摘要：隨著無線通信和電子技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其通信系統(tǒng)大多工作在微波頻段，屬于視距通信范疇。為了實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的超視距指揮控制，改善無人機(jī)上下行鏈路的通信性能，可以依托地面有線網(wǎng)絡(luò)將多個無人機(jī)地面站組網(wǎng)使用。其中，從無人機(jī)至地面站的下行鏈路可采用多用戶MIMO的信道模型，利用預(yù)編碼技術(shù)來抵御多徑干擾和信道噪聲。該文介紹在準(zhǔn)確掌握信道狀態(tài)信息的前提下，幾種常見的預(yù)編碼技術(shù)。針對無人機(jī)使用場景，對這些預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行分析對比，提出基于最大化SLNR準(zhǔn)則的預(yù)編碼技術(shù)能夠在性能和復(fù)雜度之間取得較好的折中。未來，改進(jìn)信道狀態(tài)信息獲取方法以及在掌握部分信道狀態(tài)信息的條件下進(jìn)行預(yù)編碼設(shè)計(jì)將是重要的研究方向。

　　關(guān)鍵詞：無人機(jī);通信系統(tǒng)：預(yù)編碼技術(shù);最大化SLNR準(zhǔn)則：信道狀態(tài)信息

　　Abstract: With the development of wireless communication and electronic technology, UAV is wid ely used in many fields. Most of its communication svstems work in the microwave band and belong to the field of line of sight communication. In order to realize the over-the-horizon command and control of UAV and improve the communication performance of UAV uplink and downlink, multiple UAV ground stations can be networked by relying on the ground wired network. Among them, the downlink from UAV to ground station can adopt the channel model of multi-user MIMO, and use pre-cod ing technology to resist the multipath interference and channel noise. This paper introduces several common pre-coding techniques on the premise of masterind channel state information accurately. Aiming at the UAV application scenario, the paper analyzes and compares these pre-coding technologies, and proposes that the pre-coding technology based on maximizing SLNR criterion can achieve a good compromise between performance and complexity. In the future, it will bee arimportant research direction to improve the channel state information acquisition method and pre-coding design under the condition of mastering partial channel state information.

　　Key words: UAV: communication system; pre-coding technolog y: maximizing SLNR criterion; channel state information

　　0引言

　　無人駕駛飛行器(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)簡稱無人機(jī)，源于戰(zhàn)場上的軍事需求并誕生于20世紀(jì)初"，是由無線電遙控和機(jī)載程序控制裝置操控的無人飛行器。隨著無線通信和電子技術(shù)的發(fā)展，隨著無線通信和電子技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)因?yàn)殪`活性高、自主性強(qiáng)和易部署等優(yōu)點(diǎn)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如偵察巡邏叫遠(yuǎn)程打擊門搜索救援和農(nóng)業(yè)遙感等等。

　　無人機(jī)通常采用工作在微波頻段的視距通信系統(tǒng)。

　　為了實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的超視距指揮控制，改善無人機(jī)上下行鏈路的通信性能，可以依托地面有線網(wǎng)絡(luò)將多個無人機(jī)地面站組網(wǎng)使用。當(dāng)無人機(jī)通信范圍內(nèi)存在多個地面站時，可以通過構(gòu)建多個信道以提升傳輸速率或改善通信質(zhì)量。只要這些地面站相隔距離較遠(yuǎn)，即可認(rèn)為信道間相互獨(dú)立。根據(jù)概率論的相關(guān)知識可知，多個獨(dú)立信道傳輸信號時同時遭遇深衰落的可能性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單個信道傳輸信號時遭遇深衰落的可能性，因此組網(wǎng)后無人機(jī)通信系統(tǒng)的傳輸性能將大大增強(qiáng)。

