基于鏡面反射模型的飛行器間數(shù)據(jù)鏈多徑效應(yīng)研究

吳敏 許仙明 黃燦英 吳靜進(jìn)

摘 ?要： 為了探究多飛行器間的多徑效應(yīng)對(duì)其通信數(shù)據(jù)鏈的影響，優(yōu)化多飛行器間的通信，文中以鏡面反射模型為基礎(chǔ)，建立鏡面反射多徑效應(yīng)模型，并分析計(jì)算接收天線的功率。在此基礎(chǔ)上，建立多飛行器間通信數(shù)據(jù)鏈多徑模型，引進(jìn)飛行器機(jī)身反射波，并計(jì)算接收機(jī)功率。通過(guò)萊斯因子與誤碼率、信噪比的關(guān)系得出低萊斯因子信號(hào)在低誤碼率要求下需要滿足更大的Eb/B0。最后，提出通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的抗多徑衰弱能力。

關(guān)鍵詞： 多徑效應(yīng); 鏡面反射模型; 數(shù)據(jù)鏈; 飛行器; 天線功率計(jì)算; 擴(kuò)頻調(diào)制

中圖分類號(hào)： TN820.8+4?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）20?0116?03

Research on multipath effect of data link among aircrafts based on

mirror reflection model

WU Min， XU Xianming， HUANG Canying， WU Jingjin

（School of Science and Technology， Nanchang University， Nanchang 330029， China）

Abstract： In order to explore the influence of multipath effect among multiple aircrafts on its communication data link and optimize the communication among multiple aircrafts， a mirror reflection multipath effect model is established based on the mirror reflection model， and the power of the receiving antenna is analysed and calculated. On this basis， the multi?path model of the communication data link among multiple aircrafts is established， the reflected wave of the aircraft fuselage is introduced， and the power of the receiver is calculated. On the basis of the relationship between Rice factor， bit error rate and signal?to?noise ratio， a conclusion that the signal with low Rice factor needs to satisfy the requirement of larger Eb/B0 in low bit error rate has been obtained. Finally， the anti?multipath fading ability of the signal is realized by spreading spectrum modulation.

Keywords： multipath effect; mirror reflection model; data link; aircraft; antenna power calculation; spread spectrum modulation

當(dāng)兩個(gè)物體間發(fā)生無(wú)線通信時(shí)，一方發(fā)向另一方的電磁波經(jīng)過(guò)不同的路徑傳播到另一方時(shí)，各分量信號(hào)電磁波到達(dá)接收端的時(shí)間不同。且各分量信號(hào)按照自身的相位進(jìn)行疊加，從而使原來(lái)的各分量信號(hào)對(duì)彼此產(chǎn)生干擾，最終造成通信信號(hào)失真。例如，兩信號(hào)分量到達(dá)信號(hào)接收端的距離差為半個(gè)波長(zhǎng)，則最終兩路信號(hào)到達(dá)信號(hào)接收端時(shí)相互抵消。這種由于信號(hào)沿多條路徑傳播而造成信號(hào)干擾失真的現(xiàn)象，即是多徑效應(yīng)[1?4]。而飛行器體積相對(duì)較小，且采用全向天線，其發(fā)射信號(hào)會(huì)由于多徑效應(yīng)而衰落，最終造成數(shù)據(jù)的丟失或者失去跟蹤。因此，飛行器的多徑效應(yīng)研究極其重要。

目前在飛行器的多徑效應(yīng)研究中，主要集中在飛行器與地面站之間的多徑效應(yīng)方面，而兩飛行器間的多徑效應(yīng)則相對(duì)較少。本文以鏡面反射機(jī)理為基礎(chǔ)，建立了兩飛行器間通信數(shù)據(jù)鏈的多徑效應(yīng)模型，并提出了多徑效應(yīng)改善的方法。

