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带你读《无人机网络与通信》之二:空对地与空对空数据链路通信

简介: 本书针对无人机系统两个关键问题—通信组网和管控体系做了比较全面和深入的描述和探讨,特别是以大量笔墨分析了现有无线通信解决方案,对比了不同通信协议,得出了很有价值的研究结论。无人机的跨越式发展将涉及公共安全管理的问题,构建管控体系是当务之急,分级管理以及制定相应的适航标准是一件大事情,本书对此也进行了系统的、建设性的讨论。未来,高档无人机和无人机集群将对环境具有更强的感知能力和自适应能力,还有对任务的自规划和学习、调整能力,本书讨论的内容将为它们的发明、部署和监督提供宝贵的信息。

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空对地与空对空数据链路通信

Bertold Van den Bergh,Sofie Pollin
为了确保地面对于飞机和空域的控制,无线通信一直是载人航空中必不可少的技术。除了无线通信,在所有飞行控制系统中,各种无线电频段的雷达也是重要的组成部分,它们可以提供关于飞机位置的准确信息。几十年来无线通信领域实现了巨大进步。首先是从模拟系统到数字系统的飞跃,之后是通过摩尔定律实现了数字比例缩放。今天大量不同的技术都在使用和共享相同的航空波段。本章我们将从早期的载人航空无线通信的背景入手谈论雷达以及早期的数字通信,然后将讨论近来提出的两种L波段数字航空通信新技术,最后通过研究地面移动宽带通信的先进经验并推广至小型无人机的空中通信,我们将总结出一些基本结论。随着技术的发展,在越来越小的芯片上可以实现越来越多的处理能力,但是为了确保良好的链路预算和远程通信质量,我们仍旧需要依赖电磁波和无线信道的基本特性。因此我们分析了多天线技术的应用,以及近十年来提高了地面移动宽带通信范围和速率的突破性技术,并对其在小型无人飞行器上的可行性进行了评述。

2.1 载人航空的空对地通信

无线通信技术通常用于载人航空。本节概述了载人航空中雷达和通信的解决方案。无人机系统可以看作这些系统的延伸,是以传统的载人通信技术为基础,结合在移动宽带通信场景下进行的颠覆性创新。

2.1.1 地基飞机识别雷达

在受控空域中,准确地知道所有参与飞行的飞机的位置是非常重要的,通过一次监视雷达和二次监视雷达可以对所有的飞机进行识别。我们将首先介绍这两种雷达系统,然后重点比较两种雷达系统的天线。
1.一次监视雷达
一次监视雷达(Primary Surveillance Radar, PSR)系统是一种传统的雷达系统,它使用一个大的定向天线来发射信号并监听接收到的回波,回波的延迟与飞行时间和飞机距离呈函数关系。这种方法的一个巨大优势是,避免了在尺寸和重量都受限制的飞行器上安装设备,然而缺点是会探测到任何能引起足够强反射的物体,这导致鸟类、云层甚至特殊地形都会引起混淆。除此之外,单雷达的一个主要缺点是它只能发现物体而不能识别物体。
另一大限制是几乎所有的一次监视雷达系统都无法确定飞行器的高度,这是由于系统只能在水平面上平移天线,垂直波束图被天线的物理外形所固定。实际上水平波束非常窄,因此具有很高的方位分辨率,而垂直波束很宽,能够尽可能多地照射和探测空中的物体。
最有可能让一次监视雷达测量高度的方法是使用波束导引的相控阵天线,它比机械式转向天线更昂贵,因为相控阵天线的每个天线单元都需要一个模拟前端,并对前端进行相位相干性设计。也可以将天线安装在平移倾斜定位装置上并以此方式扫描整个3D空间。然而雷达图像需要很强的时效性,要求更新率为5~15s,而天线质量一般都很大,无法高速地移动。一些主要出于防御目的的系统会采用多馈点天线或装有移动二次反射器的单馈点天线。气象雷达经常使用双轴定位天线,它们只需每隔几分钟发送一次图像。图2-1是位于比利时贝尔特姆的雷达站,由Belgocontrol公司管理,图中大型的天线是一次监视雷达,二次监视雷达使用顶端较小的天线。
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图2-1 比利时贝尔特姆雷达站的一次和二次监视雷达

