一种地空数据链通信系统的无线信道分析方法

陈 婷 郑 昱 洪 伟

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

地空数据链通信系统主要用于空中端机和地面控制站之间的数据通信，是保证飞机飞行以及完成遥控任务的重要手段。无线通信信道是地空数据链通信系统的重要通道，由于地空数据链通信系统主要工作在频段高、运动速度快、多径扩展大为主要特征的复杂衰落无线信道中，因此无线信道的信道特性是影响地空数据链数据传输质量的关键因素。

影响无线信道传播的因素包括地形或者障碍物等引起的阴影效应、通信节点的移动随机性而引入的远近效应、复杂地形和地物环境引起的多径效应，以及由于通信节点高速运动而引起的多普勒效应。以上这些传播方式及影响无线信道传播的因素在很大程度上影响了到达接收端的信号电平强度，因而造成了无线信号在无线信道中的衰落。基于以上分析，本文将对无线信道的传输特性进行了研究和仿真分析，为地空数据链通信系统建立合适的无线信道衰落模型，为系统的链路设计提供支撑。

1 无线信道衰落模型设计

1.1 无线信道衰落

在无线通信系统中，电波的主要传播方式为直射、反射、绕射和散射。基于电波的传播机制，地空数据链通信系统的幅度衰落可以分为大尺度衰落和小尺度衰落这两种类型。

大尺度衰落是指路径传输损耗和衰落发生的传输距离远远大于无线电信号的波长，前者反映在宏观大范围一般可达千米量级，后者反映在中等范围内一般为数百米波长量级的。慢衰落损耗一般为无线电波传播过程中所特有的，服从对数正态分布，其变化速度比传送信息率要慢[1]。小尺度衰落又称快衰落，反映的是无线接收信号电平平均值的起伏变化趋势是在微观小范围，一般为数十米波长以下量级，其电平幅度一般服从莱斯分布或瑞利分布，变化速度比慢衰落快。小尺度衰落主要由信号的多普勒扩展以及多径传播引起。

1.2 适用于地空数据链通信系统的无线信道模型

常用的无线信道模型包括自由空间传播损耗模型以及经验模型。自由空间传播损耗模型是无线电波传播的最简单的模型。自由空间即指在均匀的、理想的、无任何阻挡、多径的介质中传播，单纯地由电磁波能量扩散而引起传播损耗的空间。而在实际大气环境中，理想的无线传播条件是不存在的，实际的传输损耗要远大于自由空间传输损耗，为描述这种情况，研究机构根据大量的实地测量的数据推演除了一些经验模型，其中最常用的有Hata模型、Okumura模型等。

在地空数据链通信系统的应用场景中，根据地面控制站与空中端机的连线与水平线的夹角，可将通信区域范围划分为以下三种：将夹角大于等于30°的区域划为高仰角区，夹角在10°和30°中间的区域划为中仰角区，夹角小于10°的区域划为低仰角区。

在高仰角区域，信道质量较好，可认为其服从高斯分布，可用自由空间传输损耗模型进行设计计算。

设地空数据链通信系统发射端的发射功率为Pt，天线增益为Gt，接收天线的有效接收面积为Ar，则在自由空间中，当发射天线和接收天线相距D时，接收天线接收到的回波功率Pr为：

(1)

由天线理论得知，天线增益和有效接收面积之间满足以下关系：

(2)

式(2)中，Gr表示接收天线的增益，λ表示地空数据链通信系统的工作波长。

当Gt=Gr=1时，自由空间的路径损失可写为：

(3)

式(3)中，F是为以MHz为单位的系统工作频率，D单位为km。

在中仰角区域，发射天线和接收天线之间存在一条直视波分量，到达接收天线端的接收信号则是由直视波分量和其余多径分量叠加而成的。该多径分量的角度和幅度随机分布并且各分量具有统计独立性，服从莱斯分布。一般认为，中仰角区域的多径分量到达接收天线端接近总分量的一半，等效于接收端天线的增益减少约3dB。

在低仰角区，由于地形和地物环境比较复杂，发射和接收天线之间由于反射、散射以及绕射引起的路径数较多，此时多径分量大于直射分量，信道的冲激响应可看作一个复高斯过程，其包络复合瑞利分布。由于低仰角区域通信的随机性和多变性，低仰角区域的信道模型无法直接用理论公式进行模拟，可采用经验模型，比如Okuruma模型进行计算。

Okumura模型是根据CCIR推荐的一种电波传播实际衰减计算模式。该模型是参考准平坦地形的传播路径损耗，对其他的一些地形条件因素分别以校正因子进行修正得到的基本通用模型。