　　本文首先介紹無人機(jī)通信系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)而重點(diǎn)對下行鏈路的信道進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。通過引入多用戶MIMO的相關(guān)概念，研究預(yù)編碼技術(shù)及其在無人機(jī)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，對不同預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行對比分析。其中，基于最大化SLNR準(zhǔn)則的預(yù)編碼技術(shù)能夠在性能和復(fù)雜度方面取得較好的折中，非常適合在無人機(jī)下行鏈路中予以應(yīng)用。最后，本文還對無人機(jī)通信系統(tǒng)中預(yù)編碼技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　1無人機(jī)通信系統(tǒng)

　　出于對制造工藝、生產(chǎn)成本、傳輸性能等多個方面的綜合考慮，絕大多數(shù)的無人機(jī)通信系統(tǒng)都工作在微波頻段(300MHz至3000GH2P。由于微波的頻率較高，波長又很短，其在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進(jìn)，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過視距以后需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)"。微波在空氣中的傳播存在損耗，隨著通信距離的增加信號會逐步衰減。同時，實(shí)際環(huán)境中電波的傳播要受到地形和氣候的影響，引起信號的反射、折射、繞射、散射和吸收等現(xiàn)象，導(dǎo)致信號產(chǎn)生衰落，降低傳輸質(zhì)量。其中，由地形遮蔽引起的陰影慢衰落和多徑傳播信道導(dǎo)致的多徑快衰落最為常見，其示意圖如圖1所示。

　　2信道模型

　　利用組網(wǎng)技術(shù)將無人機(jī)活動區(qū)域周邊多個地面站綜合運(yùn)用，既可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)超視距指揮控制，也可以通過構(gòu)建多個信道顯著提升傳輸速率或改善通信質(zhì)量，如圖 2 所示。

　　操作員通過地面站向無人機(jī)發(fā)射信號時，可以根據(jù)無人機(jī)的實(shí)時位置和通信范圍，結(jié)合信道質(zhì)量評估結(jié)果，選擇一個或多個最優(yōu)地面站通過不同的時隙、基于不同的載頻或采用不同的編碼完成數(shù)據(jù)發(fā)送。無人機(jī)上的接收機(jī)對這些信號進(jìn)行統(tǒng)一的合并處理就可以高質(zhì)量的還原出原始信號。同理，對于下行鏈路，無人機(jī)通過機(jī)上的全向或定向天線發(fā)射信號后，其通信范圍內(nèi)的多個地面站均可接收到該信號，將這些信號統(tǒng)一匯總至操作員所在的數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并即可達(dá)到分集接收的目的。只要多個地面站相隔距離較遠(yuǎn)，即可認(rèn)為這些傳輸信道在時間域、頻率域或碼域的相關(guān)性較低，屬于相互獨(dú)立的信道，其1道模型與用戶MMO通信系統(tǒng)相仿，如圖3所示。

　　假定無人機(jī)下行鏈路中，共有n個地面站在其通信范圍以內(nèi)，且各地面站相隔較遠(yuǎn)，可視其信道相互獨(dú)立。

　　用s，1s isn，表示無人機(jī)發(fā)往第i個地面站的原始信號。這些原始信號經(jīng)不同預(yù)編碼wals isn，處理后，從發(fā)射端合并發(fā)出，發(fā)射信號可表示為-2ws。不同地面站i接收到的信號可表示為：

　　其中，Hos;，為有效信號分量，H.Ew，為干擾信號A分量，為信道噪聲。對這些接收信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)木?/p>

　　處理，即可最大程度的在各地面站還原出原始信號。

　　3預(yù)編碼技術(shù)

　　在現(xiàn)有研究中，一般都假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射端可獲得準(zhǔn)確

　　的信道狀態(tài)信息(CSI，Channel State Informationy"。在此基礎(chǔ)上，可以運(yùn)用不同的預(yù)編碼技術(shù)來提升系統(tǒng)增益。根

　　據(jù)實(shí)際發(fā)送信號與原始信號是否呈線性關(guān)系，預(yù)編碼技術(shù)也可分為線性預(yù)編碼和非線性預(yù)編碼兩類。其中，線性預(yù)編碼技術(shù)雖然在性能上不及非線性預(yù)編碼技術(shù)，但