2.二次监视雷达
二次监视雷达(Secondary Surveillance Radar, SSR)的主要任务是确定高度和识别飞行器。由于它依赖安装在飞行器上的应答器,因此它不能用于探测和跟踪不合作的目标。
应答器接收地面站发送的询问请求,然后根据相应的应答模式进行应答。常用的民用航空器的应答模式见表2-1。

表2-1 二次雷达应答模式

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值得注意的是,模式A和C总是一起使用,所以高度和飞行器ID码都会被发送回去,但A和C两种模式的一个问题是它们无法回应选择性询问。如果一个区域被许多雷达覆盖,应答器将发送大量的应答,这会导致堵塞和干扰增加。此外如果两架飞行器靠近,它们的询问应答会发生冲突从而降低雷达系统的有效性。为了解决这些问题引入了模式S,所有的应答器都有一个全球唯一的24位ID码,它可以用于特定的询问以及地面和航空站之间的数据通信,询问时使用1 030MHz频率而回复时使用1 090MHz频率。
3.余割平方天线图
典型的空中监视雷达天线具有特定的余割平方图。本节将简短地介绍这个特定的图是什么以及为什么使用它。首先推导出计算雷达接收功率的公式。
第一步是确定雷达发射器在目标处产生的功率密度Si。假设雷达系统发射功率为Ptx,它在半径为R的球面上传播,可以得出:
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当然,实际使用中所有的雷达系统都会使用具有增益的天线,这意味着功率主要是沿一个方向发送的。与各向同性辐射体相比,参数G定义功率密度的高度。考虑方向性,那么目标(S)处的功率密度是:
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不是所有的物体都会同样地反射雷达信号,大型客机是一个很好的反射体,而木质双翼飞机并不能很好地反射雷达信号。因此我们定义雷达截面积σ为截获发射雷达辐射的区域,并各向同性地将其散射回接收器,物体散射的功率为image.png
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当雷达接收器的功率密度为Sr时,计算得到的接收功率较原发射功率将再次衰减。假设雷达为单基地雷达,这意味着从发射器到目标的距离和从目标到接收器的距离是相等的。雷达截面积是对于各向同性辐射体而言的,故增益为1,由此可以得出接收功率密度:
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天线端口的实际接收功率Pr取决于天线孔径A:
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天线增益与孔径成正比关系:
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根据式(2.1),假设发送和接收天线相同,可以得到:
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那么最终的接收功率可以表示为:
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为了向空中监视雷达提供统一的扇区覆盖,我们希望天线按功率Pr发送信号时,不依赖在某一高度的飞机飞行时波束传输的距离。如式(2.2)所示,对于恒定的Pr:
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由图2-2可知,距离R与飞机仰角α和高度h有关:
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因此:
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由于在固定的发射功率下G和R2成正比,假设高度是常数,则有:
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因此我们可以确定理想天线具有与仰角的余割平方成正比的增益。
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图2-2 距离为R、高度为h、仰角为α处的目标示意图

