边慧颖，张德海，刘 鹏

（1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院国家空间科学中心 微波遥感技术重点实验室，北京 100190）

0 引言

随着无人机技术的成熟，无人机在民事和军事中的应用越来越多，建立一条可靠的无人机通信链路显得尤为重要。无人机图传系统属于典型的无线通信系统。传输时，通信距离远、地形地貌复杂、移动台的移动速度、传播路径复杂等因素都会导致严重的多径衰落和多普勒频移，从而对无线通信系统的性能产生较大的影响，降低无人机通信的可靠性[1]。

目前，常用的对抗多径衰落的方法主要有OFDM，SCTDE，SC-FDE。其中SC-FDE系统兼具单载波和正交频分复用（OFDM）的优点，在有效消除码间串扰的同时又避免了多载波传输技术峰均比（PARA）高、对频偏敏感等缺点[2-3]。

单载波频域均衡技术通过利用可调网络的频率特性来补偿实际信道在相频和幅频上的畸变，在进行数据处理时，需要进行FFT变换，先将数据分成FFT数据块再进行处理，并通过在每个数据块的前端加入循环前缀（CP）来消除数据块之间的干扰。目前常用已知序列独特字（UW）来代替循环前缀（CP），其具有自相关性好、频率响应平稳的特性，不仅可以用来做循环前缀，还可用于同步及信道估计与均衡。由于SC-FDE系统分块传输和添加循环前缀的特性，设计合理的帧结构不仅可以改善系统的性能，而且可以提高系统的带宽利用率和数据传输的速率。无人机高速图传系统中信道为时变信道，且传输模式多为突发传输。针对其特殊性，基于SC-FDE技术建立新的传输系统具有重要的意义。基于以上分析，本文搭建了一个无人机新型图传系统，提出了一种改进的数据传输帧结构，在保证系统误码性能的同时，提高了有效数据的传输效率。

1 单载波频域均衡系统

SC-FDE系统原理框如图1所示，信号处理流程大致分为4个步骤[4]。（1）对原始的二进制信号进行编码、调制得到符号序列，随后进行分块处理同时插入独特字（UW）作为循环前缀，封装成帧，其中循环前缀的长度由信道的多径时延特性确定。（2）完整的传输帧经过信道，受到多径效应及多普勒频移的影响，在接收端进行时域同步和频率同步处理。（3）去除循环前缀，通过FFT变换将接收信号变换到时域，并利用已知的训练序列进行信道估计，得到信道的传输函数，并对信号进行频域均衡，以消除信道对信号产生的影响。（4）继续对均衡后的数据进行解调、译码，得到输出端的输出信息序列。

图1 单载波频域均衡系统原理

2 SC-FDE的传输帧结构

2.1 传统帧结构

在移动通信中，数据在无线网络中是以帧为单位进行传输的，根据IEEE802.1标准，SC-FDE系统中帧结构由独特字（UW）序列和有效数据组成，根据插入独特字的块数不同分为单块独特字传输和多块独特字传输，连续传输和突发传输模式下帧结构如图2—5所示[5]。

图2 单块字连续传输模式数据帧

图3 单块字突发传输模式数据帧

图4 多块字连续传输模式数据帧

图5 多块字突发传输模式数据帧

不同帧结构的带宽利用率如表1所示[6]。由表1可知，在突发模式下，多块独特字传输帧带宽利用率较低，单块独特字传输帧带宽利用率明显高于多块独特字传输帧。但由于单块独特字传输帧中每段负载数据前的UW序列既要用于克服码间串扰，避免前一个帧对当前帧的干扰，又要作为导频信号用于信道估计和频域均衡，信道估计的准确度大大降低，系统误码率性能有较大的改善空间。