Okumura模型的基本传输损耗的计算公式如下：

(4)

式(4)中，F为工作频率(单位：MHz)；D为发送端和接收端天线之间的距离(单位：km)；hb为地面控制站天线高度(单位：m)；hm为空中端机天线高度(单位：m)；a(hm)为移动台天线高度校正因子。a(hm)由式(5)计算：

(5)

2 无线信道仿真

对无线信道的仿真，重点是对无线链路进行运算而得到合理的信道链路余量。无线链路运算，是指在一个通信系统中，对发送端、通信链路、无线传播环境和接收端中所有增益和衰减的核算。其通常用来估算信号能够成功从发射端传送到接收端之间的最远距离。信道链路余量则是对通信系统中上下行信号传播途径中各种影响因素进行考察后，获得保持一定通信质量下减去链路所允许的最大传播损耗而剩余的信道余量。

本节将给出在不同通信场景下，计算某地空数据链通信系统的链路余量的过程方法，从而为本通信系统的设计提供支撑，同时为其他通信系统的链路余量计算及设计提供参考。

图2 信道链路余量计算框图

2.1 仿真参数设置

本文所仿真的地空数据链通信系统由地面控制站和空中端机组成，地面控制站固定不动，空间端机随空中平台在空中飞行。该通信系统的参数如表1所示。

表1 本文所仿真的通信系统的参数

工作频率5GHz空中端机接收机带宽10Mbps地面控制站发射功率40W空中端机接收机噪声系数6dB地面控制站天线增益6dB空中端机天线增益6dB系统损耗(包括馈线、器件、基带处理以及天线损耗等)6dB

2.2 仿真分析

下面将分别计算在不同地形条件下、不同的通信区域下系统的最大通信距离。

通过上面的分析，可以看出，在高仰角条件下，我们可以利用自由空间传输损耗模型计算该地空数据链通信系统的链路余量，结果如图3所示。

从图3中可以看出，随着通信距离的增加，系统链路余量呈指数衰减，在47.8km处链路余量衰减为0。即在高仰角条件下，系统的最远通信距离为47.8km。若系统的通信距离要求为25km，那么，此时高仰角下该数据链通信系统的链路余量为5.6dB。

图3 高仰角条件下链路余量仿真结果

在中仰角条件下，由于直径传输分量大约总接收分量的50%，因此，系统的链路余量比高仰角条件下减少约3dB。图4为中仰角条件下系统的链路余量随距离的变化图。

经分析得出，在中仰角条件下，该系统的最远通信距离为33.8km。在相同通信距离25km的条件下，该数据链通信系统的链路余量为2.6dB。

在低仰角条件下，由于地形及地物环境复杂，无法利用自由空间传输模型进行模拟分析，本文采用经验模型Okumura模型进行仿真分析。图5为空中端机天线高度为200m时，在城市、郊区、开阔地、50m丘陵起伏、200m丘陵起伏等五种地形条件下，系统的链路余量仿真结果(设地面端机天线高度3.5m)。

图4 中仰角条件下链路余量仿真结果

图5 低仰角条件下链路余量仿真结果

经分析可得出，在城市、郊区、200m丘陵起伏、50m丘陵起伏以及开阔地地形条件，空中端机天线高度为200m时，该地空数据链通信系统的最远通信距离如表2所示。在低仰角条件下的开阔地，该系统的最远通信距离17.2km。随着地形条件的遮挡越来越严重，该通信系统的链路余量逐渐减少，并且系统的链路余量远小于高仰角和中仰角条件下的链路余量值。

表2 低仰角条件下无线通信系统的最远通信距离

城市郊区200m丘陵50m丘陵开阔地空中端机天线高度200m2.0km4.7km7.1km11km17.2km

3 结束语

通过针对某地空数据链通信系统的仿真分析结果进行分析得出 ，在低仰角通信场景下，信道衰减远大于高仰角和中仰角通信场景。因此在地空数据链通信系统的链路设计中，应该充分考虑低仰角带来的信道衰减，为系统预留出充分的链路余量来保证通信质量在不同通信场景下不受太大影响。

本文通过对地空数据链通信系统在高中低仰角下工作的无线传播环境特点的研究，给出了在地空数据链通信系统中，适用于不同通信区域的合适的地空无线信道模型；同时给出了一种针对地空数据链通信系统适用在不同通信场景下的链路余量的仿真分析方法。通过对仿真模型的计算分析，有效地利用无线信道的传输潜力，提高地空数据链通信的可靠性，并且为深入研究地空数据链通信系统的相关技术提供了评估基础和平台。