衰減，這是無線通信領域中最普遍的損耗形式。Hata根據Okumura的應用測量結果，總結出了路徑損失的參數方程，根據不同的應用場景選擇其數學表達式可以表示為[7]:

按照dB形式可以寫為：

其中，d為信號傳輸距離，d0為參考距離（遠離發射天線的一個位置和天線之間的距離，可選1 km、100 m、1 m）。路徑損耗指數n由信號頻率、天線位置和傳輸的環境條件等決定，一般情況下當信號在空間中進行傳播時n取2即可，如果信號在街道等可能存在波導現象的空間中傳播時n可能會小于2，當傳播路徑中存在障礙物時n可能會增大。

1.2 無線信道小規模衰落模型

在工程實踐中基站位置安排、發射功率設置等工作中小規模衰落是需要考慮的關鍵問題，研究調制方法的應用時主要關注點也在于小規模衰落。小規模衰落是信號在較小距離或較短時間內幅值、相位劇烈的動態變化，具體表現為兩種形式：信號的時延擴展和信道的時變特性。信號時延擴展是由信道多徑干擾引起的，信號傳播過程中受到反射、散射等多種原因，到達接收端的時間不同，因此，接收端就會收到不同時延信號的疊加，由于不同反射路徑的信號幅度、相位、入射角各有不同，使疊加而成的接收信號幅度、相位產生失真[8-11]。

根據最大超量時延Tm和碼元時間Ts的關系，時延擴展造成的性能下降分為頻率選擇性衰落（Frequency–selective Fading）和平坦衰落（Flat Fading)兩種類型。若TmTs，碼元的時延擴展超出了碼元持續時間，對相鄰碼元造成了碼間干擾，則稱信道呈現頻率選擇性衰落特性。從頻域分析信道時延擴展特性，研究相干帶寬f0=1/Tm與信號帶寬fs的關系（相干帶寬表示在兩個頻率點處保持強相關時的最大頻率差）。當f0>fs時，在系統帶寬范圍內任意頻率處，信號衰落相同，信道呈現平坦衰落。當f0

信道的時變性是由發射機與接收機相對移動或信道內物體的運動引起的，當發射機與接收機相對運動時，接收信號受多普勒效應的影響，產生頻率偏移，多普勒效應產生的頻率偏移表示為：

其中，fc是發射信號載頻，v是發射機與接收機相對運動速度，φ為相對運動方向與電波入射方向夾角，c為光速。

1.3 無線信道小規模衰落信道特性

根據多普勒頻移fd與信號帶寬fs的關系，可以將信道分為快衰落信道和慢衰落信道。當fs>fd時，信道呈現慢衰落特性，信道特性在一個碼元持續時間里保持不變。當fs

由上述分析可知，為使信號在無線移動信道傳輸過程中不發生頻率選擇性失真和快衰落失真，必須綜合考慮信號的時延擴展和信道的時變性。在時域表現為信號碼元持續時間Ts時需滿足Tm

圖1 信道衰落特性隨信道碼元時間變化規律

圖2 信道衰落特性隨信道帶寬變化規律

根據戰術無人機平時執行任務要求，其飛行速度較低，容易滿足Tsfd的要求，而戰術無人機較低的飛行高度會導致信道中存在較為嚴重的多徑干擾，因此避免選擇性衰落應該成為無人機發射信道發射信號的重點。

2 戰術無人機下行通信鏈路信道模型特性分析

2.1 戰術無人機信道模型分析

由于戰術無人機地面站設有高增益的定向天線，下行鏈路信道存在一個較強的直視信號。同時，信號傳輸過程中存在反射與散射現象，因此，戰術無人機下行鏈路信道屬于低測控仰角的航空信道。早期的航空信道研究并沒有提出明確的數學模型，自Bello提出了多普勒頻譜表達式后[12]，相關的研究逐漸增多。文獻[13]建立了航空下行通信鏈路的數學模型，其系統帶寬為5 MHz，并且指出信道的萊斯因子介于2～20 dB之間。Hass E在總結前人工作基礎上，針對航空信道建立了時域抽頭延遲線模型，該航空信道模型由一個較強的直視分量和若干散射分量構成[11-15]。

無人機在起飛/降落時測控仰角較大，信號強度較大，多徑干擾最小，信道近似為高斯白噪聲，通信質量好。隨著距離增大，測控仰角逐漸變小，進入接收端的地面反射波能量增大，由于定向天線的存在，信號包含直視分量，信號包絡服從萊斯分布：

