無人機系統地空信道建模與仿真

高 猛,屠 佳,紀雅峻,吳世凱

(1. 空軍通信士官學校,遼寧 大連 116600;2. 國防科技大學國際關系學院,江蘇 南京 210039)

1 引言

無人機(Unmanned Aerial Vehicles, UAVs)具有用途多樣、靈活性強、裝配便利和開支較低等優勢,在軍用、民用領域皆得到了廣泛的關注和發展[1]。軍用方面,無人機可應用于偵查、監視和火力打擊等[2];民用方面,無人機在公眾安全、運輸管理以及有毒氣體泄漏、深林火災[3]、野生動物追蹤等危險行動之中廣泛使用。此外,無人機還可提供實時災難預警、輔助救援行動,特別是在主干通信網絡受損的情況下可作為中繼節點以保證通信暢通[4]。其中,基于無人機輔助的高速移動環境下的無線通信更是未來移動通信發展的方向之一。無人機輔助無線通信可在山地、水面、城市和近郊地區等多種場景下建立短距離視距通信,實現主干通信補盲[5]、中繼通信[6]、信息分發與收集[7],[8]等功能。

可以說,高效、實時、可靠的無線鏈路通信是無人機系統應用的基礎保障。而在無人機廣泛應用的背景下,為保證高速移動環境下無人機通信系統的QOS服務質量和其它應用需求,其面臨著快時變信道建模與傳輸技術、高效移動管理策略、動態網絡拓撲結構等諸多新的技術挑戰亟待解決[9],[10]。其中,快時變信道建模與傳輸技術作為高速移動環境下無人機系統端到端通信的核心技術,既要保證頻譜和能量效率,也要滿足可靠和高速率信息傳輸需求。

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM)技術以其高效地并行傳輸能力、天然的抗多徑干擾性能和簡單的信道均衡等優勢,廣泛應用于寬帶數字無線通信業務之中。然而在高速移動場景下,無線信道呈現快時變特性,由多普勒頻移所產生的載波頻偏破壞了OFDM系統子載波間原有的正交性,從而引起嚴重的載波間干擾(Inter-Carrier Interference, ICI),導致系統性能大幅度下降[11],[12],[13]。研究表明,雙散射信道下信號的時頻網格結構將直接決定無線信道的多徑時延和多普勒效應對系統性能的影響程度,OFDM等系統的矩形時頻網格結構并不是最佳分布。而基于球填充理論的六邊形多載波傳輸(Hexagonal Multi-Carrier Transmission, HMCT)系統可有效降低頻譜泄露,在保證頻譜效率和抗符號間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)性能的同時實現更優的抗ICI性能[14][16]。綜上所述,高速移動環境下,HMCT系統可用于無人機寬帶無線鏈路通信,提高其抗無線信道衰落損傷能力。

本文針對無人機通信系統的無線鏈路信道建模與調制等物理層關鍵技術進行研究,在分析無人機無線鏈路特性的基礎上,歸納了無人機水面、山地與丘陵、城市與近郊等典型應用場景下的地空信道衰落特性,并構建了信道大尺度和小尺度衰落的數學模型,在此基礎上,仿真分析OFDM和HMCT兩種調制方式的無人機通信系統性能,從而期望為提升無人機系統通信鏈路性能提供理論依據和技術支撐。

2 UAVs無線通信鏈路特性

典型的無人機無線通信鏈路結構如圖1所示[5]。由于無人機通信系統的特殊性,其端到端通信鏈路為非對稱鏈路,上行鏈路僅為控制鏈路,信息速率較低,但其實時性、連續性和可靠性要求高,通常采用無線通信鏈路為主、衛星中繼通信鏈路為輔的復合鏈路形式;而下行鏈路則包括控制鏈路和數據鏈路兩部分。無人機通信數據鏈路為高傳輸速率的寬帶無線鏈路,主要是用于支持地面終端的野外基站、移動終端、網關節點、無線網絡傳感器等各種應用?？紤]無人機的高速移動特性導致無人機通信網無固定“回程”鏈路和中心控制節點,從而造成相鄰用戶干擾強。又由于無人機尺寸、載重和能量限制,即無人機端到端無線鏈路通信為功率約束下的強鄰道干擾通信。

