0 引言

    电力巡线长期以来依靠人力，这样的工作方式不仅耗费人力、物力，更是给巡线人员带来巨大安全隐患，电力巡线工作的枯燥性、危险性和长工时等缺陷使无人机电力巡检成为必然趋势。无人机数据链是飞行器与地面站联系的纽带，地面站实时接收航空平台和机载载荷的遥测信息及载荷获取的遥感信息，这些信息是操作人员做决策的重要依据。无人机采用载荷众多，有可见光相机/摄像机、红外、Lidar和SAR等，传输遥感数据速率迥异，更是与遥测信息速率相差甚多，同时遥测信息包括GPS数据、遥控指令回报和无人机飞行状态等信息，安全性要求高于遥感信息。可见，无人机数据链中非对称信息一体化传输技术的研究尤为重要，这里的信息非对称性尤指遥测和遥感信息速率、功率和安全性要求的不等同。

    在现有文献中，已有较多技术和方法用于解决非对称信息的一体化传输。在这些方法中，复接技术^[1]以其节省带宽、实现简单、复杂度低等优势最早也是最广泛被应用。该方法理论上可实现无限多种不同速率信息的传输，但由于相同的抗干扰处理方式导致该方法只适用于相同安全性要求信息的一体化传输。文献[2]描述的UQPSK(Unbalance Quadrature Phase Shift Keying)方法如图1所示。

    该方法通过对msg1和msg2分别采用不同纠错编码、扩频等抗干扰技术和功率调整模块改善了直接复接技术不支持安全性要求不一致传输的缺陷。但UQPSK技术仅能同时传输两种非对称信息，当无人机搭载一种载荷，即下行链路只包括遥测和一种遥感信息时采用UQPSK技术是合理的，但实际应用中航空平台往往搭载多种载荷，地面站实时接收三种甚至更多不同类型信息。基于UQPSK的一体化传输技术采用并行BPSK调制方式，系统带宽限制两种信息的传输速率，且在抗干扰指标既定条件下，两通道功率值与信息速率相关，受系统带宽限制，存在功率分配不灵活问题。

    本文针对无人机数据链中信息传输的特殊要求，提出了新的非对称信息一体化传输方法，解决了直接复接技术的可靠性不足和UQPSK功率分配灵活性差等问题。并研究了该技术在实现过程中采用的抗干扰技术和接收端设计，通过平衡信息速率、系统带宽、信息的安全性要求三者之间的关系，实现了带宽最优化和高可靠性。

1 非对称信息一体化传输技术

1.1 系统模型

    本文针对无人机数据链提出新的非对称信息一体化传输技术，发射端架构如图2。

    处理步骤如下：

    (1)遥测信息和各类遥感信息依据链路重要性选择不同信噪比增益的前向纠错码。特别地，遥测信息速率低，链路余量相比遥感要求高出5 dB，系统采用扩频技术^[3-4]。

    (2)抗干扰处理后的数据复接成串行比特流。

    (3)无人机数据链工作于频率选择性衰落信道^[5]中，嵌入导频序列组帧实现接收端信道估计与均衡。

    (4)成形滤波处理抑制码间干扰。

    (5)带通调制提高频谱利用率，降低设计难度。

    图3是非对称信息一体化传输系统接收端实现架构。为了降低解调门限、提高系统性能，接收端将解扩模块前置，提高了载波同步能力^[6-7]。因扩频码的相关性，反馈给载波跟踪和捕获模块的遥测链路信号质量提高，同步能力增强，遥测和遥感信号并没有分接，经解调后的遥感信号也获得了增益。

