双频段高可靠高效率无人机载数据链系统.pdf

2023 年 8 月第 4 期 现代导航 291 双频段高可靠高效率无人机载数据链系统 刘浩楠，陈少峰（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）摘 要：针对无人机在城市复杂环境下的应用需求，开展无人机 S 频段遥测遥控链路和 C 频段图像传输链路的双频段双通道数据链系统研制，重点突破高可靠高效率正交频分复用（OFDM）传输体制、高效信源信道联合编码技术，解决数据传输涉及的可靠性、频谱使用效率、数据的安全性等问题。作为无人机的核心传输链路，高可靠高效无人机数据链的应用，将进一步拓展军用无人机和工业级智能无人机的应用场景。关键词：无人机；数据链；高可靠；高效率；信源信道联合编码 中图分类号：TN919.72 文献标志码：A 文章编号：1674-7976-(2023)-04-291-06 High Reliability and Efficiency Data Link System of UAV Based on Dual Band LIU Haonan,CHEN Shaofeng Abstract:In response to the application requirements of drones in complex urban environments,a dual frequency band and dual channel data link system is developed for the S band telemetry and remote control link and the C band image transmission link of drones.The focus is on breaking through the high reliability and efficiency of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)transmission system,efficient source channel joint coding technology,and solving the reliability,spectrum efficiency,and data security issues related to data transmission.As the core transmission link of drones,the application of highly reliable and efficient drone data links will further expand the application scenarios of military drones and industrial grade intelligent drones.Key words:UAV;Data Link;High Reliability;High Efficiency;Joint Source-Channel Coding 0 引言 无人机作战运用非常灵活，执行枯燥、恶劣以及危险环境下的任务可降低人员伤亡，因此在各领域中应用广泛。无人机数据链系统是实现地面控制系统与机载平台实时、可靠与稳定通信的重要手段，能够传递地面遥控指令，遥测接收无人机飞行状态信息和传感器获取的情报数据，同时实现无人机群 收稿日期：2023-04-26。刘浩楠（1995.05），陕西商洛人，硕士，工程师，主要研究方向为无线通信。基金项目：“陕西省 2022 年重点研发计划”项目（2022ZDLGY03-03）内部间的高效协同工作1。传统的无人机数传系统速度低、容量小、抗干扰能力差，只能解决无人机基本的操纵控制和飞行状态监视问题，使得无人机可用范围受到限制。在无人机高速发展的背景下，通过数据链进行指挥控制、态势共享及协同作战的需求越发显著，世界各国都在推进无人机数据链的研究。现代数据链技术的发展使得无人机数据链向着高速、宽带、抗干扰能力强的方向发展，推动无人机实用化能力越来越强。在满足可靠性的基础上取得最大的传输效率，调和传输可靠性和传输有效性之间的矛盾，解决复杂环境下无人机数据链的高效、高可靠通信问题，292 现代导航 2023 年 对于无人机数据链的实用效能提升十分关键2。1 双频段无人机载数据链设计 无人机通讯系统的传输环境是复杂电磁环境，市区非直视环境就是一个复杂多径、低信噪比的无线通信环境，为了实现高速远距离测控，链路的抗多径衰落是首先要解决的问题3。首先，抗多径高速通信主要有单载波频域均衡（Single Carrier Frequency Domain Equalization，SC-FDE）体 制 和 正 交 频 分 复 用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）体制。