多旋翼無人機搭載同頻直放站的技術實現(xiàn)

趙 晨，童 進，何君燕

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

0 引 言

多旋翼無人機具有易攜帶、展開撤收方便等特點，常作為天線架高的通信載荷平臺，以實現(xiàn)無線通信的遠距離覆蓋[1]。在其具體實現(xiàn)中，一般采用地面系留、移頻直放站和同頻直放站等方式。

1）地面系留方式多為搭載基站、RRU、AAU 等無線通信設備，多旋翼無人機可得到地面的電源供應，對地面設施的要求較多，無人機留空時間較長，由于電源線與光纖數(shù)據(jù)線重量隨著系留高度的增加而增長[2]，因此系留無人機的工作高度與其搭載能力有關。

2）多旋翼無人機搭載移頻直放站可以上升到較高的高度，從而實現(xiàn)復雜地形下的有效覆蓋[3]，但移頻直放站需要無人機與地面之間的回傳頻率，在頻管較嚴場合或跳頻工作場景下應用受限。

3）多旋翼無人機搭載同頻直放站無需額外頻點配置，對地面設施支持需求較少，并可支持跳頻系統(tǒng)，但同頻直放站存在的自激問題需要得到解決。

多旋翼無人機搭載同頻直放站可實現(xiàn)地面天線與空中天線的雙重覆蓋[4]，地面天線就近覆蓋，空中天線遠距覆蓋，但由于存在自激問題，目前應用非常少。本文探討了多旋翼無人機搭載同頻直放站的技術實現(xiàn)[5]。

1 同頻直放站天線

多旋翼無人機搭載同頻直放站如圖1 所示。

圖1 多旋翼無人機搭載同頻直放站示意圖

圖1 中，多旋翼無人機的2 根旋臂上安裝有遠端覆蓋天線，機腹下安裝對地回傳天線。

1）遠端覆蓋鏈路采用收發(fā)天線分離方式[6]，利用天線間的空間隔離度以減輕收發(fā)天線合路帶來的開銷，遠端覆蓋Tx 天線與Rx 天線之間的空間隔離度一般在25 dB 左右。該天線分離安裝方式適用于FDD 和TDD兩種應用場景。

FDD 制式：遠端覆蓋收發(fā)鏈路隔離度達到105 dB為好，由于收發(fā)天線間存在著空間隔離，故其前端腔體濾波器隔離度可設計為80 dB，大大減輕了多旋翼無人機通信載荷的體積重量。

TDD 制式：TDD 系統(tǒng)收發(fā)鏈路共用天線時，天線輸入匹配需較好，否則發(fā)射機關斷功率會對接收機接收性能造成影響，由于收發(fā)鏈路存在著空間隔離，降低了對天線輸入匹配要求，有利于對寬帶信號的支持。

2）對地回傳鏈路的收發(fā)信號能量較小且相差不大，對收發(fā)鏈路隔離度要求不高，因此采用收發(fā)天線合路方式。

與移頻直放站不同，同頻直放站收發(fā)為同一頻點[7]，同頻收發(fā)天線之間存在耦合問題，即發(fā)端口信號通過各種途徑耦合入收端口，存在自激傾向。

當同頻直放站增益大于收發(fā)天線隔離度時就會產生自激。本文中，遠端覆蓋Tx 鏈路與對地回傳Rx 鏈路之間、對地回傳Tx 鏈路與遠端覆蓋Rx 鏈路之間由于隔離度不夠也會產生自激現(xiàn)象[8]。自激導致信號畸變，嚴重影響通信質量，而當發(fā)端口功放無保護措施時，則可能致使功放燒毀。提高同頻收發(fā)天線之間的隔離度[9]是需要重點關注的。

遠端覆蓋天線的作用是廣域覆蓋盡可能遠的通信節(jié)點，對地回傳天線的作用是就近對地回傳，兩者方向圖如圖2 所示。

圖2 遠端覆蓋天線與對地回傳天線方向圖

從圖2a）可以看到，遠端覆蓋天線方向圖呈水平扁圓狀以實現(xiàn)廣域遠端覆蓋，天線可采用鞭狀天線；圖2b）的對地回傳天線方向圖呈對下窄角度以實現(xiàn)對地回傳功能，天線可采用平板天線。

遠端覆蓋天線與對地回傳天線之間有多旋翼無人機殼體、螺旋槳等多重物理隔離，且兩個天線的方向圖零點或低增益方向互為對準，遠端覆蓋天線與對地回傳天線的隔離度可達到60 dB。雖然該隔離度已較大，但還是無法滿足同頻直放站的隔離度要求。

為了實現(xiàn)遠端覆蓋天線與對地回傳天線之間更大的隔離度，本文進一步引入同頻直放站的自激抵消（Interference Cancellation System, ICS）算法[10]。

2 自激抵消

在同頻直放站工程實現(xiàn)中，最常用、簡便有效的方法是設置鐵絲隔離網以增加收發(fā)端口之間的隔離度，但在無人機平臺上受其氣動外形的限制無法使用。采用自激抵消算法是增加同頻直放站收發(fā)端口隔離度的一個有效方法[11]。

