多旋翼无人机搭载同频直放站的技术实现

赵 晨，童 进，何君燕

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

0 引 言

多旋翼无人机具有易携带、展开撤收方便等特点，常作为天线架高的通信载荷平台，以实现无线通信的远距离覆盖[1]。在其具体实现中，一般采用地面系留、移频直放站和同频直放站等方式。

1）地面系留方式多为搭载基站、RRU、AAU 等无线通信设备，多旋翼无人机可得到地面的电源供应，对地面设施的要求较多，无人机留空时间较长，由于电源线与光纤数据线重量随着系留高度的增加而增长[2]，因此系留无人机的工作高度与其搭载能力有关。

2）多旋翼无人机搭载移频直放站可以上升到较高的高度，从而实现复杂地形下的有效覆盖[3]，但移频直放站需要无人机与地面之间的回传频率，在频管较严场合或跳频工作场景下应用受限。

3）多旋翼无人机搭载同频直放站无需额外频点配置，对地面设施支持需求较少，并可支持跳频系统，但同频直放站存在的自激问题需要得到解决。

多旋翼无人机搭载同频直放站可实现地面天线与空中天线的双重覆盖[4]，地面天线就近覆盖，空中天线远距覆盖，但由于存在自激问题，目前应用非常少。本文探讨了多旋翼无人机搭载同频直放站的技术实现[5]。

1 同频直放站天线

多旋翼无人机搭载同频直放站如图1 所示。

图1 多旋翼无人机搭载同频直放站示意图

图1 中，多旋翼无人机的2 根旋臂上安装有远端覆盖天线，机腹下安装对地回传天线。

1）远端覆盖链路采用收发天线分离方式[6]，利用天线间的空间隔离度以减轻收发天线合路带来的开销，远端覆盖Tx 天线与Rx 天线之间的空间隔离度一般在25 dB 左右。该天线分离安装方式适用于FDD 和TDD两种应用场景。

FDD 制式：远端覆盖收发链路隔离度达到105 dB为好，由于收发天线间存在着空间隔离，故其前端腔体滤波器隔离度可设计为80 dB，大大减轻了多旋翼无人机通信载荷的体积重量。

TDD 制式：TDD 系统收发链路共用天线时，天线输入匹配需较好，否则发射机关断功率会对接收机接收性能造成影响，由于收发链路存在着空间隔离，降低了对天线输入匹配要求，有利于对宽带信号的支持。

2）对地回传链路的收发信号能量较小且相差不大，对收发链路隔离度要求不高，因此采用收发天线合路方式。

与移频直放站不同，同频直放站收发为同一频点[7]，同频收发天线之间存在耦合问题，即发端口信号通过各种途径耦合入收端口，存在自激倾向。

当同频直放站增益大于收发天线隔离度时就会产生自激。本文中，远端覆盖Tx 链路与对地回传Rx 链路之间、对地回传Tx 链路与远端覆盖Rx 链路之间由于隔离度不够也会产生自激现象[8]。自激导致信号畸变，严重影响通信质量，而当发端口功放无保护措施时，则可能致使功放烧毁。提高同频收发天线之间的隔离度[9]是需要重点关注的。

远端覆盖天线的作用是广域覆盖尽可能远的通信节点，对地回传天线的作用是就近对地回传，两者方向图如图2 所示。

图2 远端覆盖天线与对地回传天线方向图

从图2a）可以看到，远端覆盖天线方向图呈水平扁圆状以实现广域远端覆盖，天线可采用鞭状天线；图2b）的对地回传天线方向图呈对下窄角度以实现对地回传功能，天线可采用平板天线。

远端覆盖天线与对地回传天线之间有多旋翼无人机壳体、螺旋桨等多重物理隔离，且两个天线的方向图零点或低增益方向互为对准，远端覆盖天线与对地回传天线的隔离度可达到60 dB。虽然该隔离度已较大，但还是无法满足同频直放站的隔离度要求。

为了实现远端覆盖天线与对地回传天线之间更大的隔离度，本文进一步引入同频直放站的自激抵消（Interference Cancellation System, ICS）算法[10]。

2 自激抵消

在同频直放站工程实现中，最常用、简便有效的方法是设置铁丝隔离网以增加收发端口之间的隔离度，但在无人机平台上受其气动外形的限制无法使用。采用自激抵消算法是增加同频直放站收发端口隔离度的一个有效方法[11]。

