基于SC-FDE的一種無人機新型圖傳系統設計

邊慧穎，張德海，劉 鵬

（1.中國科學院大學，北京 100049；2.中國科學院國家空間科學中心 微波遙感技術重點實驗室，北京 100190）

0 引言

隨著無人機技術的成熟，無人機在民事和軍事中的應用越來越多，建立一條可靠的無人機通信鏈路顯得尤為重要。無人機圖傳系統屬于典型的無線通信系統。傳輸時，通信距離遠、地形地貌復雜、移動臺的移動速度、傳播路徑復雜等因素都會導致嚴重的多徑衰落和多普勒頻移，從而對無線通信系統的性能產生較大的影響，降低無人機通信的可靠性[1]。

目前，常用的對抗多徑衰落的方法主要有OFDM，SCTDE，SC-FDE。其中SC-FDE系統兼具單載波和正交頻分復用（OFDM）的優點，在有效消除碼間串擾的同時又避免了多載波傳輸技術峰均比（PARA）高、對頻偏敏感等缺點[2-3]。

單載波頻域均衡技術通過利用可調網絡的頻率特性來補償實際信道在相頻和幅頻上的畸變，在進行數據處理時，需要進行FFT變換，先將數據分成FFT數據塊再進行處理，并通過在每個數據塊的前端加入循環前綴（CP）來消除數據塊之間的干擾。目前常用已知序列獨特字（UW）來代替循環前綴（CP），其具有自相關性好、頻率響應平穩的特性，不僅可以用來做循環前綴，還可用于同步及信道估計與均衡。由于SC-FDE系統分塊傳輸和添加循環前綴的特性，設計合理的幀結構不僅可以改善系統的性能，而且可以提高系統的帶寬利用率和數據傳輸的速率。無人機高速圖傳系統中信道為時變信道，且傳輸模式多為突發傳輸。針對其特殊性，基于SC-FDE技術建立新的傳輸系統具有重要的意義。基于以上分析，本文搭建了一個無人機新型圖傳系統，提出了一種改進的數據傳輸幀結構，在保證系統誤碼性能的同時，提高了有效數據的傳輸效率。

1 單載波頻域均衡系統

SC-FDE系統原理框如圖1所示，信號處理流程大致分為4個步驟[4]。（1）對原始的二進制信號進行編碼、調制得到符號序列，隨后進行分塊處理同時插入獨特字（UW）作為循環前綴，封裝成幀，其中循環前綴的長度由信道的多徑時延特性確定。（2）完整的傳輸幀經過信道，受到多徑效應及多普勒頻移的影響，在接收端進行時域同步和頻率同步處理。（3）去除循環前綴，通過FFT變換將接收信號變換到時域，并利用已知的訓練序列進行信道估計，得到信道的傳輸函數，并對信號進行頻域均衡，以消除信道對信號產生的影響。（4）繼續對均衡后的數據進行解調、譯碼，得到輸出端的輸出信息序列。

圖1 單載波頻域均衡系統原理

2 SC-FDE的傳輸幀結構

2.1 傳統幀結構

在移動通信中，數據在無線網絡中是以幀為單位進行傳輸的，根據IEEE802.1標準，SC-FDE系統中幀結構由獨特字（UW）序列和有效數據組成，根據插入獨特字的塊數不同分為單塊獨特字傳輸和多塊獨特字傳輸，連續傳輸和突發傳輸模式下幀結構如圖2—5所示[5]。

圖2 單塊字連續傳輸模式數據幀

圖3 單塊字突發傳輸模式數據幀

圖4 多塊字連續傳輸模式數據幀

圖5 多塊字突發傳輸模式數據幀

不同幀結構的帶寬利用率如表1所示[6]。由表1可知，在突發模式下，多塊獨特字傳輸幀帶寬利用率較低，單塊獨特字傳輸幀帶寬利用率明顯高于多塊獨特字傳輸幀。但由于單塊獨特字傳輸幀中每段負載數據前的UW序列既要用于克服碼間串擾，避免前一個幀對當前幀的干擾，又要作為導頻信號用于信道估計和頻域均衡，信道估計的準確度大大降低，系統誤碼率性能有較大的改善空間。