圖1 無人機典型無線通信鏈路結構

從信道角度來說,無人機通信鏈路可分為空-空信道和地-空信道兩類,其中空-空信道以直達路徑分量為主導,多徑分量影響相對較小,然而其收多普勒衰落影響嚴重。以最大移動速度為500km/h的無人機為例,無人機之間的高速相對移動性,將產生極大的多普勒擴展,若系統中心頻率為5GHz(C波段),則最大多普勒頻移為fD=2314Hz(信道相干時間≈216μs),遠高于目前無線通信系統的設計標準。

無人機通信系統地-空信道由于其應用環境的復雜多變,特別是中低高度飛行的情況下,由于山體、水面、樹林、建筑物等影響而產生的無線電波反射、散射和繞射,其信道特性更為復雜?？傮w來說,無人機通信系統地-空信道具有如下基本特征:1)多數情況下存在直達路徑;2)障礙物或機體自身陰影衰落嚴重;3)多徑衰落和多普勒衰落同時存在,且多徑分量具有顯著的稀疏特性,即信道傳輸能量集中在少數幾條路徑上;4)受地形地貌的影響較大,不同應用場景下信道多徑衰落特性明顯不同。

3 地空信道建模

無人機通信中無線信道衰減的影響不容忽視,因此地空信道建模對于系統參數設計及性能優化則尤為關鍵[17]?，F階段無人機實際可用規劃頻帶范圍為L波段17MHZ(960-977MHz)、C波段61MHZ(5.03-5.091GHz),其中,L波段頻譜占用率較高,C波段更適合無人機大容量可靠通信[18]。下面將以C波段為例,按照水面、山地與丘陵、城市與近郊等不同應用場景構建無人機地空信道模型。

3.1 水面環境

水面應用場景下,較早的地空信道建模研究成果為文獻[19],文中提出了基于幾何結構的平坦衰落信道模型,其將直達路徑和多徑成分建模為復高斯正交分量。文獻[20]針對配備高增益、窄波束基站天線的航空遙感系統,提出了2GHz頻段的窄帶信道模型;文獻[21]以小型無人機為研究對象,在極低飛行高度情況下,提出了900MHz頻段的時延擴展、多輸入多輸出(multiple-input-multiple-output, MIMO)信道參數。文獻[22]將水面環境下無人機系統地空信道建模為兩徑信道模型與隨機第三徑分量的混合模型,并采用地球曲率兩徑(Curved-Earth Two-Ray, CE2R)模型建模地空信道的直達路徑和反射路徑的衰落模型。

如圖2所示,無人機系統發射信號經地空信道傳輸時受到大尺度路徑衰落、陰影衰落和小尺度衰落的共同影響[24],[25]。水面場景下,無人機系統接收信號功率可按下式計算

圖2 窄帶地空信道模型[23]

Pr=Pt+GHPA+GLNA+Gt+Gr-LC-PL(R)-LS

(1)

式中,Pt為發射功率,GHPA為C波段高頻功率放大器增益,GLNA低噪聲放大器增益,Gt、Gr分別為發射天線和接收天線增益,LC是有線(光纖)路徑損耗,C波段為7.5dB。

3.1.1 路徑損耗

PL(R)是與距離R相關的信道模型路徑損耗,采用CE2R信道模型時,其路徑損耗可表示為[22]

Rmin≤R≤Rmax

(2)

上式為對數距離模型,其中R表示鏈路范圍(千米),Rmin為最小有效鏈路距離(千米),A0為最小鏈路距離對應路徑損耗,n為路徑損耗系數,運動方向系數ζ=-1表示“向”基站方向運動,ζ=1表示遠離基站方向運動,Γ為運動方向微調系數(因多數情況下無人機機頭處于“仰”的狀態,Γ>0),X為零均值、標準方差為σx的高斯隨機變量。