設同頻直放站接收遠端信號為s(t)，接收端輸入信號為x(t)，發(fā)射端輸出信號為y(t)，發(fā)射端輸出信號通過傳遞函數(shù)h(t)耦合入接收天線，如圖3 所示。

圖3 同頻直放站信號耦合示意圖

從圖3 可以看到，同頻直放站接收端信號x(t)可表示為：

式中：s(t)為遠端發(fā)送過來的信號；y(t)*h(t)為同頻直放站發(fā)射端耦合到接收端的信號；“*”為卷積運算符。

式（1）中，接收端輸入信號x(t)、發(fā)射端輸出信號y(t) 為已知，通過式（2）的廣義逆求解可得傳遞函數(shù)h(t)。

式中：h(t)為N× 1 向量，N為傳遞函數(shù)的時域長度；Y為N×N矩陣，Y=[y(t),…,y(t-N- 1);y(t- 1),…,y(t-N- 2);…;y(t-N- 1),…,y(t- 2N- 2)]；X為N× 1向量，X=[x(t),…,x(t-N- 1)]T；H 為Hermite 轉置。

需要說明的是，多旋翼無人機并不是靜止不動的，且周圍環(huán)境也可能發(fā)生變化，因此傳遞函數(shù)h(t)是時變的，需要得到實時訓練。由于式（2）中逆矩陣求解較為繁瑣，因此往往采用LS 算法以迭代方式實現(xiàn)式（2），如式（3）所示：

式中μ為一足夠小的數(shù)以保證式（3）收斂。式（3）不僅求解方便，且通過式（3）的迭代，傳遞函數(shù)h(t)可跟隨環(huán)境的變化而變化。

通過以上可得同頻直放站發(fā)射端到接收端的傳遞函數(shù)h(t)，再從接收端信號x(t)減去輸出端耦合到輸入端的信號y(t)*h(t)，即可在接收端抵消引起自激的發(fā)射耦合分量[12]。

自激抵消算法可以抵消輸出端耦合到輸入端的耦合分量30 dB 左右。同頻直放站隔離度一般應大于增益15 dB，即圖1 中收發(fā)天線物理隔離度原先為60 dB，通過ICS 算法增強，同頻直放站收發(fā)端隔離度則可以增加到90 dB，而同頻直放站的上下行增益最大為75 dB。

需要說明的是，自激抵消算法是在數(shù)字域實現(xiàn)的[13]，如果對端通信距離較遠，此時天線口接收到的射頻信號動態(tài)范圍往往大于70 dB。這個信號動態(tài)范圍是目前高速ADC 無法達到的，故還需要結合射頻域干擾抵消以實現(xiàn)高動態(tài)信號的接收。

3 應用示例

考慮無起伏的平原地形，設通信兩端的地面發(fā)射機為37 dBm，接收靈敏度為-105 dBm，天線高度均為1.5 m，空中多旋翼無人機直放站遠端覆蓋天線最大發(fā)射功率為30 dBm。

對于經過同頻直放站中繼的遠端用戶，其端到端鏈路相當于經過了2 套收發(fā)信機，故接收底噪會抬高3 dB左右，接收靈敏度惡化到-102 dBm。

本文中同頻直放站增益為75 dB，則空中多旋翼無人機同頻直放站對地回傳接收天線的接收功率應為-45 dBm，此時地面發(fā)射機到空中多旋翼無人機的路損為82 dB。

當工作頻點為1 GHz 時，200 m 空地距離的路損為82 dB 左右（采用自由空間傳播模型并至少留3 dB 余量），設多旋翼無人機懸停于45°仰角方位[14]，此時多旋翼無人機高度在140 m 左右。當采用ITU-RP.528-5 傳播模型時，置信度為95%，空中多旋翼無人機上的遠端覆蓋天線最遠可覆蓋22 km。

可以看到，與只利用地面天線覆蓋7.8 km 相比，經空中多旋翼無人機同頻直放站覆蓋增強后，通信距離至少增加到2 倍以上，有效提高了無線通信的覆蓋范圍[15]。

4 結 語

綜上所述，通過同頻直放站收發(fā)天線安裝設計、收發(fā)天線方向圖零點設計，并結合ICS 算法，多旋翼無人機同頻直放站可以有效提高收發(fā)天線之間的隔離度，增加了無線通信距離。

本文中多旋翼無人機搭載的同頻直放站發(fā)射功率較小，僅有30 dBm，故可選用寬帶功放管，因此其不僅可支持寬帶定頻系統(tǒng)，將來還可以支持寬帶跳頻系統(tǒng)。當同頻直放站收發(fā)信機射頻前端設置跳頻濾波器，在獲取TOD 跳頻同步后，通過AGC 機制快速調整接收機增益，即可有效轉發(fā)跳頻信號，這對于某些特殊場景的應用有著重要意義。