无人机高速数据链路抗多径技术*

张 玲

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

近年来，随着无人机产业的高速发展，特别是中国研制的军用无人机在中东地区作战时的精彩表现，中国产无人机在国际军火市场供不应求，无人机的研发成为国内的研究热点之一。随着无人机市场的不断拓展，要求无人机单次执行任务的时间拉长，应用环境呈现出多样化。无人机可能飞行在山丘、海洋、平原、森林、沙漠或者繁华的都市。这些应用场景由于地理环境不同，地形、地貌完全不一样，造成无线电波被反射甚至阻挡，直接影响无人机数据链路的通信质量。特别是在无人机起飞降落阶段，飞行器处于低仰角工作时，无线电波由于多次反射，信号质量进一步恶化，多径效应严重。应用环境的多样化对无人机测控链路的可靠性、安全性特别是克服严重的多径效应以适用更多的应用场景，提出了更高的要求[1]。

无人机测控链路分为上行链路和下行链路两条。上行链路用于传播低速遥控信息，下行链路用于传播有效载荷和遥测信息。随着无人机科技的发展，用户需求的提升，当前需要传送的载荷数据量越来越大，下行传输速率进一步提高。传输速率越高，多径效应对测控链路的影响更加严重。为了改善多径环境下下行高速数据链路的性能，测控系统除采用常规的快速AGC、高效信道编码、交织纠错和链路冗余等措施外，目前下行高速数据链路抗多径方案有单载波频域均衡技术（Single Carrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE）和正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）。OFDM带宽可扩展性强，频谱资源灵活分配，但对相位噪声和频率偏移敏感，且存在较高的峰均比（Peak to Average Power Ratio，PAPR），更适用于近距离通信，在远距离通信时优势不明显。SC-FDE直接在时域上调制信号，信号包络恒定，有低峰均比、低复杂度的优势，抗载波频偏和相位噪声的性能优于OFDM体制，在远距离通信时性能较OFDM体制更具优势。文献[2]从频偏、时偏的角度对比两种体制的误码率，分析得出SC-FDE的频率频偏忍受能力更强，OFDM对时间偏移忍受能力更强。文献[3]认为两种体制的性能非常接近，OFDM只有在低信噪比配合强编码（低码率）的情况下，性能比SC-FDE稍好，而SCFDE能够正常使用需要在均衡后的符号间干扰尽量消除的前提下。

本文通过对OFDM和SC-FDE通信体制的比较，分析了OFDM和SC-FDE体制的优缺点，提出通过优化SC-FDE的传输帧结构，以同一种SC-FDE传输体制适应无人机近场和远场两种信道条件，既提高系统抗多径性能，又降低了设备设计和工作的复杂程度。仿真结果表明，合理设计SC-FDE的帧结构，在近距离通信时能够达到与OFDM相当的抗多径性能，远距离通信时则可发挥SC-FDE的抗载波频偏和相位噪声优势。

1 多径的产生

在无人机起降或远距离飞行时，测控通信链路工作于低仰角状态，传输信号极易受到周围建筑物和地形地貌的影响。信道中除直射分量外，传输信号会出现较多的多径分量，严重时甚至无直射分量。恶劣环境引起的复杂信号叠加，会造成测控链路，特别是下行高速数据传输链路性能恶化，导致数据传输性能严重下降。当下行传输体制采用QPSK时，发射信号可表示为：

由于多径效应，叠加共n条多径信号，多径信号时延分别为τi（i=1,2,3,…,n），幅度分别为Ai（i=1,2,3,…,n），则到达接收机的信号可表示为：

式中，i=0是主径信号，i=1,2,3,…,n为多径信号。

2 传输体制分析

下行高速数据链路一般传输遥测信息和有效载荷信息，用户传输速率一般从几兆比特每秒到几百兆比特每秒不等。高速率的传输速率需求，信号对多径带来的信道衰落和码间干扰更加敏感。合理选择传输调制体制，能够改善多径环境下测控链路的性能。目前，接收机常用的信号处理方法有均衡和信道编码。当前，各类高效率信道编码技术均比较成熟，高速数据抗多径传输技术主要有单载波自适应均衡技术（SC-FDE）和正交频分复用技术（OFDM）两种[4-5]。

2.1 SC-FDE和OFDM结构比较

SC-FDE和OFDM系统具有相似的系统结构，如图1所示。

图1 SC-FDE与OFDM系统结构原理

OFDM和SC-FDE均是基于均衡、FFT和IFFT技术实现的，主要差异在IFFT模块的位置：OFDM中IFFT模块置于发送端，SC-FDE中IFFT模块置于接收端。

