天地一體化網(wǎng)絡(luò)中無人機通信鏈路選擇策略研究

呂思運

（北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 海淀　100876）

天地一體化網(wǎng)絡(luò)中無人機通信鏈路選擇策略研究

呂思運

（北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 海淀100876）

本文在研究無人機通信多種信道模型和特征的基礎(chǔ)上，提出了一種基于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的無人機通信鏈路選擇策略。該策略通過分析不同飛行環(huán)境下無人機通信鏈路影響因素選擇最佳通信鏈路，解釋了無人機系統(tǒng)中不同通信鏈路的適用場景，并根據(jù)所提出的策略，設(shè)計了一種多無人機在近地面觀測站的編隊飛行方式。仿真研究了基于該策略的多無人機編隊飛行時通信鏈路的誤碼率性能，以及多普勒頻移、傳輸時延和陰影衰落等影響因素。研究結(jié)果表明無人機在長時間多場景飛行過程中，根據(jù)所提出的策略切換不同的通信鏈路能夠?qū)⒄`碼率保持在滿足通信需求的水平。

空天地一體化；無人機；無線通信鏈路；動態(tài)信道仿真

本文著錄格式：呂思運. 天地一體化網(wǎng)絡(luò)中無人機通信鏈路選擇策略研究[J]. 軟件，2016，37（9）：109-114

0　引言

天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，無人機是重要空中單位的偵察目標載體[1]。在無人機系統(tǒng)的眾多需求中，鏈路系統(tǒng)是最重要的組成部分之一，無人機與地面站之間完全依賴無線鏈路進行信息的交互和控制[2]。因此，建立有效的通信信道模型并進行準確的模擬，對通信鏈路進行具體的規(guī)劃，對于真實環(huán)境下的無人機通信系統(tǒng)至關(guān)重要。

無人機在飛行過程中需要實時與地面站保持通信連接，這要求通信鏈路不能有任何死角。但是，目前無人機通信鏈路應(yīng)用的主要頻段為微波波段，不具有繞射功能，兩個微波天線之間只能視距通信。而無線信號在傳播過程中會受到地形、地物以及大氣等因素的影響，信道會受到來自自然和人為的多種噪聲干擾。為了實現(xiàn)無人機在多種環(huán)境下保持通信暢通，需要合理的利用無人機配備的各種通信鏈路，以及多無人機組成編隊的優(yōu)勢。

無人機通信信道模型是目前國內(nèi)外研究的熱點。在國外，2002年德國Haas E[3]研究了無人機近地面站信道模型隨仰角的變化，2013年希臘Hatziefremidis A等人[4]研究了一種無人機近地面站起飛降落的信道模型；在國內(nèi)，2013年廈門大學(xué)Shi Z[5]等研究了無人機與海上的一種信道建模方法，2014年電子科技大學(xué)楊國勝等[6]研究了多種場景下無人機的地空數(shù)據(jù)鏈，2013年南京航空航天大學(xué)徐儀華等[7]研究了無人機對無人機通信的一種空中信道模型，2013年復(fù)旦大學(xué)陸曦等[8]對航空衛(wèi)星信道進行了相關(guān)研究。

目前在無人機通信方面主要研究單一場景下無人機與地面站、空中平臺和衛(wèi)星通信鏈路，但是，對于無人機系統(tǒng)來講，其通信鏈路無法根據(jù)基于某種模型或算法直接得出可供實際使用的規(guī)劃方案，只能根據(jù)具體的任務(wù)需求和實際通信環(huán)境在有限的鏈路使用狀態(tài)中進行必要的配置和管理。為了在飛行場景變化而改變通信環(huán)境的情況下，無人機始終能夠保持通信鏈路暢通，本文提出了一種根據(jù)通信信道狀態(tài)選擇不同通信鏈路的策略。并對長時間、多場景的多無人機飛行進行建模仿真，通過對誤碼性能、多普勒頻移、時延、陰影衰落等數(shù)據(jù)的分析，驗證通信鏈路選擇策略的可行性。

1　無人機通信鏈路選擇策略

1.1多無人機編隊飛行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，無人機系統(tǒng)由無人機編隊、地面站和通信衛(wèi)星組成，如圖1所示。無人機編隊包括多架執(zhí)行偵察或其他任務(wù)的無人機，和作為中繼通信平臺的小型無人機，作為簇首的偵察無人機或中繼無人機通過空地信道接入地面基站網(wǎng)絡(luò)，或通過空天信道接入通信衛(wèi)星，提供無人機業(yè)務(wù)及飛行管理。地面基站除固定基站外，有時也會用到雷達車等移動地面站保持地面通信。

無人機通信信道分為三種：無人機與地面觀測站直接通信的空地鏈路，以另一架無人機作為中繼平臺的空中中繼鏈路，以及借助通信衛(wèi)星作為中繼平臺的無人機衛(wèi)星鏈路。