　　是其復(fù)雜度低，易于實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用更加廣泛，包括迫零

　　(ZF，Zero Forcing)預(yù)編碼、最小均方誤差(MMSE，Mnimum Mean Square Error)預(yù)編碼等。非線性預(yù)編碼技術(shù)主要有最大化信干噪比(SINR，Signal to Inter ference-plus-Noise Ratio)預(yù)編碼、最大化信漏噪比(SLNR，Signal to Leakag-

　　plus-Noise Ratio)預(yù)編碼等。

　　3.1迫零(ZF)預(yù)編碼

　　所謂ZF預(yù)編碼，就是利用信道增益矩陣的偽逆進(jìn)

　　行預(yù)編碼處理，從而消除不同信號之間相互干擾的影響。針對無人機(jī)下行鏈路，所有地面站接收信號可統(tǒng)一表示為：

　　當(dāng)預(yù)編碼矩陣Ww，w2 w，HBH"(Hy'時，各地面站接收到的信號可表示為：由式()可知，經(jīng)ZF預(yù)編碼后，各地面站之間的信號干擾被完全消除。

　　32最小均方誤差(MMSE)預(yù)編碼MMSE預(yù)編碼是以收發(fā)信號的均方誤差最小為原則來設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣的0可用式(4)表示接收信號與原始信號之間的均方誤差：e=Ell-sllEW St-sl)

　　基于MMSE準(zhǔn)則的預(yù)編碼矩陣可表示為：

　　其中，N0 的取值與信道噪聲功率有關(guān)。當(dāng)信道噪聲較低，即 N0→0 時，基于 MMSE 準(zhǔn)則的預(yù)編碼矩陣與 ZF預(yù)編碼矩陣相同。

　　3.3 最大化信干噪比(SINR)預(yù)編碼

　　根據(jù)式(1)，各無人機(jī)地面站的信干噪比可表示為：

　　其中Ro，1s isn表示各信道的噪聲功率。所謂最大化SINR預(yù)編碼就是通過合理的設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣w，，is isn，使各路信號的SINR值最大?？蓪⑵滢D(zhuǎn)換為聯(lián)合優(yōu)化求最優(yōu)題。目，(DPC，Dirty Paper Coding)預(yù)編碼技術(shù)就是一種最常見的基于最大化SINR準(zhǔn)則的預(yù)編碼解決方案，它把信道比作一張白紙，干擾信號可視為這張紙上的污點(diǎn)，有效信號是紙上的字。

　　DPC預(yù)編碼技術(shù)在假設(shè)發(fā)射端完全掌握信道狀態(tài)信息，可準(zhǔn)確計(jì)算干擾情況的前提下，通過預(yù)編碼矩陣使字分布在白紙上沒有污點(diǎn)的部分進(jìn)行傳輸，而不是去除污點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對干擾和噪聲的最佳聯(lián)合抑制。

　　3.4最大化SLNR預(yù)編碼

　　對于任意一個無人機(jī)地面站，其SINR的值不僅與自身的預(yù)編碼有關(guān)，還受所有其它信道的預(yù)編碼影響，這種聯(lián)合優(yōu)化問題很難求得預(yù)編碼矩陣的全局最優(yōu)解。

　　為解決計(jì)這個難題，有學(xué)者提出了SLNR的概念，如式(所述。

　　3.5分析對比

　　使用迫零預(yù)編碼技術(shù)雖然能夠完全消除不同地面站之間的干擾，但是因?yàn)闆]有考慮信道噪聲的影響，在低信噪比條件下會導(dǎo)致有用信號的功降低，減小信噪比(SNR，Signal to Nise Ratio，影響原始信號的檢測。

　　同時，使用迫零預(yù)編碼技術(shù)要求信道矩陣存在逆矩陣，這就對無人機(jī)的發(fā)射天線和地面站的接收天線數(shù)目提出了要求，不能靈活適應(yīng)不同的使用場景。