表1 不同帧结构带宽利用率

吴辉等[7-8]提出可以将原有的信道估计序列设计为几块长度相等的子UW，通过利用子UW进行多次信道估计求平均值的方式提高信道估计的准确度[9]。在该种帧结构中，信道估计序列的总长度保持不变，因此不会造成另外的开销，且UW的长度大于信道最大时延扩展，可以有效避免码间串扰。论文[10]中进一步验证了这一结论：16×4个UW序列组作为信道估计的导频序列时比一个64位的Frank_zadoff序列时的信道冲击响应估计精度高。但由于无线信道是时变信道，UW过短时，会因为点数太少而不足以检测到整个信道的变化。且UW越短，频域插值的效果也不理想，导致估计出的信道频率响应与实际信道偏差过大，反而使得系统性能恶化。因此，应综合考虑UW长度和估计次数之间的关系。

2.2 改进的传输帧结构

无人机无线通信系统为时变信道，且传输环境较为复杂，因此在实际应用中，多采用突发传输模式，以保证数据的传输质量[9]。突发传输模式下要想提高数据的传输效率，可以增加每帧的有效数据的长度。

在实际的工程应用中，传输帧结构应该至少满足以下要求。一是循环前缀或独特字的长度满足功能要求；二是在保证性能的同时尽可能提高数据传输的效率；三是要结合实际尽量降低硬件实现的难度。

当总帧长较大时，便不能假设信道在一帧的持续时间内近似恒定，这将大大降低信道估计的准确性。除此之外，一帧信号的时长与系统在做频域均衡之前做FFT变换的点数密切相关，信号的持续时间越长，FFT变换的点数越多，在工程实现过程中对硬件的性能要求越高[10]。基于以上分析，对传统的传输帧进行了改进，如图6—8所示。

图6 系统帧结构

图7 帧头结构

图8 数据部分结构

传输帧分为两部分，包括帧头和数据部分。帧头包括循环前缀（CP）和同步序列，该部分的循环前缀主要用于抵制前一个数据传输帧对帧头中同步序列的多径干扰，防止同步序列受到码间串扰（ISI）的影响。同步序列主要用于接收端对到达的信号进行时域同步和频率同步，准确的时频同步可以大大提高后续信道估计的精确度。数据部分采用了分块传输的方式，将有效数据划分为数据块，并结合不同长度的独特字UW序列组成子帧和小帧。数据部分共包含m个子帧，每个子帧包含子帧头和n个小帧。子帧头中包括独特字UW、UW组、独特字UW。第一个UW起到循环前缀的作用，有效消除帧头中同步序列对UW组的串扰。UW组用于信道估计，由e个相等长度的UW序列组成，每个UW序列分别进行信道估计得到e个信道估计值，并对e个信道估计值求平均，作为最终的信道估计值。最后一个UW作为数据块的循环前缀。小帧部分由n个FFT数据块组成，每个FFT数据块均包括有效数据和独特字UW。

帧头位置处的同步序列适用于突发模型，不仅可以应对短时间内相对高带宽的数据传输，而且适用于无人机无线通信这种信道环境相对复杂的传输环境。因为新型数据传输帧的总帧长较长，信道在一帧的时长范围内会发生无法预知的变化，于是将总帧划分为m个子帧，保证在每个子帧的时长范围内信道参数是近似不变的，即每个子帧的时长小于信道相干时间。因此，在每个子帧内做一次信道估计便可用于整个子帧的信道均衡。每个子帧中将数据部分分为3个小帧，可控制FFT变换的点数，降低硬件的实现难度。可以结合具体场景自主选择适当长度的独特字UW组用于信道估计，既可以使得信道估计更准确，又不会占用太多带宽。将信道估计的结果作用于子帧的每个小帧中，与均衡器结合即可进行频域均衡。

该帧的主要改进之处在于：（1）突发模式下帧头同步序列进行一次同步运算可实现不同子帧的连续传输；（2）保证每个子帧传输时长小于信道相干时间，每个子帧中一组信道估计用于多次信道均衡；（3）采用UW组代替单一UW序列进行信道估计。

