提高地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可用度方法研究

楊曉飛，張小龍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

可用度是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)保障性的重要參數(shù)之一，是指在規(guī)定的時間和條件內(nèi)，系統(tǒng)能夠完成規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸功能的概率，在實際工程中，可定義為規(guī)定時間和條件內(nèi)，系統(tǒng)實際正確傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的百分比值?？捎枚仁菍ο到y(tǒng)可工作能力的綜合描述。

在無人機地空無線電信號傳輸過程中，由于大氣折射、地面反射或地物繞射的影響，到達接收天線的電波有多個路徑且相位不一致，產(chǎn)生多徑衰落現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量下降，使系統(tǒng)可用度大大降低。

傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸信道抗多徑、抗衰落方法有擴頻、分集以及糾錯編碼等，在滿足傳輸質(zhì)量要求、追求易于實現(xiàn)的設(shè)計理念下，采用ARQ斷鏈數(shù)據(jù)重傳方案，在不明顯增加系統(tǒng)設(shè)備量和成本的情況下，可顯著提高無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的通信可用度。

1 需求分析

當前的大多數(shù)無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，上行鏈路傳輸信息主要有載機飛行控制和任務(wù)裝訂數(shù)據(jù)，下行主要有載機遙測參數(shù)及機載平臺的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(一般為圖像視頻類信息)。其中的遙控與遙測數(shù)據(jù)都是實時性數(shù)據(jù)，信息每幀更新，鏈路通信短時間的中斷后，一旦恢復，接收端馬上可以獲得最新的數(shù)據(jù)，并且上行控制指令多采用高冗余度的大數(shù)判決機制，上行信號采用高抗干擾的擴頻體制，傳輸可用度滿足使用要求;而下行圖像信息幀之間有較多的重復性冗余信息，短時間的鏈路通信中斷，基本并不影響信息的可用性。統(tǒng)計表明，在無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，當收發(fā)鏈路電平衰落裕度為10 dB時，地空數(shù)據(jù)傳輸通信可用度在90%以上［1］。

隨著未來陸?？仗煲惑w化通信體系的發(fā)展，無人機系統(tǒng)將成為體系中的重要節(jié)點和信息傳輸通道，承載情報、指揮與控制等信息的傳輸任務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捫枨髮⒊杀对黾?，多徑效?yīng)等各種原因引起的信號衰落也會更加嚴重，任何時間地空數(shù)據(jù)傳輸鏈路出現(xiàn)任何形式的中斷，都可能會破壞數(shù)據(jù)信息的完整性，90%的通信可用度顯然不可能滿足數(shù)據(jù)信息的傳輸要求。因此，有效提高無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可用度勢在必行。

2 地空數(shù)傳信道衰落分析

為了提高無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可用度，有必要對無人機地空數(shù)據(jù)傳輸鏈路信號衰落和傳輸中斷的原因進行分析。

2.1 多徑衰落

無人機地空數(shù)據(jù)傳輸屬于微波通信過程，在實際通信過程中，如圖1所示，發(fā)射天線發(fā)送的信號經(jīng)過大氣折射或散射、地面反射或地物繞射等的傳播路徑后，到達接收端的信號往往是多個路徑信號的疊加，使接收到的信號幅度出現(xiàn)隨機起伏變化，形成多徑衰落。多徑衰落會降低接收機可獲得的有用信號功率并增加干擾的影響，使得接收信號產(chǎn)生失真、波形展寬、波形重疊和畸變［2－4］，甚至造成解調(diào)器輸出發(fā)生大量差錯，以至完全不能通信。

圖1 無人機地空數(shù)據(jù)傳輸示意

為建立穩(wěn)定的無線鏈路，在無人機系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時，一般要求地面站天線與機載天線間必須滿足無線電通視條件，二者間不能有任何明顯的遮擋物。同時要求地面站選擇在開闊地帶，地面為土地或草地較好，盡量避免水泥等反射系數(shù)較高的硬化地面，周圍一定范圍內(nèi)不要有明顯遮擋或高大建筑物，以減少反射繞射等多徑信號的產(chǎn)生。