3.1.2 陰影衰落

陰影衰落LS在中短路程地空鏈路情況下,與地形陰影以及建筑物、樹木陰影相比,機體陰影衰落的影響更大,這里將主要針對機體陰影衰落進行研究。機體陰影衰落特性與機型、飛行姿態密切相關,而與航線、飛行距離等無關,可將其建模為時間的函數LS(t),可表示為

LS(t)=Sf(t)

(3)

式中,S為平均陰影衰落深度隨機變量,可表示為飛機橫滾角Roll(單位度)的函數,如下所示

S(Roll)=AS,Roll+nS,Roll(Roll-Rollmin)+XS,Roll

(4)

式中,AS,Roll表示最小橫滾角Rollmin對應的陰影衰落(dB),表示擬合函數斜距(dB/°),nS,Roll表示斜率,XS,Roll為零均值、標準方差σX,S,Roll的高斯隨機變量。

f(t)為基于最小二乘準則的三階多項擬合函數(三次樣條插值),表示陰影衰落持續時間D的概率(百分比),可表示為

f(t)=ai(t-ti)3+bi(t-ti)2+ci(t-ti)+di

(5)

式中,多項式系數ai、bi、ci和di可由(ti,f(ti))∈(0,0),(0.5,1),(1,0)三個關鍵點決定。

經處理,式(3)可變換為鏈路距離R的函數,以保證式(1)中各分量的參數一致性,其變換關系為

R=υHtcos(∠HA)cosθ+υVtsinθ

(6)

式中,υV和υH為水平和垂直飛行速度,θ為俯仰角,∠HA表示機頭方向和方位角間的偏差角。

當垂直速度或俯仰角大時,鏈路距離R和時間t之間是三維關系,如起降階段,除此之外,俯仰角小,上式可近似表示為

R?υtcos(∠HA)

(7)

式中,υ為合成后速度或水平速度,且近似認為速度和角度變化慢。

3.1.3 小尺度衰落

水面環境下,無人機系統寬帶地空信道呈現稀疏特性,一般可建模為兩徑信道模型與隨機第三條多徑分量的混合模型。如圖3所示,其信道沖激響應(channel impulse response, CIR)可表示為

圖3 抽頭延時線信道模型

hOW(τ,t)=h2-ray,F(τ,t)+z3(t)a3(t)e-jφ3(t)δ(τ-τ3(t))

(8)

式中,h2-ray,F(τ,t)表示CE2R信道模型,隨機變量z3(t)表示有無第三條多徑分量,z3∈{0,1},第三徑分量出現概率可采用指數函數擬合,表示為p(R)=aebR,其中,a=0.03,b=-0.15,距離R的單位為千米;α3、φ3和τ3分別是第三條路徑幅度、相位和時延。其中,第三徑分量的最大時延擴展范圍為0.1μs≤τ3≤1.1μs,且服從負指數分布,與出現概率分布相同;相位φ3在[0,2π)之間呈均勻分布;幅度α3可視為高斯變量,其均值、方差分別低于直達分量幅度μ3dB、σ3dB,海面時,μ3=22.6、σ3=5.2,湖面時,μ3=23.2、σ3=3.9。并且,CE2R信道模型h2-ray,F(τ,t)可表示為

h2-ray,F(τ,t)=δ(τ-τ0,k)+αs,n,ke-jπΔRk/λΓk,FDkrFδ(τ-τs,k

(9)

式中,k為時間序號,F表示頻帶寬度,ΔR=R2,k-R1,k,R1,k為直達路徑距離,R2,k為反射路徑距離,τ0,k=R1,k/c,τs,k=Rs,k/c,αs,n,k=R1,k/R2,k,Γk,F為表面反射系數,取決于頻率、極化方式、入射余角和介電常數,rF表面起伏因子,Dk為散射因子。表面起伏因子r通常假設為Gaussian分布(相對高度),與波長、入射波余角有關,水面環境下也與風速有關。

