戰(zhàn)術(shù)無人機視距下行通信鏈路信道模型特性的研究

鄧海峰，申江江，何勰，劉旭寧，吳一

（海軍航空大學91206部隊，山東 青島 266000）

隨著航空技術(shù)的高速進步和人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人軍事裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)爭及非戰(zhàn)爭軍事行動中應用越來越廣泛，在作戰(zhàn)偵察及反恐等領(lǐng)域獲得了長足的發(fā)展。無人機（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）憑借其靈活性高、使用方便、機載配置多樣化等特點得到了越來越多的應用和重視。隨著目前無人機搭載偵查設(shè)備日漸多樣化，載荷不斷提高，其下行通信鏈路需要傳輸?shù)男畔⒎N類不斷增多，對其數(shù)據(jù)傳輸速率提出了更高的要求。為了提高無人機數(shù)據(jù)傳輸速率，必須對其通信鏈路進行分析，通信鏈路信道特性是提高通信傳輸速度的基礎(chǔ)問題[1-3]。無人機下行鏈路信道除了具有無線通信基本特點之外，兼具低仰角地空通信鏈路信道和移動通信信道特點，比一般的無線信道更加復雜，研究戰(zhàn)術(shù)無人機下行鏈路的信道特征，進而建立準確的信道模型，對于提高戰(zhàn)術(shù)無人機作戰(zhàn)使用效能具有重要作用[4-5]。

1 無人機無線移動信道的傳播特性

無人機移動信道本身屬于無線電波，在空中傳播過程中受到空間環(huán)境各種因素的影響，表現(xiàn)出多種衰落特征，比如收發(fā)兩端帶來的路徑損耗，信號傳輸中會受到反射及散射等影響，一般可以將對信道的影響區(qū)分為大規(guī)模衰落和小規(guī)模衰落[6]。

1.1 無線信道大規(guī)模衰落模型

大規(guī)模衰落通常表現(xiàn)為通信目標大范圍移動造成的路徑衰落和平均信號能量的衰減，這是無線通信領(lǐng)域中最普遍的損耗形式。Hata根據(jù)Okumura的應用測量結(jié)果，總結(jié)出了路徑損失的參數(shù)方程，根據(jù)不同的應用場景選擇其數(shù)學表達式可以表示為[7]:

按照dB形式可以寫為：

其中，d為信號傳輸距離，d0為參考距離（遠離發(fā)射天線的一個位置和天線之間的距離，可選1 km、100 m、1 m）。路徑損耗指數(shù)n由信號頻率、天線位置和傳輸?shù)沫h(huán)境條件等決定，一般情況下當信號在空間中進行傳播時n取2即可，如果信號在街道等可能存在波導現(xiàn)象的空間中傳播時n可能會小于2，當傳播路徑中存在障礙物時n可能會增大。

1.2 無線信道小規(guī)模衰落模型

在工程實踐中基站位置安排、發(fā)射功率設(shè)置等工作中小規(guī)模衰落是需要考慮的關(guān)鍵問題，研究調(diào)制方法的應用時主要關(guān)注點也在于小規(guī)模衰落。小規(guī)模衰落是信號在較小距離或較短時間內(nèi)幅值、相位劇烈的動態(tài)變化，具體表現(xiàn)為兩種形式：信號的時延擴展和信道的時變特性。信號時延擴展是由信道多徑干擾引起的，信號傳播過程中受到反射、散射等多種原因，到達接收端的時間不同，因此，接收端就會收到不同時延信號的疊加，由于不同反射路徑的信號幅度、相位、入射角各有不同，使疊加而成的接收信號幅度、相位產(chǎn)生失真[8-11]。

根據(jù)最大超量時延Tm和碼元時間Ts的關(guān)系，時延擴展造成的性能下降分為頻率選擇性衰落（Frequency–selective Fading）和平坦衰落（Flat Fading)兩種類型。若TmTs，碼元的時延擴展超出了碼元持續(xù)時間，對相鄰碼元造成了碼間干擾，則稱信道呈現(xiàn)頻率選擇性衰落特性。從頻域分析信道時延擴展特性，研究相干帶寬f0=1/Tm與信號帶寬fs的關(guān)系（相干帶寬表示在兩個頻率點處保持強相關(guān)時的最大頻率差）。當f0>fs時，在系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)任意頻率處，信號衰落相同，信道呈現(xiàn)平坦衰落。當f0