依據(jù)工程經(jīng)驗及文獻［5］的分析，在滿足以上場地環(huán)境通視條件下，無人機地空數(shù)據(jù)傳輸信道可以簡化為二徑信道，即只考慮地面天線與機載天線之間的直達路徑r1和電波通過地面反射后到達接收天線的路徑r2。

2.2 機體遮擋引起的衰落

機載天線一般安裝在飛機腹部，當飛機在空中做水平方向飛行時，機載天線與地面站天線通視效果最好，而當飛機做大角度爬升、下降、轉(zhuǎn)彎或掉頭時，機體均有可能對天線波束產(chǎn)生遮擋，引起傳輸信號的衰落，導致傳輸鏈路的瞬間中斷或不穩(wěn)定。衰落影響的時間與飛機爬升或下降的持續(xù)時間有關(guān)，轉(zhuǎn)彎和掉頭動作對信號傳輸?shù)挠绊懸话阍跀?shù)秒鐘時間之內(nèi)。

采用載機安裝多副天線的措施，如在飛機左右兩翼或機頭、機尾安裝2副或以上天線，當飛機飛行姿態(tài)變化時，通過切換天線可以較有效地規(guī)避機體遮擋引起的衰落影響。

2.3 機體反射吸收引起的衰落

早期無人機系統(tǒng)機體材料多為玻璃鋼、碳纖維或環(huán)氧樹脂等非金屬材料，隨著無人機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)向有人機或有人機改造成的無人機上的推廣使用，由于有人機機體多為金屬材料，金屬機體一方面影響了機載天線的輻射方向圖;另一方面對地空無線信號的反射干擾信號也大大增強，以致影響到傳輸鏈路通信質(zhì)量。因此，無人機的金屬機體的影響也已成為地空數(shù)據(jù)傳輸過程中必須考慮的因素。這就要求在機載天線的設(shè)計中有針對性的考慮金屬機體表面的具體情況，合理選取機載天線的安裝位置和高度，并將機體與機載天線組合在一起進行天線設(shè)計，同時也要在系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸體制上采用更有效的抗衰落措施。

2.4 其他因素的影響

由于無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)機載收發(fā)設(shè)備處于高速移動狀態(tài)，接收到的信號由于多普勒效應(yīng)會產(chǎn)生嚴重的失真;氣象條件等的變化也都影響信號的傳播，使接收到的信號幅度和相位發(fā)生變化;另外，周圍環(huán)境中的各種無線電波也會對信號傳輸構(gòu)成不可忽視的危害［6］。這些都給無人機地空數(shù)據(jù)傳輸帶來了不利的影響。

依據(jù)工程經(jīng)驗及文獻［5］的理論計算得出:各種原因引起的信號深衰落幅度一般在10～20 dB，嚴重時可達30 dB，造成的傳輸鏈路中斷時間從秒級到數(shù)十秒級時間長度不等，95%以上的中斷持續(xù)時間在數(shù)秒鐘時間之內(nèi)，其總中斷時間占所有中斷時間的90%左右，持續(xù)時間在數(shù)十秒鐘以上的中斷屬于低概率事件。

3 傳統(tǒng)抗衰落方法

目前，無線數(shù)據(jù)傳輸信道抗多徑、抗衰落的主要方法有擴頻、分集以及前向糾錯等技術(shù)體制，下面對這些方法在無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性進行分析。

3.1 擴頻與Rake接收技術(shù)

Rake接收與擴頻技術(shù)結(jié)合主要用于當不同路徑信號的延遲超過一個偽碼的碼片時延，則可在接收端將不同的波束區(qū)別開來，將這些不同的波束分別經(jīng)過不同的延遲線，對齊后合并在一起，把原來的干擾信號變成有用信號。Rake接收技術(shù)是一種隱分集技術(shù)，也叫路徑分集技術(shù)。

