刘海宁，张少卿，鄂思宇

沈阳飞机设计研究所 综合航电部，沈阳 110035

5G技术作为中美之间博弈的重点，具有重要的战略意义[1-3]。5G技术实现了多种无线通信技术的有效融合，从多方面提升了无线通信网络的性能，以满足3大应用场景下的不同需求[4-5]。目前民用领域5G技术发展迅速，形成了大带宽(eMBB)、高可靠低时延(uRLLC)及大规模机器通信(mMTC)的三大应用场景[6-8]，广泛应用于各个领域[9-13]。在军事领域，未来以马赛克战为代表的跨域协同作战样式[14]，对航空平台的机载信息系统的设计提出了新的要求，机载信息系统作为单机平台OODA环的重要执行载体，其架构与通信网络的先进性将直接决定单个飞机平台乃至整个作战体系的作战效能。未来机载信息系统设计可以借鉴民用5G以业务场景为核心的技术发展模式[15]，从体系级作战的角度分析任务需求，实现任务驱动的机载信息系统设计。

当前，中国军用飞机的机载信息系统网络仍使用有线总线进行连接，网络容量有限、物理拓扑连接固定、故障耦合性高、自愈能力差、无法支持载荷的即插即用、无法灵活升级等问题[16]，需要构建灵活适变的新型网络架构满足新一代机载信息系统的需求。5G的高速率、低时延及海量接入等特点，具备航空应用前景[17]。相对于民用5G应用广泛的Sub-6频段，高频毫米波波长短、衰减大，同时保留了5G技术高可靠、低时延、高速连接等特点，更适用于航空机载平台内部的无线通信[18-20]。高频毫米波与机载设备频段隔离，面对机内复杂封闭环境存在的非视距传输多的场景，毫米波衰减大的特性使得其具有较高的通信保密性[21]。通过对舱内结构打孔设计，可实现毫米波信号在舱内实现穿孔传输，有利于实现机载平台内部近距离小范围无线组网通信[22]。

5G技术赋能下的机载信息系统将向功能解耦、物理分散、动态重构等趋势转变，具备即插即用和柔性智联的能力。同时解锁现有机载频谱的新应用，满足未来信息化作战下机载分布式平台通信的需求；此外，机内无线网络通信可以实现舱内部分无线化，减轻机舱内线缆带来的重量负担与复杂线束分布设计负担，简化舱内系统布置设计，提升可维护性。

本文针对航空平台内部无线通信展开研究，基于典型飞机结构，开展了毫米波信号在机载复杂封闭舱段内的传播特性仿真分析，设计并开发了用于机内通信的毫米波原型系统，完成了基于真实飞机结构下的无线通信测试，其通信速率达到了1 Gbps，验证了舱内无线通信的可行性，为航空机载复杂环境的无线通信奠定基础。

1 毫米波机内传播特性仿真

1.1 仿真模型设计及射线路径追踪

为了研究毫米波在机载平台内无线通信的可行性，首先基于射线追踪法开展机载平台典型结构内的无线传输特性仿真分析[23]，研究飞机内部的毫米波信号分布与传播特性，分析多径信号的时延扩展情况。射线追踪法(Ray Tracing)是一种通过在三维空间中建立路径，并且通过这些路径和接触面的互动来计算物理量变化的数学方法。运用射线追踪法发展的无线电波传播仿真工具，可以用于预测传播路径、涵盖范围、计算吞吐量和接收功率。

仿真软件及仿真指标配置如下：

1) 仿真软件：Wireless Insite。

2) 信号源发出射线数量设置：≥25。

3) 反射阶数设置：6阶。

4) 透射阶数设置：0阶。

5) 绕射阶数设置：1阶。

6) 最低门限：-100 dBm(即仿真过程中每条射线能量衰减到-100 dBm以下则不再跟踪)。

7) 发射天线类型：全向天线。

8) 接收天线类型：全向天线。

仿真所需典型机载平台结构模型应反映真实飞机内部和外部主要特征，其结构设计在外形上应能够反映飞机某一部分的外形特征，内部结构应包含该飞机组成部分中重要的棱、面、孔、缝隙等结构，从而实现对毫米波传播规律的高可靠性仿真分析。本文以飞机典型尾翼结构作为仿真模型结构开展仿真结构模型设计，其结构如图1所示。

图1 仿真模型结构模型图

图1所示的仿真模型方案充分表征了飞机的内部结构，具有信道分析和建模所需的关键结构部件，可用于模拟机载平台内部复杂封闭环境。在开展毫米波无线传输特性仿真分析时，将射频模块固定在拟通信的若干位置，如图2所示，TX为发射节点，选取了11个参考位置作为接收节点RX的参考位置，模拟在机载典型尾翼结构内通信节点之间视距传播及非视距传播特性。

