吳敏 許仙明 黃燦英 吳靜進

摘 ?要： 為了探究多飛行器間的多徑效應對其通信數(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，建立鏡面反射多徑效應模型，并分析計算接收天線的功率。在此基礎上，建立多飛行器間通信數(shù)據(jù)鏈多徑模型，引進飛行器機身反射波，并計算接收機功率。通過萊斯因子與誤碼率、信噪比的關系得出低萊斯因子信號在低誤碼率要求下需要滿足更大的Eb/B0。最后，提出通過擴頻調制來實現(xiàn)信號的抗多徑衰弱能力。

關鍵詞： 多徑效應; 鏡面反射模型; 數(shù)據(jù)鏈; 飛行器; 天線功率計算; 擴頻調制

中圖分類號： TN820.8+4?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

當兩個物體間發(fā)生無線通信時，一方發(fā)向另一方的電磁波經(jīng)過不同的路徑傳播到另一方時，各分量信號電磁波到達接收端的時間不同。且各分量信號按照自身的相位進行疊加，從而使原來的各分量信號對彼此產(chǎn)生干擾，最終造成通信信號失真。例如，兩信號分量到達信號接收端的距離差為半個波長，則最終兩路信號到達信號接收端時相互抵消。這種由于信號沿多條路徑傳播而造成信號干擾失真的現(xiàn)象，即是多徑效應[1?4]。而飛行器體積相對較小，且采用全向天線，其發(fā)射信號會由于多徑效應而衰落，最終造成數(shù)據(jù)的丟失或者失去跟蹤。因此，飛行器的多徑效應研究極其重要。

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

1 ?鏡面反射多徑效應模型

飛行器間通信的多徑效應主要是由于地面信號反射造成的。一般而言，當信號從發(fā)射端發(fā)送到另一個飛行器的信號接收端時，信號首先從發(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光滑平面，而飛行器從發(fā)射端發(fā)送至接收端的信號，由于飛行器的全向天線，因而也會到達地面。此時地面如同一個鏡面，將到達地面的信號分量反射出去，最終發(fā)送至飛行器的接收端。因此，信號從發(fā)射端到接收端之間會有分量，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為直射波行程長度，l2為反射波行程長度。

2 ?多飛行器數(shù)據(jù)鏈多徑模型建立

對于多飛行器數(shù)據(jù)鏈的多徑模型，與只考慮鏡像反射波的雙路徑效應模型不同的是，本文還考慮了飛行器的發(fā)射信號在另一個飛行器的機體上反射到達飛行器接收機的路徑。此時飛行器的接收機不再認為是一個簡單的點，因此信號到達飛行器機體時，也會產(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、來自于地面的反射波以及來自于飛行器機身的反射波，如圖2所示。其中，A為飛行器發(fā)射機，E為飛行器接收機。發(fā)射機A發(fā)出的信號一邊通過地面反射點D反射傳輸至飛行器的接收機E處;同時也通過飛行器機身反射點F反射到達飛行器接收機E處。

3 ?多徑效應改善方法

多徑效應由于信號相位干涉的緣故，會造成信號衰減。由于此時飛行器接收到的信號是多個路徑信號的合成，因此各分量信號之間會互相影響;且各分量的相對振幅和相位不一致，會產(chǎn)生深淺不同的衰落。而接收信號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系曲線。圖中，Eb為單位比特數(shù)據(jù)的能量，N0為單位帶寬內噪聲的功率。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 ?萊斯因子對誤碼性能影響曲線

常見的抗衰落方法有擴頻調制，其是將信號通過高速偽隨機序列從窄帶高功率密度信息擴展成寬帶低功率密度的信號發(fā)射出去。接收機接收到信號后，再通過高速偽隨機序列將信號恢復為窄帶信號接收。其原理見圖4。

圖4 ?直接序列擴頻通信系統(tǒng)

對信號進行擴頻能夠增大信號的頻帶，使信號碼元變小，且具有白噪聲的特點。飛行器在接收端易于將直射波與反射波分離，實現(xiàn)信號的抗多徑衰落。

4 ?結 ?論

飛行器間進行通信時，信號由于地面反射或者機身反射會產(chǎn)生多條路徑到達接收機。而這會導致不同路徑的分信號之間互相對各自產(chǎn)生信號干擾，造成信號衰落，并引發(fā)多徑效應。本文以鏡面反射模型為切入點，建立多飛行器間多徑效應模型，并分析計算了接收機的信號功率。同時提出了通過擴頻調制來減少信號衰減，提高了信號抗衰落能力。

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