2.1.2 雷达以外的距离与方向测量

距离测量设备(Distance Measuring Equipment, DME)能够测量从飞行器到地面转发站的倾斜距离,虽然目的类似于雷达,但它是通过双向分组交换技术实现的。询问飞行器发送脉冲编码消息到地面站,在一个固定延迟之后由地面站回复消息,然后飞行器中的测量单元可以通过测量往返时间来确定到DME信标的距离。值得注意的是,测量的距离是倾斜距离。实际上如果飞行器在DME正上方1km处,那么距离读数将显示1km。
DME系统使用126个不同的信道,信道间隔为1MHz。下行链路频段为1 025MHz~ 1 150MHz,上行链路频段为962MHz~1 213MHz。典型的峰值发射器输出功率约为1kW,与Wi-Fi等移动宽带系统相比高出了很多,并且与这些系统的共存具有挑战性,后面将着重讨论这一点。
DME站通常与甚高频全向范围站(Very High Frequency Omnidirectional Range, VOR)共址。VOR是固定的陆基发射站,通过传输信息,它可以让飞行器计算进出站的方位,通常与DME一起用于计算飞行器的位置。或者可以将两个VOR的方位相交得到飞行器的位置。
VOR系统通过发送频率范围108MHz~118MHz的甚高频信号来工作。该信号有三个部分:第一部分是全向信息;第二部分是高度定向信息,通过30Hz的相控阵天线旋转传输,然后通过比较方向和全向分量可以计算出方位;第三部分是用于电台识别的摩尔斯编码信号。一些VOR系统还可以广播语音消息。
除此之外,还有非定向信标,可在190kHz~1 750kHz之间的极低频率下工作,其载波可调制传输摩尔斯码ID和语音信息并通过飞行器的测向接收器接收。

2.1.3 用于精确定位的仪表着陆系统

仪表着陆系统(Instrument Landing System, ILS)是一种地基无线电系统,它能够帮助飞机进行精确着陆。该系统由两个部分组成:定位器和下滑道。定位器是安装在跑道末端外的天线阵列,天线传输两种信号:一个90Hz指示右方向的信号和一个150Hz指示左方向的信号。飞机上的接收器将测量150Hz和90Hz信号的相对强度,为了保持在跑道中心位置,两种信号强度应该相等。
定位器系统仅提供水平方向的制导,为了引导飞机垂直方向的操作,将使用另一种称为下滑道的系统,它的工作原理与定位器相似:90Hz信号指示向上,150Hz指示向下。进场航线一般在3°左右。

2.1.4 空地间语音通信

为了使飞机能够进行语音通信,经常使用甚高频(Very High Frequency, VHF)频段进行通信,其频率范围在118MHz~137MHz之间,实际频段开始于108MHz,但是前10MHz被保留用于非语音操作(VOR、ILS等)。在许多国家,信道间隔设定为25kHz,而欧洲为8.33kHz。遥远区域的远程操作可以使用短波通信。军用飞机在225MHz和400MHz之间分配有超高频(Ultra High Frequency, UHF)频段。
甚高频采用的调制方式是标准幅度调制(Amplitude Modulation, AM)。使用幅度调制的最大优点在于,当同时接收多个信号时用户将听到两种信号的混合,这使得多方交谈可以同时进行。频率调制具有非常强的捕获效果:如果同时发送两个信号,则只接收最强的信号。

2.2 面向未来的现代化空中通信

根据欧洲控制局发布的一份报告[154]预测,到2035年欧洲将有1 440万架次航班在“调控增长”情况下出现。随着航空飞行需求不断增加,美国和欧洲的空中交通管理(Air Traffic Management, ATM)系统很可能在未来几年达到能力极限。美国和欧洲都已经开始通过大型项目开发下一代空中交通管理系统来满足这一需求:

  • 欧洲单一天空ATM研究(欧洲);
  • 下一代国家空域系统(美国)。

这两个项目在国际民航组织(International Civil Aviation Organization, ICAO)的框架下协调一致。为了实现这些新的空中交通管理系统,有必要开发改进的通信、监视和导航技术。我们首先概述监视和导航技术,然后总结改进的通信新技术。

2.2.1 现代监视与导航技术

现代监视系统一般会使用自动相关监视广播(Automatic Dependent Surveillance–Broadcast, ADS-B)技术来增强监视。这是一种协同监视技术,在没有询问者的情况下,飞行器会定期广播通过卫星导航获得的位置信息。相应地,许多地面站通过接收周期性信号来追踪飞行器位置。此外,其他飞行器上的接收器也可以接收该飞行器发送的周期性信息以获得态势感知。ADS-B有可能取代雷达作为民用空域监视的典型技术方案,但需要注意的是,系统需要目标合作因此不适合国防应用。
ADS-B由ADS-B Out和ADS-B In两种服务组成,ADS-B Out是广播飞行器导航信息的发射器,ADS-B In是一种能够接收其他飞行器或地面站广播信息的接收器。ADS-B有许多优点:

  • 态势感知:在配备ADS-B接收器(ADS-B In)的飞行器上,驾驶员可以看到周围飞行器的位置和高度,驾驶舱屏幕上也可以显示天气。在一个完整的ADS-B In系统中获得的视图,可以与空中交通管制屏幕上所看到的相媲美。系统创建了一种分布式态势感知,大大提升了飞机可视避让的能力。
  • 提升导航精度:由于飞行器定位精度高,因此可以让飞行器控制的分离度更低、效率更高、环境影响更小。此外,ADS-B可以帮助飞行器更有效地绕过天气恶劣和受到限制的空域。
  • 识别:由ADS-B发射器广播的数据包含唯一的识别码,这使得每架飞机都能被唯一识别。
  • 提升安全性:如上所述,ADS-B还允许从地面传输数据到飞机,这两项服务是飞行信息服务广播(Flight Information Service Broadcast, FIS-B)和交通信息服务广播(Traffic Information Service Broadcast, TIS-B)。FIS-B提供天气信息和文字式的建议,如航行通告(NOTAMS);TIS-B提供雷达捕捉到的飞机航线信息。
  • 搜索与救援:由于飞行器每秒钟发射一个非常精确的位置,所以更容易预测飞行器可能坠毁的位置。
  • 占地面积小:ADS-B地面接收器非常小,因此很容易通过添加多个地面站来填充覆盖间隙,尤其是在不可能安装雷达站或是安装成本过高的地方。
  • 成本:ADS-B地面站的成本明显低于传统的一次和二次雷达站的成本。

ADS-B业务有两种主要的空中协议:

  • 1 090MHz扩展分频器:该系统使用修改的模式S应答器在1 090MHz发送数据。扩展的断续振荡消息的格式经过国际民用航空组织标准化处理[219],适应欧洲的使用需求。
  • 通用接入收发器:这个978MHz系统仅适用于美国低于18 000英尺(5 486.4m)平均海平面(Mean Sea Level, MSL)的空域,它是ADS-B最典型的数据链路协议。

2.2.2 空中交通管理中的数字通信技术

根据Schnell等人得出的结论[375],现代化ATM技术需要从语音通信转向数字通信。控制器和飞行员之间与日俱增且愈加复杂的信息交换需求需要现代通信技术作为支撑。正如前文所述,几乎所有的空中交通控制台和飞行员之间都需要使用语音来通信,但是很明显,语音有一个缺点就是它拥有很高的“开销”,不适合用来高效地传递未来操作程序中所需的信息。尽管语音通信很可靠,但是它的频谱效率很低,通常只有几个数据位可以用来表示消息的内容,为了解决这个问题,发展数字通信链路是非常必要的。理论上,数字通信链路工作在VHF频段能够获得最佳的覆盖范围。实际上,国际民航组织二十多年前就制定了一个VHF数据链路:VDL(VHF Data Link,甚高频数据链路),但是这个链路的吞吐量太低,无法满足未来ATM的应用场景,因此需要发展一种新的数据链路标准,这种链路工作在L波段(960MHz~1 164MHz),该波段已经分配在航空通信的次级信道上。目前正在研发两套系统来满足通信需求:LDACS1和LDACS2。LDACS(L-band Digital Aeronautical Communication System)即L波段数字航空通信系统的缩写。这两种通信系统设计的通信距离都是200海里(370km)。
需要注意,上文所说的频率范围中很大一部分是与甚高功率脉冲DME(参见2.1.2节)发射器共享的。因此,在这里部署的任何数据链路都必须在DME(非嵌入)不使用的小频段中工作或者在DME信号(嵌入)之间传输。幸运的是,DME信号具有如图2-3所示的频谱。如图所示,在嵌入部署场景中,两个DME发射器之间大约有500kHz的频段可以使用。因此,在DME信号之间部署是优选,这样部署新系统不用改变任何现有发射器的信道。
1. LDACS1
LDACS1型是未来空对地通信标准中最有希望的候选方案[139]。LDACS1模式旨在部署于嵌入场景中,因此总带宽被限制在大约500kHz内。当然,它也可以在非嵌入场景中部署系统。图2-3显示了两个DME发射器之间的LDACS1信号。在某些情况下,仅有频谱形状是不够的,因此系统中还包含用于脉冲干扰的消隐系统。
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图2-3 LDACS1部署于两个DME发射器之间