设同频直放站接收远端信号为s(t)，接收端输入信号为x(t)，发射端输出信号为y(t)，发射端输出信号通过传递函数h(t)耦合入接收天线，如图3 所示。

图3 同频直放站信号耦合示意图

从图3 可以看到，同频直放站接收端信号x(t)可表示为：

式中：s(t)为远端发送过来的信号；y(t)*h(t)为同频直放站发射端耦合到接收端的信号；“*”为卷积运算符。

式（1）中，接收端输入信号x(t)、发射端输出信号y(t) 为已知，通过式（2）的广义逆求解可得传递函数h(t)。

式中：h(t)为N× 1 向量，N为传递函数的时域长度；Y为N×N矩阵，Y=[y(t),…,y(t-N- 1);y(t- 1),…,y(t-N- 2);…;y(t-N- 1),…,y(t- 2N- 2)]；X为N× 1向量，X=[x(t),…,x(t-N- 1)]T；H 为Hermite 转置。

需要说明的是，多旋翼无人机并不是静止不动的，且周围环境也可能发生变化，因此传递函数h(t)是时变的，需要得到实时训练。由于式（2）中逆矩阵求解较为繁琐，因此往往采用LS 算法以迭代方式实现式（2），如式（3）所示：

式中μ为一足够小的数以保证式（3）收敛。式（3）不仅求解方便，且通过式（3）的迭代，传递函数h(t)可跟随环境的变化而变化。

通过以上可得同频直放站发射端到接收端的传递函数h(t)，再从接收端信号x(t)减去输出端耦合到输入端的信号y(t)*h(t)，即可在接收端抵消引起自激的发射耦合分量[12]。

自激抵消算法可以抵消输出端耦合到输入端的耦合分量30 dB 左右。同频直放站隔离度一般应大于增益15 dB，即图1 中收发天线物理隔离度原先为60 dB，通过ICS 算法增强，同频直放站收发端隔离度则可以增加到90 dB，而同频直放站的上下行增益最大为75 dB。

需要说明的是，自激抵消算法是在数字域实现的[13]，如果对端通信距离较远，此时天线口接收到的射频信号动态范围往往大于70 dB。这个信号动态范围是目前高速ADC 无法达到的，故还需要结合射频域干扰抵消以实现高动态信号的接收。

3 应用示例

考虑无起伏的平原地形，设通信两端的地面发射机为37 dBm，接收灵敏度为-105 dBm，天线高度均为1.5 m，空中多旋翼无人机直放站远端覆盖天线最大发射功率为30 dBm。

对于经过同频直放站中继的远端用户，其端到端链路相当于经过了2 套收发信机，故接收底噪会抬高3 dB左右，接收灵敏度恶化到-102 dBm。

本文中同频直放站增益为75 dB，则空中多旋翼无人机同频直放站对地回传接收天线的接收功率应为-45 dBm，此时地面发射机到空中多旋翼无人机的路损为82 dB。

当工作频点为1 GHz 时，200 m 空地距离的路损为82 dB 左右（采用自由空间传播模型并至少留3 dB 余量），设多旋翼无人机悬停于45°仰角方位[14]，此时多旋翼无人机高度在140 m 左右。当采用ITU-RP.528-5 传播模型时，置信度为95%，空中多旋翼无人机上的远端覆盖天线最远可覆盖22 km。

可以看到，与只利用地面天线覆盖7.8 km 相比，经空中多旋翼无人机同频直放站覆盖增强后，通信距离至少增加到2 倍以上，有效提高了无线通信的覆盖范围[15]。

4 结 语

综上所述，通过同频直放站收发天线安装设计、收发天线方向图零点设计，并结合ICS 算法，多旋翼无人机同频直放站可以有效提高收发天线之间的隔离度，增加了无线通信距离。

本文中多旋翼无人机搭载的同频直放站发射功率较小，仅有30 dBm，故可选用宽带功放管，因此其不仅可支持宽带定频系统，将来还可以支持宽带跳频系统。当同频直放站收发信机射频前端设置跳频滤波器，在获取TOD 跳频同步后，通过AGC 机制快速调整接收机增益，即可有效转发跳频信号，这对于某些特殊场景的应用有着重要意义。