提高地空数据传输系统可用度方法研究

杨晓飞，张小龙

(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

可用度是数据传输系统保障性的重要参数之一，是指在规定的时间和条件内，系统能够完成规定数据传输功能的概率，在实际工程中，可定义为规定时间和条件内，系统实际正确传输的数据量占总数据量的百分比值。可用度是对系统可工作能力的综合描述。

在无人机地空无线电信号传输过程中，由于大气折射、地面反射或地物绕射的影响，到达接收天线的电波有多个路径且相位不一致，产生多径衰落现象，造成数据传输质量下降，使系统可用度大大降低。

传统的无线数据传输信道抗多径、抗衰落方法有扩频、分集以及纠错编码等，在满足传输质量要求、追求易于实现的设计理念下，采用ARQ断链数据重传方案，在不明显增加系统设备量和成本的情况下，可显著提高无人机地空数据传输系统的通信可用度。

1 需求分析

当前的大多数无人机地空数据传输系统，上行链路传输信息主要有载机飞行控制和任务装订数据，下行主要有载机遥测参数及机载平台的业务数据(一般为图像视频类信息)。其中的遥控与遥测数据都是实时性数据，信息每帧更新，链路通信短时间的中断后，一旦恢复，接收端马上可以获得最新的数据，并且上行控制指令多采用高冗余度的大数判决机制，上行信号采用高抗干扰的扩频体制，传输可用度满足使用要求;而下行图像信息帧之间有较多的重复性冗余信息，短时间的链路通信中断，基本并不影响信息的可用性。统计表明，在无人机地空数据传输系统中，当收发链路电平衰落裕度为10 dB时，地空数据传输通信可用度在90%以上［1］。

随着未来陆海空天一体化通信体系的发展，无人机系统将成为体系中的重要节点和信息传输通道，承载情报、指挥与控制等信息的传输任务，数据传输的带宽需求将成倍增加，多径效应等各种原因引起的信号衰落也会更加严重，任何时间地空数据传输链路出现任何形式的中断，都可能会破坏数据信息的完整性，90%的通信可用度显然不可能满足数据信息的传输要求。因此，有效提高无人机地空数据传输系统的可用度势在必行。

2 地空数传信道衰落分析

为了提高无人机地空数据传输系统的可用度，有必要对无人机地空数据传输链路信号衰落和传输中断的原因进行分析。

2.1 多径衰落

无人机地空数据传输属于微波通信过程，在实际通信过程中，如图1所示，发射天线发送的信号经过大气折射或散射、地面反射或地物绕射等的传播路径后，到达接收端的信号往往是多个路径信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落。多径衰落会降低接收机可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变［2－4］，甚至造成解调器输出发生大量差错，以至完全不能通信。

图1 无人机地空数据传输示意

为建立稳定的无线链路，在无人机系统执行任务时，一般要求地面站天线与机载天线间必须满足无线电通视条件，二者间不能有任何明显的遮挡物。同时要求地面站选择在开阔地带，地面为土地或草地较好，尽量避免水泥等反射系数较高的硬化地面，周围一定范围内不要有明显遮挡或高大建筑物，以减少反射绕射等多径信号的产生。

依据工程经验及文献［5］的分析，在满足以上场地环境通视条件下，无人机地空数据传输信道可以简化为二径信道，即只考虑地面天线与机载天线之间的直达路径r1和电波通过地面反射后到达接收天线的路径r2。

2.2 机体遮挡引起的衰落

机载天线一般安装在飞机腹部，当飞机在空中做水平方向飞行时，机载天线与地面站天线通视效果最好，而当飞机做大角度爬升、下降、转弯或掉头时，机体均有可能对天线波束产生遮挡，引起传输信号的衰落，导致传输链路的瞬间中断或不稳定。衰落影响的时间与飞机爬升或下降的持续时间有关，转弯和掉头动作对信号传输的影响一般在数秒钟时间之内。

采用载机安装多副天线的措施，如在飞机左右两翼或机头、机尾安装2副或以上天线，当飞机飞行姿态变化时，通过切换天线可以较有效地规避机体遮挡引起的衰落影响。

2.3 机体反射吸收引起的衰落

早期无人机系统机体材料多为玻璃钢、碳纤维或环氧树脂等非金属材料，随着无人机数据传输系统向有人机或有人机改造成的无人机上的推广使用，由于有人机机体多为金属材料，金属机体一方面影响了机载天线的辐射方向图;另一方面对地空无线信号的反射干扰信号也大大增强，以致影响到传输链路通信质量。因此，无人机的金属机体的影响也已成为地空数据传输过程中必须考虑的因素。这就要求在机载天线的设计中有针对性的考虑金属机体表面的具体情况，合理选取机载天线的安装位置和高度，并将机体与机载天线组合在一起进行天线设计，同时也要在系统数据传输体制上采用更有效的抗衰落措施。