水面環境下,地空信道絕大多數情況都存在直達路徑,且Rician因子K與距離R(km)可表示為K(R)=K0+nK(R-Rmin)+Y。其中,K0為最小距離Rmin對應萊斯因子(C波段為2.2km),nK為斜率,Y是均值為0、方差為σY的高斯隨機變量。一般情況下,斜率nK較小,因此上式可近似為K(R)≌K0+Y,海面K0=29.9dB,σY=1.7dB,湖面K0=11.7dB,σY=1.1dB。

此外,對于兩徑模型來說,其最大多徑時延(maximum excess delay)τ2,max=2hG/c,c為光速,hG為基站天線高度,大多數情況下天線高度hG<30m,對應τ2,max≤200ns,僅當無人機在基站正上空時時延擴展達到最大值200ns,其它位置時延擴展較小。并且,信道的變化率取決于信道平穩距離(無人機飛行速度×信道平穩時間),對于視距信道來說,C波段信道平穩距離約為250λ(15m),大于非視距信道的20λ～40λ。

3.2 山地與丘陵環境

文獻[26]和[27]分別分析了山地與丘陵環境下的無人機系統地空信道特征;文獻[28]考慮鏈路范圍、方位角、飛行速度、飛行高度、地面站高度、地面海拔、表面起伏因子等因素具體給出了山地與丘陵場景的無人機系統地空信道模型及詳細參數設置。

山地與丘陵環境下,無人機系統地空信道水面環境的區別主要體現在“表面”特性的不同,即由于地面起伏、植物覆蓋以及建筑物所導致的表面粗糙系數、反射系數等信道參數的差異。山地與丘陵環境下,地空信道路徑損耗可采用式(2)所示的路徑損耗模型建模,其信道沖激響應(CIR)可表示為

h(τ,t)=αLOS(t)δ(τ-τ1(t))+α2(t)e-jφ2(t)δ(τ-τ2(t))

(10)

上式中前兩項為CE2R模型,與式(8)所示的水面場景相比,山地與丘陵場景應增加表面粗糙系數Cr,可表示為

Cr=4πsgsin(ψ)/λ

(11)

其中,ψ為入射波余角,λ表示波長,sg為地面起伏高度的標準方差,且sg的準確估計需要地面站和飛行路線的詳細地理位置信息,且在Q點附近區域(如圖4所示),一般情況下可假設sg>10m。當Cr>10時地面反射影響可忽略,Cr<0.1時地面較光滑,反射效果強。對應地,式(9)中的表面起伏因子rF可表示為

圖4 地面反射點

(12)

“偶現”路徑分量的相對功率決定于散射體或反射體特征,且參數zk、τk和多徑分量持續時間Dk可表示為時間或距離函數形式,其與基站附近環境有關,且隨鏈路距離增大而呈指數形式變化,可采用線性模型擬合,如下所示

Log10(y)=C0+nyR+Z

(13)

式中,y表示第k徑路徑分量且其時延為τk、持續時間為Dk,C0為最小范圍Rmin對應數值,ny為斜率,Z為零均值、標準方差σZ的高斯隨機變量。

此外,由于多徑分量持續時間較短,一般≤20ms或更短,因此對于這些路徑分量來說,短期多普勒頻移特征難以估計,且多徑分量的功率較小也給多普勒特征估計帶來更大困難。

3.3 城市與近郊環境

4 六邊形多載波系統

現階段,HMCT系統的研究可分為兩大類[31]：一是基于正交原型脈沖成形的HMCT系統,即網格正交頻分復用(Lattice OFDM, LOFDM)系統,其由高斯函數的正交化函數集構成原型脈沖成形函數[32][33];二是基于非正交原型脈沖成形的HMCT系統,即HMT(Hexagonal Multicarrier Transmission)系統,其利用非正交高斯脈沖成形函數實現高魯棒性的抗信道時頻散射的性能[34]。具體而言,對于HMCT關鍵技術的研究主要集中于以下五個方面:信號優化與設計[32]-[34],系統定時與載波同步[35][36],峰均比抑制[38],最佳接收與檢測[39],[40],信道估計[41]-[43]。

與OFDM系統的矩形時頻網格不同,HMCT系統采用時頻交錯的六邊形網格結構,如圖5所示,其中T和F為網格時間、頻率間距。HMCT調制采用無CP保護的信號結構,其發送信號可表示為