1.2無人機通信鏈路模型

無人機通信信道一般采用信道抽頭延遲線模型。無人機和地面站一般使用高增益定向天線，鏈路中存在一條較強的直視信號分量。在傳播過程中，直視信號會受到來自地形、地物以及大氣等因素的干擾，形成多徑傳播。此外，微波通信還存在來自地面或海洋的反射波。因此，無人機信道通常表示為直射徑、反射徑和若干散射徑的疊加，屬于萊斯信道。無人機信道根據(jù)不同通信環(huán)境受到的影響因素不同，如多普勒頻移的強度等，在不同條件下每一徑的表現(xiàn)形式也有所差異。

地空數(shù)據(jù)鏈是無人機最常用的通信鏈路，主要影響因素是地面陰影衰落和其他各種人為噪聲干擾，以及來自地面較強的反射信號[6]。無人機對地通信信道的數(shù)學(xué)模型可表示為[3,7]：

圖1　天地一體化網(wǎng)絡(luò)無人機通信系統(tǒng)Fig.1　UAV Communication System in the Space-Earth Integration Network

式中，dirα、refα、scaα分別為直視徑分量、反射徑分量和散射徑分量的強度；f和τ為相應(yīng)的多普勒頻移和時延；θ為相應(yīng)的相位差，系數(shù)1N為散射徑歸一化因子。

無人機編隊飛行過程中，兩架無人機之間的通信會應(yīng)用到空中鏈路。與無人機對地面的靜態(tài)場景信道模型相比，無人機之間存在相對運動，徑向運動速度將導(dǎo)致接收信號產(chǎn)生較嚴重的多普勒頻移。無人機機身本身存在一條強鏡像反射鏈路，也是無人機空中鏈路不可忽視的因素。空中鏈路的優(yōu)點是當無人機飛行高度較高時，來自地面的反射和散射波影響降低，多徑分量的強度會降低。

當無人機B為發(fā)送端，無人機A為接收端時，將（1）中的直視路徑修改為[8]：

式中，v表示無人機A相對于B的飛行速度，⊙表示向量內(nèi)積。直射信號最大多普勒頻移為其中v分別為收發(fā)端移動速度矢量，θ為移動方向和入射波夾角。

中高空長航時無人機通常配置衛(wèi)通鏈路以支持其全球作戰(zhàn)。無人機衛(wèi)星通信信道需要考慮到機身反射、地面/海平面鏡面反射以及地面/海平面漫反射等，可以表示為[9]：

1.3無人機通信鏈路選擇策略設(shè)計方案

無人機空地鏈路系統(tǒng)組成要素少，成本低，以美軍“獵人”無人偵察機[10]為代表的小型戰(zhàn)術(shù)無人機通常不配備衛(wèi)星通信鏈路，續(xù)航時間短，飛行速度較慢，飛行高度一般小于7 km。無人機空地鏈路主要受兩方面因素限制：第一，無人機視距鏈路的最大距離一般在150～200 n mail（約合277～370 km）之間，超過這個距離無法與地面站保持連接；第二，無人機對地面站仰角低于10°時稱為低仰角階段，受地面陰影衰落影響較大。

對于中、高空無人機來說，飛行高度使其通信信道受大氣影響較大，且距離控制地面站很遠，不僅超出視距鏈路范圍，甚至由于地球曲率的影響導(dǎo)致視距通信鏈路根本不存在，因此必須通過空中中繼平臺或衛(wèi)星進行信號轉(zhuǎn)發(fā)。此外，有時無人機雖處于視距通信范圍內(nèi)，但由于飛行高度較低而受到山脈、建筑遮擋時，也應(yīng)選擇中繼通信方式。

中繼通信分為空中中繼通信和衛(wèi)星中繼通信?？罩兄欣^的優(yōu)勢在于，多架無人機編隊飛行時，可以選擇一架無人機作為簇首與地面進行通信，不同無人機之間可以根據(jù)通信狀況輪流作為簇首，通信中繼平臺在編隊內(nèi)部選取，節(jié)約能源，提高通信質(zhì)量，延長飛行時間。

空中中繼通信的局限性，一是需要至少兩架或更多的無人機平臺，需要考慮多架無人機編隊飛行策略，對多架無人機航路規(guī)劃要求較高；二是不同類型的無人機平臺傳輸頻段、傳輸速率、傳輸數(shù)據(jù)鏈不同，造成通信鏈路復(fù)雜化；三是信號轉(zhuǎn)發(fā)過程中需要重新對信號進行放大，對無人機攜帶能量要求提高。