改进后的帧结构有以下优点：（1）增加了有效数据的长度，大大提高了有效数据的传输效率。（2）利用多个连续的UW序列进行信道估计后求平均，减少了噪声和信道突发情况对系统性能的影响，提高了信道估计的精度。（3）在信道相干时间内使用相同的均衡系数对多组有效数据进行均衡，减少了不必要的信道估计。（4）有效控制了FFT变换的点数，降低了硬件实现的难度。

3 无人机通信应用场景仿真与实现

本文首先针对具体的应用场景进行仿真和分析，并在FPGA开发板上进行调试和板级验证，通过Matlab仿真和FPGA硬件实现的结果对无人机新型图传系统的误码性能进行分析。仿真参数如下，通信距离100 m～100 km，最大飞行速度60 m/s，载波频率5 GHz，最大传输速率4 Mbps。

无人机飞行过程中传播路径多为山地且环境较为复杂，COST207标准中的HT信道是针对蜂窝系统设计的无线信道，符合无人机信道的特点，故本次仿真采用HT信道模型，均方根时延约为5。由以上分析，本次设计中无人机无线信道的具体参数为[00.2 0.4 0.6 15 17.2]μs。

无人机信道为时变信道，工作过程中传输损耗和传输时延不断随周围环境变化而变化，出现典型的多径传输现象。为避免时延干扰和实现信道估计及信道均衡，要保证信道衰落足够慢以至于可当成静态信道，即在一个SC-FDE符号的时间内参数是恒定的，故帧结构中的SC-FDE符号子帧不能过长，需保证每个子帧的长度小于相干时间。最大多普勒频移为1 000 Hz，则相干时间Tc为1 000μs。因此，按照最大传输速率4 Mbps，帧长T＜4 000 bit即可。

由上文可知，本次设计均方根时延σTm为5μs，故循环保护前缀的长度需满足TCP＞σTm。由于在1 ms的时间内无须做重复的信道估计，因此每3个子帧做一次信道估计。在5G通信标准中，无线帧长是10 ms[11]，故选用了10个子帧，保证总帧长小于10 ms。基于以上，系统传输帧仿真参数如表2所示。

表2 数据传输帧的参数

噪声为加性高斯白噪声，同步采用park算法，均衡算法采用MMSE算法，调制方式为BPSK调制。使用的FPGA开发板是Xilinx公司的黑金AX7020。

新型传输模型下无人机图传系统的系统误码性能如图9所示。从图中可知，Matlab软件仿真中，在多径信道条件下，多普勒频移为1 000 Hz时，信噪比为15 dB时，系统的误码率。与文献[4，9]中多径信道中的仿真结果对比可知，该系统具有一定的抗多径干扰能力，性能较好。FPGA硬件实现时，系统的误码性能略差于Matlab仿真，相差1 dB左右，这是由于系统链路在FPGA板上实现时对浮点数进行定点量化计算，导致精度下降，但总体依然满足通信系统链路误码性能的需求。

图9 无人机新型传输系统误码率性能

4 结语

本文对单载波频域均衡（SC-FDE）系统原理进行了分析，并针对无人机高速率数据图传传输系统建立了新型传输模型。无人机飞行环境复杂，通信需采用突发传输模式，然而传统的突发传输模式无法兼顾额外开销与系统误码率性能，故本文对数据传输帧结构进行改进，提出了一种适合远程无人机图传的SC-FDE帧结构。该系统可实现突发模式下有效数据连续传输，同时帧结构中大大增加了有效数据的长度，提高了带宽利用率和数据传输速率。利用连续的多个UW序列进行多次信道估计，取其平均值用于信道均衡，提高了信道估计的准确度。在信道的相干时间内，使用相同的估计值对多个FFT数据库进行均衡，减少了不必要的信道估计，提高了系统的运算速度。该系统将数据分块处理，减小了FFT的点数，降低了硬件实现难度。通过分析研究Matlab仿真和FPGA硬件实现结果可知，在多径条件下，该系统能较好地抵抗多径干扰和多普勒频移，误码率性能较好。除此之外，该新型图传系统模型中的帧结构可应用于多种不同的无线通信环境，针对的应用场景可调节子帧和小帧的数量。