表1 不同幀結構帶寬利用率

吳輝等[7-8]提出可以將原有的信道估計序列設計為幾塊長度相等的子UW，通過利用子UW進行多次信道估計求平均值的方式提高信道估計的準確度[9]。在該種幀結構中，信道估計序列的總長度保持不變，因此不會造成另外的開銷，且UW的長度大于信道最大時延擴展，可以有效避免碼間串擾。論文[10]中進一步驗證了這一結論：16×4個UW序列組作為信道估計的導頻序列時比一個64位的Frank_zadoff序列時的信道沖擊響應估計精度高。但由于無線信道是時變信道，UW過短時，會因為點數太少而不足以檢測到整個信道的變化。且UW越短，頻域插值的效果也不理想，導致估計出的信道頻率響應與實際信道偏差過大，反而使得系統性能惡化。因此，應綜合考慮UW長度和估計次數之間的關系。

2.2 改進的傳輸幀結構

無人機無線通信系統為時變信道，且傳輸環境較為復雜，因此在實際應用中，多采用突發傳輸模式，以保證數據的傳輸質量[9]。突發傳輸模式下要想提高數據的傳輸效率，可以增加每幀的有效數據的長度。

在實際的工程應用中，傳輸幀結構應該至少滿足以下要求。一是循環前綴或獨特字的長度滿足功能要求；二是在保證性能的同時盡可能提高數據傳輸的效率；三是要結合實際盡量降低硬件實現的難度。

當總幀長較大時，便不能假設信道在一幀的持續時間內近似恒定，這將大大降低信道估計的準確性。除此之外，一幀信號的時長與系統在做頻域均衡之前做FFT變換的點數密切相關，信號的持續時間越長，FFT變換的點數越多，在工程實現過程中對硬件的性能要求越高[10]。基于以上分析，對傳統的傳輸幀進行了改進，如圖6—8所示。

圖6 系統幀結構

圖7 幀頭結構

圖8 數據部分結構

傳輸幀分為兩部分，包括幀頭和數據部分。幀頭包括循環前綴（CP）和同步序列，該部分的循環前綴主要用于抵制前一個數據傳輸幀對幀頭中同步序列的多徑干擾，防止同步序列受到碼間串擾（ISI）的影響。同步序列主要用于接收端對到達的信號進行時域同步和頻率同步，準確的時頻同步可以大大提高后續信道估計的精確度。數據部分采用了分塊傳輸的方式，將有效數據劃分為數據塊，并結合不同長度的獨特字UW序列組成子幀和小幀。數據部分共包含m個子幀，每個子幀包含子幀頭和n個小幀。子幀頭中包括獨特字UW、UW組、獨特字UW。第一個UW起到循環前綴的作用，有效消除幀頭中同步序列對UW組的串擾。UW組用于信道估計，由e個相等長度的UW序列組成，每個UW序列分別進行信道估計得到e個信道估計值，并對e個信道估計值求平均，作為最終的信道估計值。最后一個UW作為數據塊的循環前綴。小幀部分由n個FFT數據塊組成，每個FFT數據塊均包括有效數據和獨特字UW。

幀頭位置處的同步序列適用于突發模型，不僅可以應對短時間內相對高帶寬的數據傳輸，而且適用于無人機無線通信這種信道環境相對復雜的傳輸環境。因為新型數據傳輸幀的總幀長較長，信道在一幀的時長范圍內會發生無法預知的變化，于是將總幀劃分為m個子幀，保證在每個子幀的時長范圍內信道參數是近似不變的，即每個子幀的時長小于信道相干時間。因此，在每個子幀內做一次信道估計便可用于整個子幀的信道均衡。每個子幀中將數據部分分為3個小幀，可控制FFT變換的點數，降低硬件的實現難度。可以結合具體場景自主選擇適當長度的獨特字UW組用于信道估計，既可以使得信道估計更準確，又不會占用太多帶寬。將信道估計的結果作用于子幀的每個小幀中，與均衡器結合即可進行頻域均衡。

該幀的主要改進之處在于：（1）突發模式下幀頭同步序列進行一次同步運算可實現不同子幀的連續傳輸；（2）保證每個子幀傳輸時長小于信道相干時間，每個子幀中一組信道估計用于多次信道均衡；（3）采用UW組代替單一UW序列進行信道估計。