　　使用MMSE預(yù)編碼技術(shù)可以有效克服迫零預(yù)編碼技術(shù)的不足，在兼顧信道間干擾和信道噪聲影響的同時，還能消除對發(fā)射端、接收端天線數(shù)目的限值，因此MMSE預(yù)編碼技術(shù)的性能要優(yōu)于迫零預(yù)編碼技術(shù)。并且在信噪比近似于無窮大的傳輸條件下，MMSE預(yù)編碼技術(shù)近似等效于迫零預(yù)編碼技術(shù)。

　　使用最大化SINR預(yù)編碼技術(shù)可以獲得最優(yōu)的信號檢測性能。但是其算法的復(fù)雜度太高，不容易求得聯(lián)合優(yōu)化條件下的最優(yōu)解，對于無人機(jī)這種對信息實(shí)時性要求很高，且設(shè)備體積、成本都受限的場景，最大化SINR預(yù)編碼技術(shù)暫不適合使用。

　　最大化SLNR預(yù)編碼技術(shù)雖然也屬于非線性預(yù)編碼技術(shù)的范疇，但是其算法的復(fù)雜度低，在準(zhǔn)確掌握信道狀態(tài)信息的前提下，只需要進(jìn)行特征向量的求解。且各預(yù)編碼矩陣的計(jì)算過程相互獨(dú)立，可以并行開展。同時，如果通過各信道傳輸?shù)男盘栃孤┕β瘦^小，那么也可近似認(rèn)為在接收端能夠獲得較好的SINR表現(xiàn)。仿真結(jié)果證明，在不同信噪比區(qū)間，最大化SLNR預(yù)編碼技術(shù)確實(shí)可以在算法性能和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間獲得最好的折中叭。

　　4未來展望

　　如前文所述，當(dāng)下常見的多用戶MMO預(yù)編碼技術(shù)基本都需要以系統(tǒng)發(fā)射端能夠準(zhǔn)確獲得信道狀態(tài)信息為前提。要想準(zhǔn)確獲得信道狀態(tài)信息，一般都是在有效信號發(fā)射前先按照預(yù)定規(guī)則發(fā)送一段固定長度的訓(xùn)練導(dǎo)頻，接收端將實(shí)際解析結(jié)果與預(yù)定規(guī)則進(jìn)行對比完成信道估計(jì)，再將結(jié)果反饋至發(fā)射端"。在此過程中，導(dǎo)頻信號和估計(jì)反饋都需要消耗一定的信道資源，如何提升效率是亟需解決的難題。

　　此外，對于時分雙工(TD，Time Division Duplexing)

　　系統(tǒng)，由于其具有互易性的特點(diǎn)，因此發(fā)射端可以通過信道估計(jì)較為輕易的得到信道狀態(tài)信息。然而在頻分雙工(FD，F(xiàn)requency Division Duplexing)系統(tǒng)中，上下行鏈路并不具備互易性，發(fā)送端不能通過信道估計(jì)來獲取信道狀態(tài)信息。這種情況下，可以通過對信道狀態(tài)信息進(jìn)行量化以壓縮信道的必要自由度，實(shí)現(xiàn)有限反饋。同時，需要對各類預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行一定的適應(yīng)性改造，以提升其在部分信道狀態(tài)信息條件下的性能表現(xiàn)。

　　5結(jié)語

　　隨著無線通信和電子技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其與多個地面站之間的通信可以參考多用戶MIMO的信道模型。本文研究預(yù)編碼技術(shù)及其在無人機(jī)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，對基于不同原則的預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行對比分析?；谧畲蠡疭LNR準(zhǔn)則的預(yù)編碼技術(shù)能夠在性能和復(fù)雜度方面取得較好的折中，非常適合在無人機(jī)下行鏈路中予以應(yīng)用。而如何高效獲取信道狀態(tài)信息以及如何在只掌握部分信道狀態(tài)信息的情況下對預(yù)編碼技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性改造將是后續(xù)重點(diǎn)研究的核心問題。

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文章名稱： 預(yù)編碼技術(shù)在無人機(jī)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

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