2.4 其他因素的影响

由于无人机地空数据传输系统机载收发设备处于高速移动状态，接收到的信号由于多普勒效应会产生严重的失真;气象条件等的变化也都影响信号的传播，使接收到的信号幅度和相位发生变化;另外，周围环境中的各种无线电波也会对信号传输构成不可忽视的危害［6］。这些都给无人机地空数据传输带来了不利的影响。

依据工程经验及文献［5］的理论计算得出:各种原因引起的信号深衰落幅度一般在10～20 dB，严重时可达30 dB，造成的传输链路中断时间从秒级到数十秒级时间长度不等，95%以上的中断持续时间在数秒钟时间之内，其总中断时间占所有中断时间的90%左右，持续时间在数十秒钟以上的中断属于低概率事件。

3 传统抗衰落方法

目前，无线数据传输信道抗多径、抗衰落的主要方法有扩频、分集以及前向纠错等技术体制，下面对这些方法在无人机地空数据传输系统中应用的可行性进行分析。

3.1 扩频与Rake接收技术

Rake接收与扩频技术结合主要用于当不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片时延，则可在接收端将不同的波束区别开来，将这些不同的波束分别经过不同的延迟线，对齐后合并在一起，把原来的干扰信号变成有用信号。Rake接收技术是一种隐分集技术，也叫路径分集技术。

无人机在执行数据传输任务时，一般处于巡航飞行状态，依据前文所述地空二径模型及文献［7，8］，此时地空数据传输系统中具有影响的多径时延一般在几纳秒量级，而目前大多扩频码速率在100 Mcps以下，多径时延小于一个扩频伪码码片的时间，因此，采用Rake接收技术不适用于解决无人机地空数据传输系统的多径问题。

3.2 显分集技术

常见的显分集技术包括空间分集和频率分集等，是一项主要的抗衰落技术，可以明显提高多径衰落信道传输下的可用度。依据文献［5］可以看出，地空数据传输信道的深衰落强度随着系统工作频率、地空收发天线距离和相对高度的不同而变化，分集接收的效益是显而易见的。但是，采用这类显分集技术将会成倍增加系统设备量与成本，这基本不符合无人机系统低成本的使用需求。因此，空间分集和频率分集技术在轻便型无人机地空数据传输系统中不宜采用。

3.3 前向纠错技术(FEC)

FEC的优点是不需要反馈信道就能有效地纠正传输错误，缺点是当接收信号信噪比衰落到译码门限以下时，会出现纠错能力丧失甚至失步断链的结果，因此FEC最好配合分集一起使用［9］。

可见，以上抗衰落方法在无人机地空数据传输系统中并不适用。在实际工作中，通过对一种能够提高数据传输可靠性的ARQ技术的研究发现，无人机地空数据传输系统完全具备了ARQ技术的应用条件，对ARQ方式加以改进后的ARQ断链重传机制可能成为高性价比的地空数据传输抗衰落手段。

4 ARQ断链重传技术及工程应用

4.1 ARQ技术

ARQ是一种可有效地提高数据传输可靠性的技术。ARQ通信系统首先在发送端对信息进行编码，编码后的码组具有很强的检错能力，通过前向信道送到接收端。在接收端进行检错，如果没有检出错误，则送给用户，同时，通过反向信道向发送端返回一个信号ACK，通知对方此码组已经正确接收。如果检出错误，则通过反向信道返回一个NAK，请求对方把刚才的码组重传一次，这样持续进行下去直到正确接收为止。传统ARQ有3种典型技术:停止等待方式(SW-ARQ)、回退N步方式(GBN-ARQ)以及选择重传方式(SR-ARQ)［10］。

应用ARQ方式的前提条件是必须有一条从收至发的反馈信道，并要求信源产生信息的速率可以控制(或有大容量的信源存储器)，整个通信系统的收、发两端必须互相配合，密切协作。

最早ARQ技术研究者认为，GBN及SR-ARQ在有线环境下工作的相当好，但它们并不适合无线系统:首先，无线高误码信道以及相对不足的控制带宽将不能满足过多确认帧的传输需求;此外，这2种方法中所使用的捎带技术同样不适合无线信道。总而言之，由于无线信道质量较差，大量的用于传输错误帧的确认信息占用传输带宽，导致传输效率变低。因此，在无线数据通信系统特别是无人机地空数据传输系统中，需要针对性的研究定制的自动请求重传机制。

4.2 ARQ断链重传方案

在系统前期试验中，下传数据丢包率接近5%，超出了1%的要求。分析发现，系统实际下传数据信息有一半以上时间处于空闲状态，这就给ARQ重传提供了足够时间。针对实际需求，对已满足使用需求的遥控、遥测及图像信息不作处理，对有高可靠度要求的下行数据信息特别设计了ARQ断链重传方案。

ARQ断链重传方案相当于一个改进的SR-ARQ，其基本原理是:发送端连续发送数据，当接收端接收数据正确时，不再返回ACK;当接收端发现数据错误或丢包时，发送重传请求NAK，发送端收到NAK后，插入所需重发数据;如果超过一定时间后，重发数据仍未正确接收，系统将放弃重传，继续传输后续的数据。原理并不复杂，但是由于地空数传系统更大的特殊性在于上下行链路都不是在任何时刻都鲁棒可靠的数传通道，方案的设计与实施经历了一个试验改进再试验再改进的过程。