理论研究表明，两种体制具有相似的抗多径性能，但OFDM 的频谱使用效率更高，因此本文采用 OFDM来解决无人机通讯链路的频率选择性衰落问题。其次，为了兼顾图像传输链路的可靠性和传输效率，最大化降低无人机下行链路发射端的复杂度和功耗，采用基于低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）的信源信道联合编码技术。信源信道联合编码以系统整体性能最优为目标，最大化信息传输效率，非常适合能耗与体积受限的无人机数据链。设备由天线单元、射频前端单元、信号处理单元、嵌入式边缘计算单元及电磁干扰识别单元构成，如图 1 所示。天线主要完成信号接收和信号发射功能；射频前端单元主要完成模拟下变频、带通滤波、模拟放大、增益控制以及模拟上变频功能；信号处理单元主要完成S频段遥测遥控链路和C频段图像传输链路的信息获取和实时显示、加解密、编译码、调制解调等波形处理功能；嵌入式边缘计算单元主要完成计算资源管理和数据管理；电磁干扰识别单元实现基于电子战干扰特征的干扰感知方法和数据链电磁干扰自动规避方法。图 1 无人机载数据链设备组成其中，信号处理单元基于 Zynq 芯片，实现双频段高可靠高效率数据链波形；射频前端单元提供射频信号收发控制、信号频率/功率调理及双通道信号处理；射频功放模块提供双通道信号放大及调理；电磁干扰识别单元基于 Zynq 芯片完成干扰感知和电磁干扰自动规避，实现对杂波环境的智能化适应；嵌入式边缘计算单元基于 GPU 芯片实现无人机业务数据的计算和管理。2 高可靠高效率数据链波形设计 OFDM 作为一种新型的物理层传输技术正越来越受到人们的重视，并成为 4G/5G 移动通信中的关键技术。OFDM 继承了传统多载波并行调制（Multi-Carrier Modulation，MCM）、符号周期相应增长的特点，在循环前缀的辅助下可以实现精准的符号同步，有效地将原本频率选择性衰落的信道转换为多个并行平衰落信道使用，从而大大提高了传输效率4。与传统的非重叠多载波技术相比，利用OFDM 的重叠多载波技术可以节省将近 50%的带宽。本文借鉴 IEEE 802.11a 无线局域网标准，设计符合无人机数据链传输需求的物理层波形5。2.1 参数设计 2.1.1 S 频段遥测遥控链路 S频段遥测遥控链路物理层OFDM波形的主要 第 4 期 刘浩楠等：双频段高可靠高效率无人机载数据链系统 293 参数如表 1 所示，其中一个主要的参数是保护间隔（Guard Interval，GI）长度，GI 的取值根据无人机应用确定，要能够容忍十几微秒的时延扩展，确保该数据链可以用于室外环境，满足无人机通信传输需求6。表 1 S 频段遥测遥控链路物理层主要参数 参数 数值 工作频段/MHz 2 408 2 440 数据速率/(kb/s)200、300、400 调制方式 BPSK 编码 LDPC 编码效率 1/3，1/2，2/3 子载波数量/个 52 导频数量/个 4 OFDM 符号长度/s 80 保护间隔长度/s 16 子载波间隔/kHz 15.625 信号带宽/kHz 812.5 信道间隔/MHz 1 信道个数/个 32 其他参数以 GI 长度为基础进行计算。为了将GI 占用的开销控制在 20%以内，OFDM 符号长度设置为 80 s，除去保护间隔长度，有效数据的长度为 64s，因此子载波间隔为 1/(64 s)=15.625 kHz。采用 48 个并行子载波进行数据并行传输，当调制方式为二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）时，该波形的未编码数据速率如式（1）所示 148 1bit600 kbps80 s （1）每个 OFDM 符号包括 64 个子载波，由 48 个传输数据的子载波、12 个虚拟子载波和 4 个导频（Pilots）子载波组成，导频主要用于跟踪剩余载波频率偏差、信道估计以及采样频偏估计。为兼顾高可靠高效率的系统要求，波形设计根据信道状态在各个子载波间进行不同码率的 LDPC编码，其中1/3、1/2 和 2/3 码率分别对应 200、300 和 400 kbps 的传输速率。2.1.2 C 频段图像传输链路 C频段图像传输链路物理层OFDM波形的主要参数如表 2 所示。同理，保护间隔的取值根据无人机应用确定，由于 C 频段可通过定向天线降低延时扩展，因此其保护间隔能容忍几百纳秒的时延扩展，就可以满足无人机室外图像传输需求。表 2 C 频段遥测遥控链路物理层主要参数 参数 数值 工作频段/MHz 5 7105 850 数据速率/(Mb/s)13 调制方式 QPSK（数据）编码 LDPC 编码效率 2/3 子载波数量/个 52 导频数量/个 4 OFDM 符号长度/s 4 保护间隔长度/ns 800 子载波间隔/kHz 312.5 信号带宽/MHz 16.66 信道间隔/MHz 20 信道个数/个 7 可通过保护间隔长度推导出其他参数。