圖5 HMCT系統時頻分布表示

(14)

經雙散射信道傳輸后,HMCT系統接收信號為式中,w(t)表示加性高斯白噪聲,h(τ,t)為時頻散射信道H復沖激響應。

5 地空信道鏈路性能仿真

本節將以OFDM和HMCT調制為例,仿真分析水面、山地與丘陵、城市與近郊三種環境下的無人機地空無線信道的大尺度衰落路徑損耗、機體陰影衰落及小尺度衰落等鏈路特性對系統性能的影響。

(15)

以中型無人機為對象,飛行速度為100m/s,飛行高度為800m,機載天線為增益5dB的方位全向天線,地面站天線為定向天線,方位波束掃描范圍180°,俯仰波束寬度35°,距地面高度20m,天線增益6dB,發射機功率10W,發射機高放增益7dB,接收機低放增益30dB,接收機光纖損耗7.5dB。此外,設置接收機噪聲平均電平值為-80dBm,并且考慮突發干擾以及強接收機噪聲對系統性能的影響,設置16dB的噪聲余量。

無人機系統地空信道的大尺度衰落路徑損耗、機體陰影衰落和小尺度衰落模型依據第三章相關數學模型進行仿真建模,信道主要特性參數如表1所示。

表1 地空信道主要特性參數

圖6、圖7和圖8在理想同步和理想信道均衡的條件下,仿真比較了水面、山地與丘陵、城市與郊區三種場景下的HMCT和OFDM調制的系統誤符號率性能。由圖可知,三種場景下的HMCT和OFDM調制都表現出較好的誤符號率性能,且隨著鏈路距離的減小,系統性能有著明顯改善,究其原因是接收機噪聲電平一定的情況下,接收信噪比的大小主要取決于路徑損耗,從而體現出路徑損耗在一定情況下對于系統誤符號率性能的決定性影響。然而,當鏈路距離較小時(≤10千米),HMCT調制的誤符號性能改善要明顯優于OFDM調制,且鏈路距離越小HMCT調制的優勢越大,其原因在于此時噪聲對于系統性能的影響減弱,而ISI/ICI干擾對系統性能的影響更大。由第四章的分析可知,OFDM調制受ICI干擾影響較大,HMCT調制可在不額外增加系統開銷的情況下,同時實現良好的抗ISI/ICI性能,本章的仿真分析也驗證了這一點。同時,OFDM調制是利用循環前綴(Cyclic Prefix, CP)來克服由于信道多徑衰落所導致的ISI干擾的影響,而仿真中為了保證兩種調制方式的系統頻帶利用率相同,設置CP長度為固定值,不能保證在三種環境下都滿足CP長度大于信道最大多徑數,這也會進一步降低OFDM系統性能。

圖6 水面環境下,HMCT和OFDM調制系統誤符號率性能比較

圖7 山地與丘陵環境下,HMCT和OFDM調制系統誤符號率性能

圖8 城市與近郊環境下,HMCT和OFDM調制系統誤符號率性能

6 結束語

無人機系統需要不間斷地傳輸上行控制指令數據,又需要滿足遙測數據及音視頻采集數據的高速率回傳通信需求,然而其無線通信環境復雜多變,且受衰落影響嚴重。無人機通信鏈路可分為空-空信道和地-空信道兩類,其中空-空信道以直達路徑分量為主導,多徑分量影響相對較小,然而其受多普勒衰落影響嚴重。而地-空信道特性更為復雜,路徑損耗、機體陰影衰落、時頻散射衰落等同時存在,且受地形地貌的影響較大,不同應用場景下信道多徑衰落特性明顯不同。OFDM和HMCT兩種多載波調制技術皆可作為無人機數據鏈系統的物理層關鍵技術,從技術成熟度和實現復雜度方面來說OFDM技術更具優勢,而HMCT調制具有更優的抗無線信道衰落損傷能力,但其需要準確地估計并匹配信道狀態信息,相應地系統實現復雜度較高。