IFFT模块位置的不同，导致SC-FDE与OFDM系统发送端PAPR性能的不同，也造成了频域均衡性能的差异。SC-FDE系统中，每个数据符号都承载于整个频带上，接收端的IFFT使得各数据符号的均衡性能受整个频带信道影响。OFDM系统中，发送端的IFFT使得数据符号承载于不同的子载波上，接收端对各子载波独立均衡，各数据符号的均衡性能只受相应的子载波信道影响。

2.2 频域性能分析

当信道多径环境条件不同时，SC-FDE和OFDM由于算法结构不同，会呈现不同的性能状态。

信道条件一般恶劣，信道频域上将出现明显衰落，但衰落深度不大。SC-FDE部分子载波的均衡性能较差，经过IFFT的扩展，部分子载波上的噪声由整个数据符号块分担。OFDM部分子载波承载数据符号将受信道衰落影响，此时系统性能恶化严重。但是，如果在系统中引入编译码处理，那么由于频域衰落产生的随机误码将得以缓解，系统性能得以提升。此种信道条件下，SC-FDE和OFDM性能相当。

信道条件中等恶劣，那么信道频域上将出现深衰落，其分布较分散且占据频带较窄。SC-FDE部分子载波的均衡性能恶化严重，经过IFFT的扩展，部分子载波上的噪声扩散到整个数据符号块。OFDM部分子载波承载数据符号将无法恢复，此时系统性能恶化严重。但是，如果在系统中引入编译码处理，那么由于频域深衰落产生的随机误码将得以消除，系统性能大大提升。此种信道条件下，OFDM更优。

信道条件特别恶劣，那么信道频域上的深衰落分布将比较集中且占据频带较宽。SC-FDE大量子载波均衡性能恶化严重，但是经过IFFT的扩展后，单个数据符号受到的影响将减弱。OFDM大量子载波承载数据符号无法恢复，即使引入编译码，系统性能提升有限。此种信道条件下，SC-FDE更优。

2.3 时域性能分析

为了获得更好的接收机性能，需要对通信系统所处的信道环境进行估计。信道状态信息一般通过已知导引符号的检测得到。导引符号的插入密度直接影响信道估计精度，插入依据是信道的相干带宽和相干时间[6]。

OFDM符号在时间和频率上分布，因而可以在时频二维进行导引符号插入。常见的导引（导频）插入方式如图2所示。

图2 常见导引（导频）插入方式

SC-FDE发送端完全在时域进行处理，所以导引插入方式只能是块状插入。当SC-FDE采用块状插入方式时，导引在时域上的插入密度受限于数据块大小，即时域导引间隔至少为1个数据块。同时，为了保证信道状态在信道估计过程中不变，时域导引间隔必须小于信道相干时间。因此，SC-FDE的导引插入灵活性差于OFDM。当信道相干时间较小时，为保证相当的性能，SC-FDE的导引插入开销将远大于OFDM。

2.4 传输体制选择

由于SC-FDE和OFDM导引插入方式的差别，在同等信道条件下，SC-FDE导引插入的开销会高于OFDM。但是，在近场条件下，开销引入的门限损失在高信噪比情况下可忽略不计。在近场仍采用SC-FDE的传输方式还具有以下优势：不需要进行链路工作模式切换，或仅需要进行参数配置，避免了体制更新带来的信号中断，同时降低了设备设计和工作时的复杂程度，增加了可靠性；相较OFDM，SC-FDE峰均比较低，避免了较大的功率回退、复杂的峰均比抑制算法或预失真技术。SCFDE结合OFDM系统和单载波时域均衡系统的优点，在复杂度和性能的折中方面优于前两者。综合考量宽带高速数据链中接收机复杂度和应用场景需求，最终选择单载波频域均衡作为实现方法。

3 单载波频域均衡技术

单载波频域均衡（SC-FDE）算法在波形设计时采用单载波调制。调制端对数据采用分块传输和加入循环前缀的波形结构。接收端对信号进行FFT变换到频域后，在频域上完成信道估计算法和均衡算法[7]。

如图3所示，信号的发送端对原始数据编码后，对数据部分进行交织、映射，同时生成PN前导和UW序列，在成帧单元中插入循环前缀（Cycle Prefix，CP），信道估计字（Unique Word，UW），再进行成型滤波和数字上变频，最后由DAC转换为模拟信号发送出去。

图3 调制单元总体结构

如图4所示，接收端对信号带通滤波，由ADC转为数字信号；信号经过数字下变频、匹配滤波后进行内插处理，然后依次送入同步、均衡等模块送入译码器，通过迭代均衡得到输出结果。

图4 解调单元总体结构

4 帧结构设计

由图2信号的发送流程可见，单载波频域均衡技术与一般的单载波调制技术相比，多一个数据成帧的过程[8]。

SC-FDE算法的数据帧结构包括训练序列段、TFW段和数据段。训练序列段用于承载训练序列符号，TFW段用于承载传输控制字符号，数据段用于承载业务数据符号。其中，数据段包括N个“导引+数据”基本单元，1个“导引+数据”基本单元包括1个导引块和1个数据块。帧结构框架如图5所示。