LDACS1是基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)调制的频分双工(Frequency Division Duplex, FDD)模式。虽然时分双工(Time Division Duplex, TDD)方法更容易实现,但由于系统要远距离工作,TDD方法会产生较大的开销,保护间隔需要很长。如2.1.2节所述,另一个优点是正向(地对空)和反向(空对地)链路可以与DME上行链路和下行链路频率对齐,这将大大减少共存约束。
表2-2给出了LDACS1 OFDM的参数,该模式框架结构的完整概述详见参考文献[386]。
表2-2 LDACS1系统参数
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2. LDACS2
LDACS2[272]是未来地对空数据链的第二大标准,其物理层实际上与第二代全球移动通信系统(Global System for Mobile communication, GSM)非常相似。由于它不能应对DME的干扰,所以只能应用于960MHz~975MHz的频率范围。表2-3总结了LDACS1与LDACS2中重要的参数比较[238]。
表2-3 LDACS系统比较
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2.3 实际的无人机与微型无人机数据链路

本节对商用无人机(UAV)系统与微型无人机(Micro UAV, MUAV)系统中使用的典型通信技术进行了简短概述。通常来说,这两种无人机系统的通信需求由两部分组成,第一并且最首要的是应该能够控制和监视无人机的操作。为了满足这个功能,无人机应配备一个或多个有效载荷,这些有效载荷往往需要向其他无人机或者地面控制站传送数据。下面将讨论可以应用于无人机的各种已有的通信技术。在2.4节中我们将进一步测试并分析这些技术。