该频段的 OFDM 符号长度设计为 4 s，保护间隔开销控制为 20%即 0.8 s，有效数据长度 3.2s，则子载波间隔为 1/(3.2 s)=312.5 kHz。当调制方式为正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）时，该波形的未编码数据速率如式（2）所示 1482 bit24 Mbps4 s （2）每个 OFDM 符号包括 64 个子载波，由 48 个传输数据的子载波、12 个虚拟子载波和 4 个导频（Pilots）子载波组成，导频主要用于跟踪剩余载波频率偏差、信道估计以及采样频偏估计。为了保证图像的高速传输需求，采用2/3码率的LDPC编码，可以提供 16 Mbps 的数据传输速率。2.2 帧结构设计 S 频段遥测遥控链路的物理层协议数据单元帧结构如图 2 所示。前置的两个训练序列（即同步头）主要用于符号同步、载波频偏估计和信道估计。同步头由 10 个周期重复的短同步头 t1t10（每个序列含 16 个符号）和 2 个周期重复的长同步头 T1T2（为 64 个 OFDM 符号）组成，同步头长度总共为320 s。同步头后为信息域，长度为一个正常的符号长度，其中包含有该帧的码率及数据长度。以上这些部分一起组成帧头（Frame Head，FH），接收方在进行解调译码之前要利用它们完成符号定时同步，才能正确提取有效数据。294 现代导航 2023 年 图 2 S 频段遥测遥控链路帧结构同理，除了符号长度不同外，其他设计保持一致，C 频段图像传输链路的物理层协议数据单元帧结构如图 3 所示。图 3 C 频段图像传输链路帧结构2.3 OFDM 系统架构 OFDM 系统架构图如图 4 所示，上半部分为发射处理过程，下半部分为接收处理过程。在发射过程中，首先对二进制输入数据进行信源信道联合编码，再通过交织避免传输过程中的突发错误。然后，交织后的数据经过星座映射调制为同相分量和正交分量两路信号，再进行 BPSK 或 QPSK 调制。调制符号串并变换后通过快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）处理调制到不同子载波上，插入导频子载波后形成标准的 OFDM 符号。其次，输出数据并串变换后添加循环前缀（Cyclic Prefix，CP），并进行加窗滤波使符号的带外功率谱密度下降得更快。最后，将数字信号通过数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）转换为模拟信号后，送往射频前端进行上变频及放大，完成发射处理过程7。图 4 OFDM 系统架构 第 4 期 刘浩楠等：双频段高可靠高效率无人机载数据链系统 295 发射机的逆操作就是接收处理过程。为了适应不同无人机的距离远近，首先，需要对接收信号进行自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC），使输入信号幅度保持相对稳定，在模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）无失真采样范围内；然后，该波形使用相干解调需要恢复时钟，使接收方的时钟与发射方的时钟同步。对于无线信道传输，由于发射机和接收机的振荡器频率不能完全一致，且多普勒频偏等也会造成载波偏移，因此需要对接收信号的载波频率偏移（Carrier Frequency Offset，CFO）进行精确估计并补偿；最后，无线信道的频率选择性衰落会造成不同子载波的幅度偏差，从而影响幅度判决解调，因此必须通过均衡来补偿。接收信号经过频率同步、符号定时及频域均衡补偿之后，才能进行解调、解交织，最后送入信源信道联合解码器中进行译码。3 信源信道 LDPC 联合编码技术 在无线信道中传输数据误码不可避免，所以对原始数据进行编码加冗余保护是必须的。本文对不同的信源（指令、语音、图像、视频）或者信源编码器输出码流，根据其重要程度进行不同程度的编码冗余保护，即采用不等差错编码方法，对重要数据（比如控制指令、遥控遥测信息等）进行较多的编码冗余，对相对不重要的数据（比如图像、视频等）进行较少的编码冗余，从而兼顾链路的可靠性及传输效率8。信源信道联合编码框图如图 5 所示，信源信息先经过组帧后，通过帧头信息表示其重要性程度，然后根据其重要程度进行不同码率的LDPC 编码，再将编码后数据进行调制发射；同理，经过信道传输后接收方先解调出帧头的重要性信息，再进行不同码率的 LDPC 译码即可。图 5 信源信道联合编码框图 为验证基于不等差错编码保护的LDPC信源信道联合编码方法9，根据图 5 的原理将原始数据经过不等差错联合编码保护与等差错非联合编码，将两者输出的数据误码率进行对比，如图 6 所示。