信道的時變性是由發(fā)射機與接收機相對移動或信道內(nèi)物體的運動引起的，當發(fā)射機與接收機相對運動時，接收信號受多普勒效應的影響，產(chǎn)生頻率偏移，多普勒效應產(chǎn)生的頻率偏移表示為：

其中，fc是發(fā)射信號載頻，v是發(fā)射機與接收機相對運動速度，φ為相對運動方向與電波入射方向夾角，c為光速。

1.3 無線信道小規(guī)模衰落信道特性

根據(jù)多普勒頻移fd與信號帶寬fs的關(guān)系，可以將信道分為快衰落信道和慢衰落信道。當fs>fd時，信道呈現(xiàn)慢衰落特性，信道特性在一個碼元持續(xù)時間里保持不變。當fs

由上述分析可知，為使信號在無線移動信道傳輸過程中不發(fā)生頻率選擇性失真和快衰落失真，必須綜合考慮信號的時延擴展和信道的時變性。在時域表現(xiàn)為信號碼元持續(xù)時間Ts時需滿足Tm

圖1 信道衰落特性隨信道碼元時間變化規(guī)律

圖2 信道衰落特性隨信道帶寬變化規(guī)律

根據(jù)戰(zhàn)術(shù)無人機平時執(zhí)行任務要求，其飛行速度較低，容易滿足Tsfd的要求，而戰(zhàn)術(shù)無人機較低的飛行高度會導致信道中存在較為嚴重的多徑干擾，因此避免選擇性衰落應該成為無人機發(fā)射信道發(fā)射信號的重點。

2 戰(zhàn)術(shù)無人機下行通信鏈路信道模型特性分析

2.1 戰(zhàn)術(shù)無人機信道模型分析

由于戰(zhàn)術(shù)無人機地面站設(shè)有高增益的定向天線，下行鏈路信道存在一個較強的直視信號。同時，信號傳輸過程中存在反射與散射現(xiàn)象，因此，戰(zhàn)術(shù)無人機下行鏈路信道屬于低測控仰角的航空信道。早期的航空信道研究并沒有提出明確的數(shù)學模型，自Bello提出了多普勒頻譜表達式后[12]，相關(guān)的研究逐漸增多。文獻[13]建立了航空下行通信鏈路的數(shù)學模型，其系統(tǒng)帶寬為5 MHz，并且指出信道的萊斯因子介于2～20 dB之間。Hass E在總結(jié)前人工作基礎(chǔ)上，針對航空信道建立了時域抽頭延遲線模型，該航空信道模型由一個較強的直視分量和若干散射分量構(gòu)成[11-15]。

無人機在起飛/降落時測控仰角較大，信號強度較大，多徑干擾最小，信道近似為高斯白噪聲，通信質(zhì)量好。隨著距離增大，測控仰角逐漸變小，進入接收端的地面反射波能量增大，由于定向天線的存在，信號包含直視分量，信號包絡服從萊斯分布：

其中，直視分量與散射分量的能量比為萊斯因子k：

當測控仰角進一步減小，接收機就不會接收到明顯的直視分量，信號包絡會服從瑞利分布：

由上述分析可知，戰(zhàn)術(shù)無人機下行鏈路信道隨著無人機與地面站距離的增大，測控仰角逐漸減小，信道特性由高斯白噪聲逐漸變化為瑞利信道。

2.2 戰(zhàn)術(shù)無人機下行信道模型

萊斯在對不同場景信道參數(shù)進行實測的基礎(chǔ)上，將信道模型具體為直視分量、反射分量、散射分量組成的三徑模型[14]，其沖擊響應為：

式中，t、τ表示特定時刻和時間增量，a0、a1、ε(t)分別為直視分量、地面反射波分量和散射分量的幅度，Δθ1是反射分量相對視行分量的相移，Δωd1和Δωd2分別是反射分量和散射分量的多普勒頻移。由于OFDM子載波信號帶寬相對較小，一般而言小于信道相干帶寬，屬于窄帶信號，而對窄帶信號而言，式（7）可以化簡為：