2.3.1 遥控与遥测

用于控制和监测无人机的无线链路通常是远距离且具有高可靠性,带宽需求通常很低。如果无人机的轨迹由飞行员控制,那么延迟也应尽可能低。

2.3.2 载荷与应用数据通信

依赖于视频传输的典型无人机应用(例如监视)需要无人机之间的高带宽通信,这通常使用以下系统:
1. IEEE 802.11
这个标准最常用于家庭和企业的无线网络中。该标准的常用版本(如IEEE 802.11a/n)使用2.4GHz和5GHz频段的OFDM物理层,信道带宽是最常见的20MHz或40MHz,同时还定义了两个带宽为5MHz和10MHz的窄带模式,通常用于专业应用。最新版本的标准(IEEE 802.11ac)允许在5GHz频段达到160MHz的信道宽度。该标准的一个主要优势在于,由于其在消费产品中应用广泛,相应的芯片和无线调制解调器的成本非常低;另一个重要的优点是从综合的视角来看,它可以模拟以太网电缆。事实上在无人机上通常可以重复使用标准的网络应用,并且不需要做太多改变。
2.蜂窝3G/4G
使用蜂窝系统作为无人机载荷通信系统的最大优势在于,整个网络侧已经由移动运营商提供了,系统简单易用。假设覆盖空间足够大,也能够轻易将蜂窝系统和互联网进行连接,但这一优势也是劣势,因为用户不能控制网络,无人机可能飞行在蜂窝网络未覆盖的区域,服务质量会很差。除了可能的覆盖问题,根据不同运营商的网络配置方式,还存在网络地址转换、防火墙相关的连通性问题。
3.模拟系统
这部分主要适用于视频信号的传输。在业余级和轻型商用无人机种类中,拍摄的图像通过简单的模拟信号进行传输。
该系统基于传统的PAL或NTSC视频信号(译者注:即全球三大电视广播制式中的两种),然后在射频(Radio Frequency, RF)载波上对该信号进行调频(Frequency Modulation, FM)调制并发送。这种系统没有统一的标准,信号带宽和视频均衡参数由各个制造商自行决定,典型的带宽值是20MHz。
模拟传输有很多缺点:图像质量差、分辨率低、无法进行安全加密、容易受到噪声影响、频谱效率低等。然而模拟系统有两个显著的优势是现代数字通信系统难以实现的。
第一个优势是:由于图像传感器输出的像素流几乎是对射频信号的直接调制,所以延迟非常低(可以实现小于15ms)。这通常用于业余级系统,可以在完全手动控制飞行的情况下使用视频直播(即第一人称视角(First-Person View, FPV))来驾驶无人机;另一个优势在于其优雅降级特性(译者注:随着信号减弱/设备失效其功能逐渐丧失),当距离增加时,在图像上会出现越来越多的噪声,提示用户无线电系统正在接近极限。与之相比,大多数数字系统会完美地工作直到某一极限然后突然罢工。
当然,与基于数字视频广播(Digital Video Broadcasting, DVB)的技术一样,该系统将以100%的占空比传输,无法与其他通信技术共同工作。在许多国家,这意味着对发射功率进行强力限制或者需要频谱许可。

2.4 地面无线宽带解决方案在无人机链路中的应用分析

无人机空中通信需要在空中通信中引起更强烈的范式转移,因此先前讨论的LDACS1和LDACS2很可能无法满足需求。首先,无人机框架通常很小,从固定翼中小型飞机到更小的八旋翼无人机和四旋翼无人机,迄今为止发现的最小的四旋翼无人机直径约为10cm,因此通信模块(包括链路层模拟和数字处理以及天线)的重量必须非常小。其次,无人机应用通常与搜索、救援或监视相关,无人机需要将视频数据通过无线链路传输到地面。因此数据传输需求比LDACS1或LDACS2中考虑的要高很多。第三,随着无人机系统广泛地应用于军事和民用领域,预计无人机节点在空中网络中的密度会很大,也就是说必须同时支持更多的通信链路。
为了满足重量和数据速率需求,人们普遍认为当今广泛应用的地面移动宽带通信适用于无人机系统,比如说IEEE 802.11a、GPRS(General Packet Radio Service, 通用分组无线业务)或者LTE(Long Term Evolution, 长期演进技术)蜂窝网络。这些网络中的通信节点通常使用芯片组,有时也在单个芯片中集成模拟和数字处理功能。如果可以为无人机框架制造出小而优的天线,相应的通信解决方案也将是轻量级的。为了证明这一猜想,2.4.1节中将测评IEEE 802.11通信中工作在ISM(Industrial Scientific Medical, 面向工业、科学、医学领域)频段的天线用于小型无人机框架时的性能。
对于无线宽带通信技术中的数据速率要求,通常通过增加空间流的数量来满足,这意味着依靠发射器和接收器上的多个天线,可以增加发射器和接收器之间的链路层吞吐量。然而这仅在无线传播环境的某些特定条件下成立,我们将在2.4.2节详细地讨论。
对于空对地链路考虑两种情况。首先,我们将从干扰的角度研究空对地链路。空中的每架无人机都受到使用相同频谱的多个地面站的干扰,这些干扰链路显著地降低了无人机所接收的信噪比和信干比。通过应用波束成形技术(波束成形技术是一种不依赖于多径信道条件的备用多天线技术)可以显著降低这种地面干扰的影响。更多的细节在2.4.3节中给出。
下一章将在链路和物理层基本特性之外给出IEEE 802.11的更详尽分析。