图5 帧结构框架

在成帧模块设计时，需要在帧结构中定时插入循环前缀CP。CP的内容是定时取每段有效数据的最后一截放在一整个数据块的最前面，作用是用来吸收前一个数据块的多径干扰。设计CP时，具体长度需要根据具体无人机飞行的场景确定。不同的场景选择不同的CP长度。

UW序列即特殊字，在每一个数据块的最前面加入UW序列，主要作用是用于估计信道响应。为保证UW估计得到的信道特征与DATA部分的信道特征一致，需要保证在两次信道估计间隔内，信道没有明显变化。一般认为，在信道相干时间内，信道特征基本保持不变。信道相干时间一般与信道多普勒扩展成倒数关系，通常认为信道相干时间约等于信道多普勒扩展倒数的1/10。

帧结构的设计直接关系信道估计能力、抗多径的性能及系统的开销。数据帧结构中各项参数的选取，需要依据对工作场景信道环境的分析，建立合理的信道模型进行确定。

5 系统仿真

5.1 信道模型

地空信道环境接收的合成信号包括三类信号：第一项是直射波分量；第二项为地面反射波，其特性与地面环境、地面介质特性、入射角和极化方向等因素有关；第三项是传输路径上附近的山脉、丘陵、建筑等地貌造成的反射波或多次反射波。

无人机全飞行包线中，根据以上三类信号在合成信号中的占比，可以归为两种：近距离起降阶段的信道模型和远距离任务阶段的信道模型。在远距离任务阶段的信道模型中，第三项信号的能量相对很小，建立信道模型时可以将其等效为一个随机噪声，因此空地信道常近似成一个典型的两径莱斯信道。近距离起降阶段，收发两端距离较近，传输路径上附近反射体造成的反射波甚至多次反射波能量不可忽略（多径数量较多），同时这类反射波多径时延也远远高于地面反射波，其多径信道甚至可能恶化到瑞利信道。

根据链路在近距离起降阶段和远距离任务阶段的实际工作场景，结合无人机平台空间位置、运动速度的不同，梳理不同信道类别，并参考移动通信3GPP TS 36.104 v8协议定义选取信道模型参数，如表1所示。

5.2 仿真结果

信道模型1对应无人机起降阶段近距离工作场景，多径环境比较恶劣，合成信号中不可忽略的多径分量数量多，多径分量时延长，多径分量能量高（甚至高于主径）。信道模型2对应无人机任务阶段远距离飞行场景，此时地空链路仰角很低，但距离远，传输路径上附近反射体反射信号弱，可以近似成一个典型的两径莱斯信道，多径分量少，多径分量时延短，多径分量能量较低，多径环境较好。

表1 信道参数

对SC-FDE和OFDM在近场信道条件下（信道1 ETU模型）进行误码率仿真，得到如图6所示的仿真图。

图6 近场信道条件下SC-FDE和OFDM性能对比

对SC-FDE和OFDM在远场信道条件下（信道2）进行误码率仿真，得到如图7所示的仿真图。

图7 远场信道条件下SC-FDE和OFDM性能对比

分析仿真结果，可以得出以下结论：

（1）近场条件下复杂多径信道下，SC-FDE可以正常解调，OFDM解调性能相比SC-FDE高了约0.2 dB，表明SC-FDE和OFDM在近场条件下性能基本一致。

（2）由于SC-FDE和OFDM导引插入方式的差别，在同等信道条件下，SC-FDE导引插入的开销会高于OFDM，但近场条件下，开销引入的门限损失在高信噪比情况下可忽略不计。

（3）近场仍采用SC-FDE的方式可以带来的好处包括：不需要进行链路切换，或仅需要进行参数重配，避免了体制更新带来的信号中断；相较OFDM，SC-FDE峰均比较低，避免了较大的功率回退、复杂的峰均比抑制算法或预失真技术。

6 结 语

无人机高速数据链路负责无人机飞行时下行遥测信息和高速载荷的传输，当无人机起飞降落阶段，无人机处于低仰角状态，下行链路信号受到严重的多径干扰。本文以SC-FDE和OFDM体制优缺点分析作为切入点，详细阐述了SC-FDE的算法。仿真表明，在近场复杂多径信道条件下，SC-FDE抗多径能力与OFDM性能基本相当；远场条件下，能发挥SC-FDE抗载波频偏和相位噪声的优势。可见，合理选择SC-FDE帧结构参数，远场与近场均采用SC-FDE传输体制的方案，不需要进行链路工作模式切换，降低了设备设计和工作时的复杂程度，增加了可靠性，易于工程实现。