無人機在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)時，一般處于巡航飛行狀態(tài)，依據(jù)前文所述地空二徑模型及文獻［7，8］，此時地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中具有影響的多徑時延一般在幾納秒量級，而目前大多擴頻碼速率在100 Mcps以下，多徑時延小于一個擴頻偽碼碼片的時間，因此，采用Rake接收技術(shù)不適用于解決無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的多徑問題。

3.2 顯分集技術(shù)

常見的顯分集技術(shù)包括空間分集和頻率分集等，是一項主要的抗衰落技術(shù)，可以明顯提高多徑衰落信道傳輸下的可用度。依據(jù)文獻［5］可以看出，地空數(shù)據(jù)傳輸信道的深衰落強度隨著系統(tǒng)工作頻率、地空收發(fā)天線距離和相對高度的不同而變化，分集接收的效益是顯而易見的。但是，采用這類顯分集技術(shù)將會成倍增加系統(tǒng)設(shè)備量與成本，這基本不符合無人機系統(tǒng)低成本的使用需求。因此，空間分集和頻率分集技術(shù)在輕便型無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中不宜采用。

3.3 前向糾錯技術(shù)(FEC)

FEC的優(yōu)點是不需要反饋信道就能有效地糾正傳輸錯誤，缺點是當接收信號信噪比衰落到譯碼門限以下時，會出現(xiàn)糾錯能力喪失甚至失步斷鏈的結(jié)果，因此FEC最好配合分集一起使用［9］。

可見，以上抗衰落方法在無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中并不適用。在實際工作中，通過對一種能夠提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的ARQ技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)完全具備了ARQ技術(shù)的應(yīng)用條件，對ARQ方式加以改進后的ARQ斷鏈重傳機制可能成為高性價比的地空數(shù)據(jù)傳輸抗衰落手段。

4 ARQ斷鏈重傳技術(shù)及工程應(yīng)用

4.1 ARQ技術(shù)

ARQ是一種可有效地提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的技術(shù)。ARQ通信系統(tǒng)首先在發(fā)送端對信息進行編碼，編碼后的碼組具有很強的檢錯能力，通過前向信道送到接收端。在接收端進行檢錯，如果沒有檢出錯誤，則送給用戶，同時，通過反向信道向發(fā)送端返回一個信號ACK，通知對方此碼組已經(jīng)正確接收。如果檢出錯誤，則通過反向信道返回一個NAK，請求對方把剛才的碼組重傳一次，這樣持續(xù)進行下去直到正確接收為止。傳統(tǒng)ARQ有3種典型技術(shù):停止等待方式(SW-ARQ)、回退N步方式(GBN-ARQ)以及選擇重傳方式(SR-ARQ)［10］。

應(yīng)用ARQ方式的前提條件是必須有一條從收至發(fā)的反饋信道，并要求信源產(chǎn)生信息的速率可以控制(或有大容量的信源存儲器)，整個通信系統(tǒng)的收、發(fā)兩端必須互相配合，密切協(xié)作。

最早ARQ技術(shù)研究者認為，GBN及SR-ARQ在有線環(huán)境下工作的相當好，但它們并不適合無線系統(tǒng):首先，無線高誤碼信道以及相對不足的控制帶寬將不能滿足過多確認幀的傳輸需求;此外，這2種方法中所使用的捎帶技術(shù)同樣不適合無線信道?？偠灾?，由于無線信道質(zhì)量較差，大量的用于傳輸錯誤幀的確認信息占用傳輸帶寬，導致傳輸效率變低。因此，在無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)特別是無人機地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，需要針對性的研究定制的自動請求重傳機制。