其中，直視分量與散射分量的能量比為萊斯因子k：

當測控仰角進一步減小，接收機就不會接收到明顯的直視分量，信號包絡會服從瑞利分布：

由上述分析可知，戰術無人機下行鏈路信道隨著無人機與地面站距離的增大，測控仰角逐漸減小，信道特性由高斯白噪聲逐漸變化為瑞利信道。

2.2 戰術無人機下行信道模型

萊斯在對不同場景信道參數進行實測的基礎上，將信道模型具體為直視分量、反射分量、散射分量組成的三徑模型[14]，其沖擊響應為：

式中，t、τ表示特定時刻和時間增量，a0、a1、ε(t)分別為直視分量、地面反射波分量和散射分量的幅度，Δθ1是反射分量相對視行分量的相移，Δωd1和Δωd2分別是反射分量和散射分量的多普勒頻移。由于OFDM子載波信號帶寬相對較小，一般而言小于信道相干帶寬，屬于窄帶信號，而對窄帶信號而言，式（7）可以化簡為：

當a1=0時，信道簡化為萊斯信道。該模型即可作為戰術無人機下行鏈路信道模型，即無人機下行信道模型為加入反射分量的萊斯信道，相比兩徑模型，三徑模型將地面強反射分量單獨計算，更加符合低仰角的戰術無人機信道模型。文獻[14]給出了航空信道的兩個重要參數k、Γ，用以描述信道反射分量與散射分量的大小，并對信道進行了實測，視行分量與散射分量能量的比值為萊斯因子k，參數Γ為反射分量與視行分量幅值比：

其中，δd為散射分量ε(t)的方差。

文獻[14]對信道參數進行了測量，數據結果如表1所示(a為愛德華空軍基地，b為白沙導彈試驗場)。

表1 航空信道參數

由表1可知，Γ一般在0.2～0.8之間變化，k一般在10～20 dB之間變化。

無人機飛行過程分為3個主要狀態，即起飛/降落狀態、途中飛行狀態和任務區域盤旋狀態，不同飛行狀態下信道參數的典型值如表2所示[10]，文獻[15]提出了一種最大時延擴展的估計方法，當飛行距離遠大于飛行高度時，地空鏈路最大時延擴展近似為飛行高度與光速比值h/c。由于沒有文獻實測戰術無人機飛行過程中的信道時延擴展值，該文以h/c為信道時延擴展值進行研究，戰術無人機飛行高度一般在100～4 500 m間變化，可知多徑時延變化范圍約為0.33～15μs。

表2 不同飛行狀態下信道參數

2.3 戰術無人機信道模型分析

為研究反射分量對于信道特性的影響，以64點FFT(N=64)的OFDM系統為例，研究該系統通過航空下行信道后BER性能分析航空信道特性[16-18]。

首先選擇散射分量能量接近、反射分量能量差距較大的EAFB數據組1、2、3進行研究，系統誤碼性能如圖3所示。

圖3 反射分量能量差距較大時誤碼性能比較

從圖中可以看出，當散射分量相近、反射分量差距較大時，系統BER性能有明顯差距，當反射分量幅值較大時系統性能接近瑞利信道理論值，當反射分量幅值較小時系統性能接近高斯白噪聲信道理論值。

然后選擇反射分量能量系數接近且幅值較小、散射分量能量差距較大的EAFB數據組6與WSMR數據組1、3進行研究，系統誤碼性能如圖4所示。

圖4 散射分量能量差距較大時誤碼性能比較

從圖中可以看出，反射分量能量系數接近且幅值較小、散射分量能量差距較大時，系統誤碼性能區別并不明顯，且誤碼性能接近高斯白噪聲信道誤碼性能。

通過上述分析可知，航空下行傳輸信道主要受反射分量支配，當反射分量較大時，信道特性接近瑞利信道，反射分量較小時，信道特性接近高斯白噪聲信道。相比之下，將反射分量單獨描述的三徑模型更能反應無人機下行鏈路信道特性，適合無人機下行鏈路信道建模。

3 結束語

該文分析了戰術無人機無線移動信道的傳播特點，對下行鏈路信道的幾種典型衰落模型及其各自特點進行了分析。在信道研究基礎上，以常見的OFDM通信系統為例，對實測航空信道參數進行誤碼性能分析，得出航空下行傳輸信道主要受反射分量支配的結論，當反射分量較大時，信道特性接近瑞利信道，反射分量較小時，信道特性接近高斯白噪聲信道。通過上述分析為戰術無人機信道建模提供了參考借鑒,對于建立準確的戰術無人機下行信道模型，提高戰術無人機作戰效能具有重要作用[19-20]。