图2 射频收发节点模块布局示意图

对仿真模型内部射线路径进行追踪，建立路径方向性模型，在射线密度加大的情况下，仿真模型内部的路径追踪及功率分布结果如图3所示。通过对毫米波传播路径分析，可快速确定快衰落所导致的信号盲区，进而为无线节点的布局优化提供理论指导依据。

图3 腔体内的功率分布图

1.2 无线传输特性仿真分析

由图3可知仿真模型内部电波传播的接收功率分布，根据接收功率分布在图2射频收发节点模块布局示意图中选取5个接收节点R1-1、R2-1、R2-4、R3-1、R3-4，分别以TX、R1、R2与R3所处的位置划分区域，将R1～R3所处的区域依次称为第1～第3腔体，本节主要针对3个腔体内接收点的信道时延特性及方向性模型进行仿真分析。

第1腔体中接收点R1-1的时延扩展模型及方向性模型仿真结果如图4所示。该节点接收到的射线条数为上限仿真所设上限300条，对照图3可知此节点偏离TX电波传播功率强的路径上，该接收节点射线能量衰落较大，其辐射的能量衰减至-80 dBm以下，造成比较大的路径损耗和较低的接收功率。方向性模型显示节点R1-1所接收到的信号多来自于面向TX一侧，只有少量来自于与第1、第2腔体之间的隔板反射后的信号。

图4 节点R1-1时延扩展模型及方向性模型

第2腔体中接收点R2-1、R2-4的信道时延特性及方向性模型仿真结果如图5和图6所示。其中接收节点R2-1所接收到的有效射线条数为209条，R2-4接收到的有效射线条数为139条。对照图3可知接收节点R2-1位于第2腔体中的毫米波传播与金属材料发生反射的主要路径上，因此节点R2-1所能接收到的有效射线条数大于节点R2-4，但是由于第2腔体相比与第1腔体距离发射节点更远，因此接收到射线数量小于节点R1-1。从时延分布图可知，R2-1的整体接收功率略大于R2-4。方向性模型显示接收节点R2-1、R2-4的俯仰角集中分布于90°上，说明在此仿真模型内部毫米波传播主要沿X-O-Y平面传播，其中接收节点R2-1的方位角主要分布于50°～-150°，R2-4的方位角主要分布于100°～-150°，毫米波传播功率分布于这些方位角区域，表明射线的入射区域与毫米波传播的路径方向相同。

图5 节点R2-1时延扩展模型及方向性模型

图6 节点R2-4时延扩展模型及方向性模型

第3腔体中接收点R3-1、R3-4的信道时延特性及方向性模型仿真结果如图7和图8所示。第3腔体由于腔体之间隔板的阻隔，到达此腔体的电波传输信号极弱，此腔体中节点R3-1所接收到的有效射线条数为12条，节点R3-4接收到的有效射线条数为56条，对照图3可知接收节点R3-1位于第3腔体中信号最低的区域，而R3-4由于电波与蒙皮发生反射，其接收的射线要多于信号R3-1。第3腔体整体接收到的射线数量小于第1、第2腔体，其接收功率都为-80 dBm以下。方向性模型显示，由于第3腔体与TX相隔3层隔板，此时射线在俯仰角已高度集中在90°，仅在方位角为电波传播功率分布集中的方位角区域上俯仰角有细微发散于90°附近。

针对仿真模型内不同腔体的无线传输特性仿真结果表明，随着射频接收节点模块布局的腔体越发远离于TX所在的腔体时，俯仰角上电波传播的接收面将越发集中于90°的区域，通信环境愈发恶劣，通信时延增大，通信质量变差，因此节点布设时需要充分参考仿真结果，实现通信质量最优。

图7 节点R3-1时延扩展模型及方向性模型

图8 节点R3-4时延扩展模型及方向性模型

2 毫米波模块设计与开发

为了开展通信测量实验，设计并开发了毫米波频段的通信模块，集成射频前端与天线，以工业机、FPGA为载体开展通信测试。毫米波天线模块采用贴片形式，以实现低剖面，小型化设计，其增益为10 dBi，带宽400 MHz。天线的设计思路是将8个天线分为水平极化和垂直极化2组(甲乙)，每组4个天线(ABCD)。其中甲乙组中的天线两两具有相同的方向但是极化互相垂直。毫米波模块设计充分借鉴1.2节仿真试验结果，从飞机内部传播特性出发，考虑机内通信复杂封闭金属环境，部署垂直极化的2组天线，电磁波接触机内金属时极易根据金属朝向而发生极化偏转，因此无法像自由空间中一样保持不变的极化方向采用互补的对偶极化天线对可以尽量弥补这种情况带来的接收不良，同时将天线放置于机内有通孔区域，保证毫米波传输。天线布局如图9所示。