1 ?鏡面反射多徑效應(yīng)模型

飛行器間通信的多徑效應(yīng)主要是由于地面信號(hào)反射造成的。一般而言，當(dāng)信號(hào)從發(fā)射端發(fā)送到另一個(gè)飛行器的信號(hào)接收端時(shí)，信號(hào)首先從發(fā)射端發(fā)送至接收端。然而，由于地球表面可以等效為一個(gè)光滑平面，而飛行器從發(fā)射端發(fā)送至接收端的信號(hào)，由于飛行器的全向天線，因而也會(huì)到達(dá)地面。此時(shí)地面如同一個(gè)鏡面，將到達(dá)地面的信號(hào)分量反射出去，最終發(fā)送至飛行器的接收端。因此，信號(hào)從發(fā)射端到接收端之間會(huì)有分量，即直射波、反射波[5?7]。其中，反射波是由于地面的鏡面反射而生成的。鏡面反射模型如圖1所示。其中，hf為發(fā)射天線與地面的高度，hj為接收天線與地面的高度，l為發(fā)射天線與接收天線之間的水平距離，l1為直射波行程長(zhǎng)度，l2為反射波行程長(zhǎng)度。

2 ?多飛行器數(shù)據(jù)鏈多徑模型建立

對(duì)于多飛行器數(shù)據(jù)鏈的多徑模型，與只考慮鏡像反射波的雙路徑效應(yīng)模型不同的是，本文還考慮了飛行器的發(fā)射信號(hào)在另一個(gè)飛行器的機(jī)體上反射到達(dá)飛行器接收機(jī)的路徑。此時(shí)飛行器的接收機(jī)不再認(rèn)為是一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)，因此信號(hào)到達(dá)飛行器機(jī)體時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生反射波[8?9]。所以，兩飛行器間的通信數(shù)據(jù)鏈多徑模型包括直射波、來(lái)自于地面的反射波以及來(lái)自于飛行器機(jī)身的反射波，如圖2所示。其中，A為飛行器發(fā)射機(jī)，E為飛行器接收機(jī)。發(fā)射機(jī)A發(fā)出的信號(hào)一邊通過(guò)地面反射點(diǎn)D反射傳輸至飛行器的接收機(jī)E處;同時(shí)也通過(guò)飛行器機(jī)身反射點(diǎn)F反射到達(dá)飛行器接收機(jī)E處。

3 ?多徑效應(yīng)改善方法

多徑效應(yīng)由于信號(hào)相位干涉的緣故，會(huì)造成信號(hào)衰減。由于此時(shí)飛行器接收到的信號(hào)是多個(gè)路徑信號(hào)的合成，因此各分量信號(hào)之間會(huì)互相影響;且各分量的相對(duì)振幅和相位不一致，會(huì)產(chǎn)生深淺不同的衰落。而接收信號(hào)振幅概率密度服從萊斯分布，這里萊斯因子為直射波與反射波的功率之比。圖3為萊斯因子與誤碼性能的關(guān)系曲線。圖中，Eb為單位比特?cái)?shù)據(jù)的能量，N0為單位帶寬內(nèi)噪聲的功率。由圖3可知，萊斯因子越小，則反射波功率越大，因此信號(hào)衰落就越大。在誤碼率一致的情況下，萊斯因子越大，則[EbN0]越大。因此只有提高萊斯因子的數(shù)值，才能滿足誤碼率的要求。

圖3 ?萊斯因子對(duì)誤碼性能影響曲線

常見的抗衰落方法有擴(kuò)頻調(diào)制，其是將信號(hào)通過(guò)高速偽隨機(jī)序列從窄帶高功率密度信息擴(kuò)展成寬帶低功率密度的信號(hào)發(fā)射出去。接收機(jī)接收到信號(hào)后，再通過(guò)高速偽隨機(jī)序列將信號(hào)恢復(fù)為窄帶信號(hào)接收。其原理見圖4。

圖4 ?直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻能夠增大信號(hào)的頻帶，使信號(hào)碼元變小，且具有白噪聲的特點(diǎn)。飛行器在接收端易于將直射波與反射波分離，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的抗多徑衰落。

4 ?結(jié) ?論

飛行器間進(jìn)行通信時(shí)，信號(hào)由于地面反射或者機(jī)身反射會(huì)產(chǎn)生多條路徑到達(dá)接收機(jī)。而這會(huì)導(dǎo)致不同路徑的分信號(hào)之間互相對(duì)各自產(chǎn)生信號(hào)干擾，造成信號(hào)衰落，并引發(fā)多徑效應(yīng)。本文以鏡面反射模型為切入點(diǎn)，建立多飛行器間多徑效應(yīng)模型，并分析計(jì)算了接收機(jī)的信號(hào)功率。同時(shí)提出了通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制來(lái)減少信號(hào)衰減，提高了信號(hào)抗衰落能力。

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