改進后的幀結構有以下優點：（1）增加了有效數據的長度，大大提高了有效數據的傳輸效率。（2）利用多個連續的UW序列進行信道估計后求平均，減少了噪聲和信道突發情況對系統性能的影響，提高了信道估計的精度。（3）在信道相干時間內使用相同的均衡系數對多組有效數據進行均衡，減少了不必要的信道估計。（4）有效控制了FFT變換的點數，降低了硬件實現的難度。

3 無人機通信應用場景仿真與實現

本文首先針對具體的應用場景進行仿真和分析，并在FPGA開發板上進行調試和板級驗證，通過Matlab仿真和FPGA硬件實現的結果對無人機新型圖傳系統的誤碼性能進行分析。仿真參數如下，通信距離100 m～100 km，最大飛行速度60 m/s，載波頻率5 GHz，最大傳輸速率4 Mbps。

無人機飛行過程中傳播路徑多為山地且環境較為復雜，COST207標準中的HT信道是針對蜂窩系統設計的無線信道，符合無人機信道的特點，故本次仿真采用HT信道模型，均方根時延約為5。由以上分析，本次設計中無人機無線信道的具體參數為[00.2 0.4 0.6 15 17.2]μs。

無人機信道為時變信道，工作過程中傳輸損耗和傳輸時延不斷隨周圍環境變化而變化，出現典型的多徑傳輸現象。為避免時延干擾和實現信道估計及信道均衡，要保證信道衰落足夠慢以至于可當成靜態信道，即在一個SC-FDE符號的時間內參數是恒定的，故幀結構中的SC-FDE符號子幀不能過長，需保證每個子幀的長度小于相干時間。最大多普勒頻移為1 000 Hz，則相干時間Tc為1 000μs。因此，按照最大傳輸速率4 Mbps，幀長T＜4 000 bit即可。

由上文可知，本次設計均方根時延σTm為5μs，故循環保護前綴的長度需滿足TCP＞σTm。由于在1 ms的時間內無須做重復的信道估計，因此每3個子幀做一次信道估計。在5G通信標準中，無線幀長是10 ms[11]，故選用了10個子幀，保證總幀長小于10 ms。基于以上，系統傳輸幀仿真參數如表2所示。

表2 數據傳輸幀的參數

噪聲為加性高斯白噪聲，同步采用park算法，均衡算法采用MMSE算法，調制方式為BPSK調制。使用的FPGA開發板是Xilinx公司的黑金AX7020。

新型傳輸模型下無人機圖傳系統的系統誤碼性能如圖9所示。從圖中可知，Matlab軟件仿真中，在多徑信道條件下，多普勒頻移為1 000 Hz時，信噪比為15 dB時，系統的誤碼率。與文獻[4，9]中多徑信道中的仿真結果對比可知，該系統具有一定的抗多徑干擾能力，性能較好。FPGA硬件實現時，系統的誤碼性能略差于Matlab仿真，相差1 dB左右，這是由于系統鏈路在FPGA板上實現時對浮點數進行定點量化計算，導致精度下降，但總體依然滿足通信系統鏈路誤碼性能的需求。

圖9 無人機新型傳輸系統誤碼率性能

4 結語

本文對單載波頻域均衡（SC-FDE）系統原理進行了分析，并針對無人機高速率數據圖傳傳輸系統建立了新型傳輸模型。無人機飛行環境復雜，通信需采用突發傳輸模式，然而傳統的突發傳輸模式無法兼顧額外開銷與系統誤碼率性能，故本文對數據傳輸幀結構進行改進，提出了一種適合遠程無人機圖傳的SC-FDE幀結構。該系統可實現突發模式下有效數據連續傳輸，同時幀結構中大大增加了有效數據的長度，提高了帶寬利用率和數據傳輸速率。利用連續的多個UW序列進行多次信道估計，取其平均值用于信道均衡，提高了信道估計的準確度。在信道的相干時間內，使用相同的估計值對多個FFT數據庫進行均衡，減少了不必要的信道估計，提高了系統的運算速度。該系統將數據分塊處理，減小了FFT的點數，降低了硬件實現難度。通過分析研究Matlab仿真和FPGA硬件實現結果可知，在多徑條件下，該系統能較好地抵抗多徑干擾和多普勒頻移，誤碼率性能較好。除此之外，該新型圖傳系統模型中的幀結構可應用于多種不同的無線通信環境，針對的應用場景可調節子幀和小幀的數量。