2.4.1 单天线无人机系统分析

尽管模拟和数字宽带通信的芯片组已经非常轻巧了,但是通信系统的主要瓶颈仍然是天线的尺寸和重量。通信频率为2.4GHz时,理想的半波长天线的尺寸是6cm,这对于多数无人机结构来说是一个比较大的尺寸。
除此之外,一般的无人机框架结构中都含有大量的导电材料,对天线和无人机机体很难做到物理隔离,因此天线的性能可能会被影响。为了证实这一点,我们对安装有全向5GHz四叶草天线的四旋翼无人机进行了试验,可以预见这些金属机臂会起到反射地平面的作用。如图2-4所示,测量方向的信号强度明显地降低了[41]。在Swinglet塑料固定翼无人机上我们进行了相同的实验,为了验证信号衰减只受到金属机身的影响,无人机框架结构改为塑料机臂。事实上,此时的信号电平可以与自由空间的条件相媲美。
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图2-4 天线试验结果

假设金属机臂形成完美的地平面,我们可以得到相应的辐射样式分析。图2-5显示了不同天线高度的辐射样式(顶部和底部画在同一张图上)。如图2-4所示,信号随到达角变化很大,图2-6更详细地表现了这一点。
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图2-5 天线增益极化图

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图2-6 单天线增益

2.4.2 多天线无人机空对空链路分析

当今所有广泛应用的地面移动宽带通信技术,都依靠多天线来增加链路层容量。IEEE 802.11n和LTE技术允许发射器和接收器最多使用四个天线,而下一代IEEE 802.11ac和LTE-Advanced(即LTE升级版)技术甚至考虑在接入点或基站使用八个天线。这是因为当发射器和接收器上的天线数量都以四的倍数增加时,(理论上)也可以按四的倍数扩大链路层吞吐量。这项技术很大程度上依赖于典型地面通信系统的空间自由度:每个发射和接收天线对应不同的信道,如果这些信道是完全正交的,那么可以直接在每个信道上发送消息而互不干扰。然而这种正交性只有在环境中存在很多多径反射时才能实现,因为它使得每个位置(或天线)能收到另一组频率,将本信道的信号相加或者相抵。
空对空通信链路拥有很强的视线(Line-Of-Sight, LOS)成分,这意味着发送无人机和接收无人机之间的直接射线强度很大,其量级比通过地面或其他物品反射的量级要大得多。虽然在杂乱的环境中确实可能存在多个不同的反射(多路径),但是与LOS成分相比,这些反射在接收无人机处很可能都只有非常低的功率。在多个发射天线和多个接收天线之间的LOS信道相关性很高,由于这种相关性,很难依靠多天线技术在空对空链路上进行空分复用(Spatial Division Multiplexing, SDM)。
为了验证多入多出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)在无人机场景中是无效的,我们测量了空中IEEE 802.11n链路的性能。IEEE 802.11n能够使用多达四个天线,但最广泛使用的芯片组最多支持两个天线。我们在高度为7m的杆上安装了两个IEEE 802.11n天线卡以测量空中链路性能。通过在杆上测量,我们可以消除其他效应,如2.4.1节所述。两个天线使用相同的极化。
尽管测量中有噪声,图2-7显示出使用MIMO并没有实现预期的吞吐量双倍增加,只有在很短的距离内MIMO才能够提高吞吐量。MIMO会启用两个不相关的信道,因此使用具有不同极化的天线可潜在地提高双流MIMO的性能。
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图2-7 802.11不同工作模式的比较