4.2 ARQ斷鏈重傳方案

在系統(tǒng)前期試驗中，下傳數(shù)據(jù)丟包率接近5%，超出了1%的要求。分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)實際下傳數(shù)據(jù)信息有一半以上時間處于空閑狀態(tài)，這就給ARQ重傳提供了足夠時間。針對實際需求，對已滿足使用需求的遙控、遙測及圖像信息不作處理，對有高可靠度要求的下行數(shù)據(jù)信息特別設(shè)計了ARQ斷鏈重傳方案。

ARQ斷鏈重傳方案相當于一個改進的SR-ARQ，其基本原理是:發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，當接收端接收數(shù)據(jù)正確時，不再返回ACK;當接收端發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤或丟包時，發(fā)送重傳請求NAK，發(fā)送端收到NAK后，插入所需重發(fā)數(shù)據(jù);如果超過一定時間后，重發(fā)數(shù)據(jù)仍未正確接收，系統(tǒng)將放棄重傳，繼續(xù)傳輸后續(xù)的數(shù)據(jù)。原理并不復雜，但是由于地空數(shù)傳系統(tǒng)更大的特殊性在于上下行鏈路都不是在任何時刻都魯棒可靠的數(shù)傳通道，方案的設(shè)計與實施經(jīng)歷了一個試驗改進再試驗再改進的過程。

ARQ斷鏈重傳機制重點旨在解決數(shù)秒時間內(nèi)或者一個數(shù)據(jù)更新周期內(nèi)的鏈路中斷引起的數(shù)據(jù)丟失問題，更長時間的中斷，由于丟失的數(shù)據(jù)大多或已失去時效性，其影響因此無法完全消除，重傳也就失去價值。

4.3 方案設(shè)計

地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相當于整個無人機數(shù)據(jù)信息的一個傳輸通道，如圖2所示，收發(fā)兩端分別與數(shù)據(jù)用戶和數(shù)據(jù)源通過有線網(wǎng)絡(luò)連接，要求在與數(shù)據(jù)用戶進行數(shù)據(jù)交換時數(shù)據(jù)包順序不能顛倒。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程示意

ARQ斷鏈重傳工作流程簡述如下:機載數(shù)傳發(fā)送終端將從數(shù)據(jù)源收到的待傳數(shù)據(jù)信息分組、打包并增加包序號標識。傳輸過程一開始，發(fā)送端按包序號順序發(fā)送并存儲，地面接收端按順序接收，然后按順序向數(shù)據(jù)用戶通過有線網(wǎng)絡(luò)進行轉(zhuǎn)發(fā)。當發(fā)現(xiàn)某包或某些包(統(tǒng)稱丟失包)沒有收到或接收錯誤時，按以下程序進行處理:① 繼續(xù)接收新的數(shù)據(jù)包并緩存;②轉(zhuǎn)發(fā)完丟失包之前的數(shù)據(jù)包后，停止轉(zhuǎn)發(fā);③同時通過上行鏈路發(fā)送請求重傳信息，信息中包含需重傳數(shù)據(jù)包的序號;④ 啟動計時，在未收到丟失包前，繼續(xù)定時請求重傳，當時間超出設(shè)定值時，丟失包仍未收到，即放棄請求，轉(zhuǎn)而繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)丟失包后面的數(shù)據(jù)。

發(fā)送端收到請求重傳信息后，先繼續(xù)發(fā)送完當前正在發(fā)送的數(shù)據(jù)包，即插入發(fā)送地面請求的數(shù)據(jù)包。斷鏈前后數(shù)據(jù)發(fā)送流程示意如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)ARQ斷鏈重傳流程示意

在ARQ斷鏈重傳機制中，有幾個關(guān)鍵參數(shù)需要針對系統(tǒng)特點進行設(shè)定:

①數(shù)據(jù)包長度L:包長度的取值會影響到信道利用率，但也與信道的可靠度有關(guān)。每一個數(shù)據(jù)包都有一個幀頭，幀頭的存在會占用一定信道資源，包長增加可以提高傳輸效率;但信道不可靠時，包長增加導致錯誤概率增加，引起重傳機會增加，最終效率下降;綜上所述，應(yīng)該有一個最佳長度范圍，一般包長取為1 000～2 000 bit較佳。