ARQ断链重传机制重点旨在解决数秒时间内或者一个数据更新周期内的链路中断引起的数据丢失问题，更长时间的中断，由于丢失的数据大多或已失去时效性，其影响因此无法完全消除，重传也就失去价值。

4.3 方案设计

地空数据传输系统相当于整个无人机数据信息的一个传输通道，如图2所示，收发两端分别与数据用户和数据源通过有线网络连接，要求在与数据用户进行数据交换时数据包顺序不能颠倒。

图2 系统数据传输流程示意

ARQ断链重传工作流程简述如下:机载数传发送终端将从数据源收到的待传数据信息分组、打包并增加包序号标识。传输过程一开始，发送端按包序号顺序发送并存储，地面接收端按顺序接收，然后按顺序向数据用户通过有线网络进行转发。当发现某包或某些包(统称丢失包)没有收到或接收错误时，按以下程序进行处理:① 继续接收新的数据包并缓存;②转发完丢失包之前的数据包后，停止转发;③同时通过上行链路发送请求重传信息，信息中包含需重传数据包的序号;④ 启动计时，在未收到丢失包前，继续定时请求重传，当时间超出设定值时，丢失包仍未收到，即放弃请求，转而继续转发丢失包后面的数据。

发送端收到请求重传信息后，先继续发送完当前正在发送的数据包，即插入发送地面请求的数据包。断链前后数据发送流程示意如图3所示。

图3 系统ARQ断链重传流程示意

在ARQ断链重传机制中，有几个关键参数需要针对系统特点进行设定:

①数据包长度L:包长度的取值会影响到信道利用率，但也与信道的可靠度有关。每一个数据包都有一个帧头，帧头的存在会占用一定信道资源，包长增加可以提高传输效率;但信道不可靠时，包长增加导致错误概率增加，引起重传机会增加，最终效率下降;综上所述，应该有一个最佳长度范围，一般包长取为1 000～2 000 bit较佳。

②超时丢弃时间Tf:系统下传数据有一定的更新周期，据此可以设定一个重传超时放弃的时间。Tf的取值直接决定了系统数据传输的丢包率，如果Tf足够大，理论上可以将丢包率降低为零，但这样数据传输时延也会很大，不符合一般数传系统的要求。超时丢弃时间一般取为10 s左右或不大于数据更新周期较佳。

③重传请求时间间隔Tr:由于系统信息具有上下行传输延时(t1、t2)和系统处理延时(t3)，发出重传请求后，如果仍未收到所需数据，必须在一定时间间隔后才能重新发送请求，否则会造成发送端不必要的重复发送。一般取略大于(t1+t2+t3)较佳。

④缓存容量C:根据系统存储资源，缓存容量最大可以设置为能够存储系统下传数据一个更新周期内的数据。设数据传输码速率为R，则一般应满足下式较佳。

需要说明的是，验证ARQ断链重传机制所使用的无人机平台为有人机改造而成，机载数传设备配备有一台机载计算机，这给重传机制提供了足够的运算和存储资源，目前在大多数无人机上尚不具备这些资源，但可以尝试通过将一些软件程序硬件化、增加必要存储器来实现。

4.4 工程应用

实际工程中，系统链路电平衰落裕度为15 dB，根据经验，地空数据传输通信可用度应在90%以上。设定ARQ断链重传机制中数据包长度为256 bytes，即2 048 bit，超时丢弃时间为12 s，重传请求时间间隔为240 ms，缓存容量空间不限。

按前文所述，在因各种衰落原因引起的链路中断中，时间在数秒内的中断时间占到所有中断时间的90%左右，当超时丢弃时间设为12 s时，这些中断引起的丢包问题基本可以解决。也就是说，如果原系统数据传输可用度是90%以上的话，采用ARQ断链重传机制后可以达到99%以上，此时系统数据传输的最大时延为12 s左右。

测试表明，采用ARQ断链重传机制后，丢包率从5%降低到了4‰，实现了丢包率不大于1%的系统要求。表1和表2分别为工程中采用ARQ断链重传机制前后数据传输情况的实测数值。可以看出，实测数据基本符合理论分析数值，平均丢包率分别为4.9%和0.37%。

表1 采用重传机制前试验数据

表2 采用重传机制后试验数据

5 结束语

在未来无人机系统的发展中，数据传输的功能将发挥越来越重要的作用，有效提高地空数据传输系统的通信可用度是一个必须要解决的问题。在工程应用中，通过对实时性强、低可靠度要求的数据传输不作处理，对允许低时延、高可靠度要求的数据采用ARQ断链重传机制后，系统设备量和成本无明显增加，但系统的通信可用度得到了显著提高，以较低成本构建了一条有时延但高可信、鲁棒的地空数据传输链路。

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