當a1=0時，信道簡化為萊斯信道。該模型即可作為戰(zhàn)術(shù)無人機下行鏈路信道模型，即無人機下行信道模型為加入反射分量的萊斯信道，相比兩徑模型，三徑模型將地面強反射分量單獨計算，更加符合低仰角的戰(zhàn)術(shù)無人機信道模型。文獻[14]給出了航空信道的兩個重要參數(shù)k、Γ，用以描述信道反射分量與散射分量的大小，并對信道進行了實測，視行分量與散射分量能量的比值為萊斯因子k，參數(shù)Γ為反射分量與視行分量幅值比：

其中，δd為散射分量ε(t)的方差。

文獻[14]對信道參數(shù)進行了測量，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示(a為愛德華空軍基地，b為白沙導彈試驗場)。

表1 航空信道參數(shù)

由表1可知，Γ一般在0.2～0.8之間變化，k一般在10～20 dB之間變化。

無人機飛行過程分為3個主要狀態(tài)，即起飛/降落狀態(tài)、途中飛行狀態(tài)和任務區(qū)域盤旋狀態(tài)，不同飛行狀態(tài)下信道參數(shù)的典型值如表2所示[10]，文獻[15]提出了一種最大時延擴展的估計方法，當飛行距離遠大于飛行高度時，地空鏈路最大時延擴展近似為飛行高度與光速比值h/c。由于沒有文獻實測戰(zhàn)術(shù)無人機飛行過程中的信道時延擴展值，該文以h/c為信道時延擴展值進行研究，戰(zhàn)術(shù)無人機飛行高度一般在100～4 500 m間變化，可知多徑時延變化范圍約為0.33～15μs。

表2 不同飛行狀態(tài)下信道參數(shù)

2.3 戰(zhàn)術(shù)無人機信道模型分析

為研究反射分量對于信道特性的影響，以64點FFT(N=64)的OFDM系統(tǒng)為例，研究該系統(tǒng)通過航空下行信道后BER性能分析航空信道特性[16-18]。

首先選擇散射分量能量接近、反射分量能量差距較大的EAFB數(shù)據(jù)組1、2、3進行研究，系統(tǒng)誤碼性能如圖3所示。

圖3 反射分量能量差距較大時誤碼性能比較

從圖中可以看出，當散射分量相近、反射分量差距較大時，系統(tǒng)BER性能有明顯差距，當反射分量幅值較大時系統(tǒng)性能接近瑞利信道理論值，當反射分量幅值較小時系統(tǒng)性能接近高斯白噪聲信道理論值。

然后選擇反射分量能量系數(shù)接近且幅值較小、散射分量能量差距較大的EAFB數(shù)據(jù)組6與WSMR數(shù)據(jù)組1、3進行研究，系統(tǒng)誤碼性能如圖4所示。

圖4 散射分量能量差距較大時誤碼性能比較

從圖中可以看出，反射分量能量系數(shù)接近且幅值較小、散射分量能量差距較大時，系統(tǒng)誤碼性能區(qū)別并不明顯，且誤碼性能接近高斯白噪聲信道誤碼性能。

通過上述分析可知，航空下行傳輸信道主要受反射分量支配，當反射分量較大時，信道特性接近瑞利信道，反射分量較小時，信道特性接近高斯白噪聲信道。相比之下，將反射分量單獨描述的三徑模型更能反應無人機下行鏈路信道特性，適合無人機下行鏈路信道建模。

3 結(jié)束語

該文分析了戰(zhàn)術(shù)無人機無線移動信道的傳播特點，對下行鏈路信道的幾種典型衰落模型及其各自特點進行了分析。在信道研究基礎(chǔ)上，以常見的OFDM通信系統(tǒng)為例，對實測航空信道參數(shù)進行誤碼性能分析，得出航空下行傳輸信道主要受反射分量支配的結(jié)論，當反射分量較大時，信道特性接近瑞利信道，反射分量較小時，信道特性接近高斯白噪聲信道。通過上述分析為戰(zhàn)術(shù)無人機信道建模提供了參考借鑒,對于建立準確的戰(zhàn)術(shù)無人機下行信道模型，提高戰(zhàn)術(shù)無人機作戰(zhàn)效能具有重要作用[19-20]。