具体的仿真方法为：1）通过 Matlab 产生一段长度为 512 的 BPSK 数字调制信号，采用非联合编码，选择 1/2 的 LDPC码率，即添加 512 长度的冗余，码长为 1 024，通过加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道，译码得到的误码率，对应图 6 中“非联合编码”曲线；2）同理，用相同的 512 个原始数据，将其分为256 个重要数据与 256 个不重要数据，分别进行不等差错编码保护：其中，对于重要数据，选择 4/9码率，即添加 320 个冗余；对于相对不重要的数据，选择 2/3 码率，即添加 128 个冗余。总码长为 960，通过高斯白噪声加性信道后译码，不同数据的误码率如图 6 中的不等差错保护曲线所示。图 6 不等差错保护的 LDPC 信源信道联合编码性能比较 由图 6 仿真结果可知，重要数据的传输误码率更低，如果对重要信息的可靠性有较高要求时，不等差错信源信道联合编码就有着明显的优势。而且采用非联合等差错编码的编码效率为 512/1 024=0.5，而不等差错保护编码效率为 512/960=0.533，在编码效率上也有所提高。4 结语 随着无人机市场的蓬勃发展，军用智能无人机及工业级智能无人机的市场规模也将持续增大，作为核心传输链路，高可靠高效无人机数据链的应用，将进一步拓展军用智能无人机和工业级智能无人机的应用场景。在民用领域，工业级智能无人机主要应用于农012345610e-610e-510e-410e-310e-210e-110e0信噪比/dB误码率/%联合编码保护重要信息非联合编码联合编码保护次要信息不同码率 LDPC 编码 LDPC 编码 296 现代导航 2023 年 林植保、电力监测、物流运输和巡检安防等领域，此外，也可应用于通信中继和应急救援等领域；在军用领域，高可靠高效无人机数据链将大幅提升无人机侦察能力，包括情报侦察能力大幅度提升、军事打击更加灵活、中继通信促进作战效能提升等10。参考文献：1 吕娜，杜思深，张岳彤，等.数据链理论与系统M.北京：电子工业出版社，2011：68-70 2 杨会军，王琦.国外无人机数据链发展现状及其干扰技术J.航天电子对抗，2016（6）：57-59.3 汪伟OFDM 系统研究及同步设计实现D.北京：北京邮电大学，2010.4 曲亮.基于 IEEE 802.11a 无线局域网标准的 OFDM 基带处理器设计与硬件实现D.杭州：浙江大学，2006.5 盛中华基于 IEEE 802.11a 标准的 OFDM 系统相位噪声抑制算法及其硬件实现研究D.杭州：浙江大学，2008 6 井冰.双载波超宽带接收机关键技术与基带芯片的实现研究D.上海：复旦大学，2014 7 王慧琴.基于 FPGA 的 OFDM 基带通信系统的设计与实现D.包头：内蒙古科技大学，2011.8 薛擎天，徐于洋，左晓亚，等.浮标无线通信中的联合信源信道编码性能J.鱼雷技术，2015，23（2）：134-144.9 雷永俊.采用 LDPC 码的联合信源信道编码研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.10 林伟廷.无人机数据链能力需求和关键技术发展研究 J.无线互联科技，2017（14）：140-141.现代导航征稿通知 现代导航前身为导航，1964 年创刊，是由中国电子科技集团公司第二十研究所主办，中国电子学会导航分会协办的一份国内导航领域的专业性杂志。为了适应导航领域的技术发展现状和广大读者的需求，2010 年，经国家新闻出版署批准，现代导航公开出版发行，具有国内统一连续出版物编号（CN 61-1478/TN）和国际标准连续出版物编号（ISSN 1674-7976）。来稿要求：（1）文稿观点鲜明、逻辑严谨、数据可靠、文字精炼、图表清晰且为彩色；（2）论文一般限 6000 字以内（含图表）。文稿内容包括：题名（20 字以内），作者姓名，作者单位（含地区名和邮编），中英文摘要（300 字以内，包括：目的、方法、结果、结论），中英文关键词（38 个），正文，参考文献。摘要采用第三人称写法，包含与论文同等量的主要信息，一般应包括目的、方法、结果、结论四要素。图表中文字、变量、单位、数字要清晰。文中图应有图注并注明物理量及其单位，物理量和单位应符合国家标准或国际标准，文中和公式中字符（数字、希腊文、英文、罗马字）的大小写、上下标及上下标字母含义须明晰，表示矢量、向量及矩阵的字母请用黑斜体；（3）作者介绍：姓名（出生年月），籍贯，学历，职称，主要研究方向；（4）作者请自留底稿，并严格执行国家有关著作权、版权、专利等项规定；（5）稿件文责自负（包括政治、学术、保密等），作者应提供本单位出具的保密审查证明以确保论文不涉及国家秘密，并签署著作权转让协议。作者本人均需通过互联网投稿通道（网址：:1880）进行投稿，投稿时需上传电子版保密证明及著作权转让协议，并将本单位盖章后的保密证明原件寄至编辑部地址。为保证投稿方式的唯一性和准确性，已停止接收其他投稿方式所投稿件。本刊已被“中国学术期刊（光盘版）”、“万方数据数字化期刊群”、“中文科技期刊数据库”和“超星期刊域出版平台”等收录。如作者不同意文章被收录，请在来稿时向本刊说明，本刊将作适当处理。