②超時丟棄時間Tf:系統(tǒng)下傳數(shù)據(jù)有一定的更新周期，據(jù)此可以設(shè)定一個重傳超時放棄的時間。Tf的取值直接決定了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，如果Tf足夠大，理論上可以將丟包率降低為零，但這樣數(shù)據(jù)傳輸時延也會很大，不符合一般數(shù)傳系統(tǒng)的要求。超時丟棄時間一般取為10 s左右或不大于數(shù)據(jù)更新周期較佳。

③重傳請求時間間隔Tr:由于系統(tǒng)信息具有上下行傳輸延時(t1、t2)和系統(tǒng)處理延時(t3)，發(fā)出重傳請求后，如果仍未收到所需數(shù)據(jù)，必須在一定時間間隔后才能重新發(fā)送請求，否則會造成發(fā)送端不必要的重復發(fā)送。一般取略大于(t1+t2+t3)較佳。

④緩存容量C:根據(jù)系統(tǒng)存儲資源，緩存容量最大可以設(shè)置為能夠存儲系統(tǒng)下傳數(shù)據(jù)一個更新周期內(nèi)的數(shù)據(jù)。設(shè)數(shù)據(jù)傳輸碼速率為R，則一般應(yīng)滿足下式較佳。

需要說明的是，驗證ARQ斷鏈重傳機制所使用的無人機平臺為有人機改造而成，機載數(shù)傳設(shè)備配備有一臺機載計算機，這給重傳機制提供了足夠的運算和存儲資源，目前在大多數(shù)無人機上尚不具備這些資源，但可以嘗試通過將一些軟件程序硬件化、增加必要存儲器來實現(xiàn)。

4.4 工程應(yīng)用

實際工程中，系統(tǒng)鏈路電平衰落裕度為15 dB，根據(jù)經(jīng)驗，地空數(shù)據(jù)傳輸通信可用度應(yīng)在90%以上。設(shè)定ARQ斷鏈重傳機制中數(shù)據(jù)包長度為256 bytes，即2 048 bit，超時丟棄時間為12 s，重傳請求時間間隔為240 ms，緩存容量空間不限。

按前文所述，在因各種衰落原因引起的鏈路中斷中，時間在數(shù)秒內(nèi)的中斷時間占到所有中斷時間的90%左右，當超時丟棄時間設(shè)為12 s時，這些中斷引起的丟包問題基本可以解決。也就是說，如果原系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可用度是90%以上的話，采用ARQ斷鏈重傳機制后可以達到99%以上，此時系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髸r延為12 s左右。

測試表明，采用ARQ斷鏈重傳機制后，丟包率從5%降低到了4‰，實現(xiàn)了丟包率不大于1%的系統(tǒng)要求。表1和表2分別為工程中采用ARQ斷鏈重傳機制前后數(shù)據(jù)傳輸情況的實測數(shù)值?？梢钥闯?，實測數(shù)據(jù)基本符合理論分析數(shù)值，平均丟包率分別為4.9%和0.37%。

表1 采用重傳機制前試驗數(shù)據(jù)

表2 采用重傳機制后試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

在未來無人機系統(tǒng)的發(fā)展中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ軐l(fā)揮越來越重要的作用，有效提高地空數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的通信可用度是一個必須要解決的問題。在工程應(yīng)用中，通過對實時性強、低可靠度要求的數(shù)據(jù)傳輸不作處理，對允許低時延、高可靠度要求的數(shù)據(jù)采用ARQ斷鏈重傳機制后，系統(tǒng)設(shè)備量和成本無明顯增加，但系統(tǒng)的通信可用度得到了顯著提高，以較低成本構(gòu)建了一條有時延但高可信、魯棒的地空數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

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