衛(wèi)星通信一般情況下能保證較為穩(wěn)定的通信需求，但與空中中繼相比，信號傳輸?shù)臅r延更長，需要的天線增益更大，申請衛(wèi)星獲得通信資源比空中困難很多，成本大大提高，還存在日凌中斷等太空惡劣因素的干擾。

本文提出的無人機，無人機在近地面站區(qū)域飛行時，以地空鏈路為主要通信方式，中繼通信作為特殊情況下的補充。當無人機與地面站的相對位置超出視距范圍內(nèi)，將通信方式切換為中繼通信，其中空中中繼通信方式作為首選，當空中信道環(huán)境較差，達不到所需的通信要求，以及中繼平臺也超出地面視距范圍時，以衛(wèi)星通信作為補充。

以上為無人機通信鏈路選擇策略的理論分析，下一節(jié)將根據(jù)具體場景進行仿真模擬，對以上通信方式的通信質(zhì)量進行分析，驗證所提出方案的正確性。

2　性能分析

為了驗證本文提出策略的正確性，本節(jié)以兩架無人機、一個地面觀測站和低軌通信衛(wèi)星組成的無人機系統(tǒng)為例，對本文提出的通信鏈路選擇策略進行仿真驗證。

本文仿真中無人機飛行軌跡為大圓軌跡，仿真場景無人機參數(shù)設(shè)置如表1所示：

表1　雙無人機系統(tǒng)通信鏈路仿真參數(shù)Tab. 1　Simulation parameters of two UAVs system communication link

此外，地面觀測站坐標（E117.1°，N35.8°，0.004 km），通信衛(wèi)星為距地面高度400 km。

偵察無人機起點不在地面站視距范圍內(nèi)，航線方向指向地面站，經(jīng)過地面站上空后保持原航向飛行；中繼無人機起點在偵查無人機和地面站之間，航向與偵查無人機基本相同，海拔低于偵察無人機，以便于建立中繼信道。仿真飛行過程時長1.5 h，載波頻率5.5 GHz，仿真點數(shù)80000點/s，調(diào)制方式采用QPSK調(diào)制，并加入信道編碼[11]。

3.1誤碼率仿真

如圖2所示，橫軸為仿真時間，縱軸為誤碼率，每條曲線表示一種信噪比下誤碼率隨時間的變化。從圖2可以看出，隨著信噪比的增大，縱坐標誤碼率逐漸下降。無人機空地鏈路，在無人機飛臨地面站時誤碼率下降，在飛離地面站是誤碼率上升，與理論分析相符。其飛臨地面站分為兩個階段：第一階段（0～約30 min）無人機進入地面站視距范圍，誤碼率下降到滿足通信要求；第二階段（約30 min～60 min），無人機進入空地通信范圍后，對地面站天線的仰角逐漸減小，達到最佳通信狀態(tài)，從航空信道角度來講[12]，是由途中飛行狀態(tài)到飛過塔臺狀態(tài)的過程，彌散信道影響減弱。

圖2　無人機地空鏈路隨時間變化的誤碼率Fig.2　The error rate of UAV Air-earth link changes with time

圖3的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，無人機空中中繼鏈路，飛行開始時一段時間（約15min）后，兩機距離較近，誤碼率保持平穩(wěn)；約30～40min時，兩機水平距離最小，多普勒頻移減小，誤碼率快速降低，下降超過一個數(shù)量級，臨近飛行結(jié)束階段（70min后），中繼機到地面站距離的增大，誤碼率上升，無法達到可正常通信要求。圖3的結(jié)果說明，無人機空中中繼鏈路在一定條件下能夠為無人機系統(tǒng)提供相對穩(wěn)定的通信。

從圖4可以看出，無人機衛(wèi)星鏈路的誤碼率比較穩(wěn)定，不會隨飛行狀態(tài)的變化而產(chǎn)生較大的起伏，在衛(wèi)星鏈路存在的條件下，衛(wèi)星通信可以提供滿足通信需求的服務(wù)。

圖3　無人機空中中繼鏈路隨時間變化的誤碼率Fig.3　The error rate of UAV Air-relay link changes with time

圖4　無人機衛(wèi)星鏈路隨時間變化的誤碼率Fig.4　The error rate of UAV-satellite link changes with time

3.2通信鏈路選擇策略誤碼率仿真

如圖5所示，相比于空中中繼鏈路和衛(wèi)星鏈路，當偵察無人機在地面站視距范圍內(nèi)時空地鏈路誤碼率明顯低于前兩種通信鏈路。當偵察無人機超出地面站視距范圍但中繼無人機在地面站視距范圍內(nèi)時，空中中繼鏈路的誤碼率與衛(wèi)星通信相當，其中當兩架無人機水平距離較近時空中中繼鏈路有明顯的優(yōu)勢，此時空中中繼鏈路是最佳選擇。當中繼無人機超出地面站視距范圍時，衛(wèi)星通信仍能保持較低的誤碼率。仿真結(jié)果初步驗證了上一節(jié)所提出的策略方案的可行性。