图9 天线布局示意图

射频前端原型的中频信号采用模拟IQ双路输入，经移相器进行相位调制与叠加后，经中频放大并于射频信号源混频滤波之后发射，接收过程与此相反。将射频前级方案与天线方案综合，形成多路射频整体方案。

图10 毫米波模块实物图

根据设计方案，完成了适用于机内仿真模型内部通信的毫米波模块的加工，实物如图10所示。毫米波模块集成了天线与射频前端，同时使用FPGA对该模块进行供电、控制以及NV设置，组网方法等。同时为了对模块之间进行通信以及吞吐性能的测试引入了一些工具包及Web设置，通过对FPGA及测试板的交叉开发完成调试，调试系统对2个板子间的通信进行NV设置，保证其能顺利地作为同一组网下的客户端与服务端进行链接。经过调试后2个无线模块之间可以建立通信链路，具备通信条件。

3 实际飞机结构模型下的无线通信测试

3.1 测试环境搭建

在完成毫米波设备开发后，还需要加工实际飞机结构模型来开展机内无线通信测试。根据图1所设计的仿真模型，加工实际飞机结构模型，其实物如图11所示。

图11 飞机结构模型实物图

为了搭建机内无线通信系统，除毫米波模块和飞机结构模型外，还需要配备基带处理器和路由模块、千兆网口以及电源模块等部分，系统构成如图12所示。

测试系统的工作流程如图13所示，数据传至承载板后由应用子系统完成信息格式化处理；总线接收处理、格式化信息，经路由、MAC处理后将数据包送入基带子系统。基带子系统收到数据包之后对其加载包头并进行信道编码，然后对数据帧进行数字调制之后由DAC转换为模拟信号并作为中频信号送入射频前端子系统。射频前端子系统对中频信号进行正交化之后经混频器混频、滤波、然后送至射频放大器之后发送到天线子系统。天线子系统根据通道开关切换指令选中相应天线发射信号。

图12 系统组成示意图

图13 系统逻辑图

基带模块如图14所示。指定的接收天线接收到的射频信号射频子系统完成下变频处理；得到中频信号经滤波后送入基带处理模块，基带处理模块通过AD转换为数字信号，经过数字滤波和解调得到数据，对数据进行校验、拆包后得到数据负载并送入MAC处理和路由处理后送至下一模块。

图14 基带模块

毫米波模块通过基带模块的mini-pcie接口将工业机与基带相连，之后通过连接线将基带模块与天线相连组成一个节点的收/发系统。

3.2 机内无线通信测试

图11所示的飞机结构模型可用于模拟机载平台内部强多径环境，将毫米波无线通信设备和视频监控设备布设在尾翼模型内，开展无线通信性能测试。由于天线为贴片阵列形，故将其置于平行于隔离处的开孔内，其大致布局如图15所示。

图15 机内无线通信测试系统

完成软硬件信息配置后，开展机内无线通信通信试验，按照图15所示，在实测环境中布设3个通信节点，一收两发，采用视距传播模式。测试画面与结果分别如图16和图17所示。

图16 视频监控画面

图17 速率测试

图17为一组通信速率的采集结果，在真实飞机舱段模型内部传播速率可达1 031 Mbits=1 Gbps。与仿真结果相比，毫米波无线信号在真实飞机结构模型内部的传播产生较严重的路径损耗、多径快衰落以及时延扩展，造成通信质量下降。

4 结 论

本文针对5G技术在机载无线通信领域的应用展开研究。

1) 首先基于典型飞机结构设计仿真模型，完成了毫米波模块在仿真模型内部的无线通信性能仿真分析，仿真结果表明随着射频接收节点模块布局的腔体越发远离于TX所在的腔体时，通信环境愈发恶劣，通信时延增大，通信质量变差。

2) 设计并加工了毫米波模块和真实飞机结构模型，搭建了机内无线通信系统并开展试验测试。试验结果表明，在真实飞机封闭舱段内，所搭建的测量系统实现了2对1无线传输测试，通过自主开发的可视化用户界面显示其无线速率达到了1 Gbps，同时监控画面可以实时显示，实现了机内无线通信。但是，机内复杂封闭环境带来的多径效应及快衰落等问题需要借助相应的技术手段解决。

本文研究成果可为机载平台无线通信提供理论基础，加速5G技术在航空领域的应用。