2.4.3 多天线无人机空对地链路分析

根据上面的分析可以得出,在小型无人机上使用多天线技术具有一定挑战性。首先,天线的重量和大小通常决定着有效通信载荷的重量和大小,因此将多个天线放在单个小型无人机框架结构上并非轻而易举,其影响将是相当大的。其次,即使不考虑天线重量,LOS传播环境也禁止使用多个天线进行空分复用。可以考虑使用多个天线进行波束成形,在这种情况下,天线合作增强LOS方向上的信号,并确保由两个天线发射的波束在接收天线处正向相加。类似地,接收无人机处的多个天线可以合作接收来自LOS方向的信号,从而尽可能地忽略来自其他方向的信号。本节首先分析地面有害干扰对接收无人机信噪比和信干比的影响,然后将说明如何进行波束成形才能有效改善接收器的信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)。
1.有害干扰测量
为了验证假设,即干扰等级随高度上升而增加,在参考文献[430]中我们设计了一种轻量化的IEEE 802.11数据包嗅探器,它可以用于任何无人机甚至氦气球上。有了嗅探器就能够:记录IEEE 802.11发射器的接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)的强度等级,显示其随高度变化的趋势;追踪嗅探到的IEEE802.11发射器数量。图2-8详细描述了测量的设置,嗅探器放在了一个气球上,只会测量到周边的环境干扰。
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图2-8 无线监听器放置在一个氦气球上

如图2-9所示,在城市环境中进行的测量指出,探测到的网络数量相对于气球的高度显著增加。测量在比利时鲁汶市居民区附近的大片空地上进行(用气球可以飞到任何地方,没有管制限制),气球的高度近似于绳子的长度,但是在有风的情况下,气球常常被吹走造成测量不准确,这导致了检测到的IEEE 802.11网络数量出现波动。为了证明这种效应是由于空中网络与地面网络相比遮蔽有限,我们在高度遮蔽的环境(译者注:即存在阴影效应)中进行了相同的测量。如图2-10所示,结果确实证实,在这种场景下检测到的网络的数量不会随着高度增加。
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图2-9 监测到的网络数量随高度变化图

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图2-10 控制阴影效应的情况

2.有害干扰模型
为了模拟上面测量的效果,我们创建了一个简单的模型。由于工作在空对地场景中,所以可以预见路径将由视线成分控制,因此可以用Friis方程有效地估算路径损耗:
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然而,测量证实应该考虑离散的阴影(遮蔽)效应(如图2-11所示)。遮蔽可以简单地表示为穿透物体每米的附加路径损耗:
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图2-11 信号干扰比

有了这个模型,我们可以确定空中接收器与地面基站通信时,受到来自地面上大量随机分布的无线接入点干扰的信号与干扰加噪声比(SINR)。假设天线为全向天线并在自由空间传播,一个跨越300m距离并在2.45GHz下工作的链路将具有90dB的路径损耗。假设机载发射器的输出功率为20dBm,那么接收到的信号强度为-70dBm,这个信号强度等级不足以保证IEEE 802.11链路的无误码传输。可以假设该链路质量只有在无人机飞行高度更高时才能变得更好,此时菲涅尔区将变得清晰。然而有干扰时得到的结论完全不同,高强度的背景干扰使得信干比为负。图2-12是100次仿真结果的均值(建筑物和地面干扰源位置随机),演示了这种效应。
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图2-12 平均信号干扰比

2.5 总结

本章首先概述了飞机和地面站之间常用的通信技术。第一代系统由雷达系统和主要适用于语音通信的一些简单通信技术组成。随着数据通信需求和吞吐量的不断增加,LDACS1、LDACS2等现代数字通信技术应运而生。随着小型和中型无人机的出现,空中通信需求将进一步增加,通信技术向轻量化解决方案、用于视频传输的高容量链路以及密集的网络发展。我们已经探索了实现轻量化空中通信解决方案的可行性,其具有高数据速率并与地面通信系统良好共存。结果表明轻量化通信是可行的,但主要的问题来自于地面的干扰。在地面通信中,依靠多天线技术可以实现高吞吐量和抗干扰但对于空对空链路来说非常具有挑战性。由于无人机通信非常容易受到来自地面的干扰,因此使用多个天线进行波束成形以使对地面和来自地面的干扰最小化是一项关键技术。本书的下一章将进一步研究和讨论IEEE 802.11技术在无人机网络中的应用。

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