如圖6所示，通信鏈路選擇策略在大部分場景下選擇了誤碼率最低的通信方式。當無人機空中中繼鏈路與空地鏈路誤碼率相當時，由于空地鏈路受陰影衰落影響較重，誤碼率方差起伏較大，選擇空中中繼鏈路能夠保證通信誤碼率的穩(wěn)定性，同時避

圖5　同一信噪比下三種鏈路的誤碼率比較Fig.5　Comparison of three link bit error rate under the same signal to noise ratio

圖6　通信鏈路選擇策略與單一鏈路誤碼率比較Fig.6　Comparison of communication link selection strategy and single link bit error rate

3.3時延、多普勒頻移、陰影衰落對誤碼率的影響分析

圖7、圖8、圖9的仿真結(jié)果對信道選擇策略做出了進一步的說明。免了通信鏈路的頻繁切換。

圖7　三種通信鏈路的時延比較Fig.7　Delay comparison of three communication modes

圖8　三種通信鏈路的多普勒頻移比較Fig.8　Comparison of three communication links of Doppler shift

圖9　空地鏈路中陰影衰落對誤碼率的影響Fig.9　Effect of shadow fading on bit error rate inair-earth link

從圖7可以看出，衛(wèi)星鏈路的平均時延遠高于其他兩種通信鏈路，因此從時延的角度來講，空中中繼通信要優(yōu)于衛(wèi)星中繼通信。當衛(wèi)星鏈路誤碼率低于空中中繼鏈路時，在空中中繼鏈路誤碼率滿足通信需求的情況下，選擇空中中繼鏈路更容易保證無人機通信的的實時性。

從圖8可以看出，衛(wèi)星飛行軌道較高，產(chǎn)生的飛行方向上的多普勒頻移很小，可以忽略；中繼無人機由于與目標無人機相向飛行，因此空中鏈路多普勒頻移小于地空鏈路的多普勒頻移，因此中繼無人機的航向?qū)κ强罩兄欣^平臺通信質(zhì)量的重要影響因素。

圖9將誤碼率和陰影衰落數(shù)據(jù)進行量化，繪制在一張圖中比較。從圖中可以看出，當陰影衰落起伏較大時，誤碼率的方差也比較大，陰影衰落環(huán)境的會對誤碼率產(chǎn)生不可忽視的影響。因此，當無人機與地面站直接通信時，應(yīng)將空中中繼通信作為補充。以上仿真結(jié)果均與提出的方案相符。

從本次仿真結(jié)果可以提出一種編隊飛行方式，無人機編隊在臨近地面站附近時，可令飛在隊首無人機作為簇首加速飛向地面站，盡早搭建空中中繼鏈路；在飛離地面站時，處在隊尾的無人機降低飛行速度，作為與地面通信的中繼機，延長空中中繼的通信時間。

3　結(jié)論

本文對目前已有的無人機通信鏈路進行了綜合仿真，研究了一種無人機系統(tǒng)在空天地網(wǎng)絡(luò)下長時間飛行的通信鏈路選擇策略，通過分析無人機在不同飛行環(huán)境下的各項通信數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：無人機在近地面站飛行時，應(yīng)以空地鏈路為主要通信方式，空中中繼鏈路為輔助鏈路；當無人機與地面站超出視距范圍時，應(yīng)以空中中繼鏈路作為主要通信方式；當無人機配備衛(wèi)星通信鏈路時，衛(wèi)星通信鏈路在任何時間段均可以選擇；為根據(jù)信道特征調(diào)整無人機編隊與通信方式提供了一種方法。

但是，本文的研究也不盡完善，例如本文沒有考慮各項數(shù)據(jù)對通信質(zhì)量的影響因子大小，在今后的研究中，還需進一步完善。

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Research on The Selection Strategy of UAV Communication Link in The Space-Earth Integration Network

LV Si-yun
(School of electronic engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

This paper proposes a communication link selection strategy in the earth integrated network, based on a variety of channel models and features of UAV Communication. The strategy is to select the best communication link through analyzing the influence factors of UAV communication links under different flight conditions, explain the application scenarios of different communication links in the UAV system, and propose a formation flying mode of multi-UAVs in the near surface observation station. Simulated and studied the BER performance of the communication link in multi-UAVs formation flight from this strategy, and the influence factors such as Doppler shift, transmission delay shadow fading, etc. The results show that different communication links can be switched to keep the bit-error-rate at the level of the communication requirements during long time multi-scene flight according to the proposed strategy.

Air-space-earth of integrated; UAV (Unmanned Aerial Vehicle); Wireless communication link; Dynamic channel simulation

TN911.25+4

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.026

呂思運(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星通信。