    采用本文的一体化传输技术的无人机数据链系统既可实现多种信息同时传输，又可兼顾传输码率、频带利用率、链路余量和系统设计复杂度等性能指标。

1.2 信号模型

    图4是遥测信息信号流程。b_i是第i个扩频码比特位，c_m，j是第i个编码码字，a_i表征遥测信息经编码和直扩后基带输出的第i个符号。模型为：

    p_i(t)是高为1、周期为极性扩频码周期的矩形脉冲序列，p_PN(t)是PN(Pseudo Noise)码。则基带输出信号模型为：

2 仿真结果与分析

2.1 频带利用率分析

    经过纠错编码和扩频技术处理后，得到遥测链路码率R_T及遥感链路码率R_S，则分配功率情况如下：

式中ρ是遥测链路功率所占总归一化功率的比值。表1描述了采用UQPSK和本文给出的非对称一体化传输技术下系统传输带宽和频带利用率情况。

    假设遥感信息经RS(255，223)编码+卷积(4，3，7)编码后码率为6 MS/s，分别采用不同的调制技术得到的频带利用率如图6。

    采用UQPSK技术时，系统频带利用率η恒定，而采用安全性非对称信息一体化技术时，采用不同的带通调制方式，系统的η不同，当ρ相同，随着MPSK调制方式下的进制数M增多，η增大。一般遥测信息经编码扩频后码片速率与遥感编码后码率比较小，如ρ=0.1条件下，UQPSK技术、本文提出的BPSK、QPSK、8PSK调制方式的频带利用率分别为0.5、0.45、0.9、1.3，优选基于QPSK或者8PSK的安全性非对称信息技术，而在误比特率10^-6情况下，QPSK相比8PSK信噪比提升4 dB。因此综合系统带宽、可靠性和系统复杂度考虑，当低功率比ρ时，建议选用QPSK作为非对称信息一体化传输技术的带通调制方式。

2.2 误码率分析

    (1)数值分析

    根据系统架构和信号模型数值分析可得QPSK调制方式下遥测链路误比特率如式(10)、式(11)所示。

    (2)仿真分析

    针对电力巡线无人机数据链传输信息的非对称性，在MATLAB平台上仿真分析得到安全性非对称信息一体化传输体制对遥测和遥控两个链路的通信性能，其中数据传输系统仿真参数如表2，仿真结果如图7。

    图7(a)中line-3和line-1分别是扩频前后的系统性能图，在相同误比特率情况下，系统的信噪比提高了约18 dB，正是遥测链路的扩频增益值。line-2和line-4分别是编码前后系统的EbN0-BER误比特率图，在误比特率为10^-6条件下，采用卷积编码（2，1，7）+DS（扩频增益18 dB）的遥测链路编码增益约为5 dB。图7(b)中line-3和line-2分别是编码前后遥感链路的误比特率图，当误比特率为10^-6时，编码增益约为6.5 dB。line-1和line-4是采用安全性非对称信息一体化技术系统仿真结果，可见在相同误比特率为10^-6条件下，遥测链路（line-1）相比遥感链路（line-4）余量提高约17 dB。

    仿真结果与理论数值分析结果吻合，同时符合安全性非对称信息一体化传输特点。

3 结论

    本文提出的基于无人机数据链非对称一体化传输技术具有如下优势：

    (1)在传输信息类型种类和调制方式的选取上有更大的灵活性，根据指标和应用环境需求可以实现高频带利用率，解决了系统带宽受限问题，且本文给出了调制方式的选取原则和方法。

    (2)安全性要求高的链路采取DSSS技术，不仅提高了本链路的信噪比增益，并且给接收端载波跟踪和捕获带来好处，提高了整个链路的信噪比增益。

    综上所述，本技术在电力巡线等多信息联合传输领域将会得到越来越广泛的应用。

参考文献

[1] 吴铁．一种宽带自适应分配的数字复接技术[D]．成都：电子科技大学，2008．

[2] 徐海源，黄知涛，周一宇．UQPSK直接序列扩频信号在卫星通信应用中的检测和性能分析[J]．信号处理，2008，24(3)：361-365．

[3] Markku J.Juntti，Matti Latva-aho．Bit-error probability analysis of linear receivers for CDMA systems in frequency-selective fading channels[J]．IEEE Transcations on Communications，1999，47(12)：1788-1791．

[4] ION P．The study of bit error rate evolution in a mobile communications system using DS-CDMA technology[J].Journal of engineering studies and research，2012，18(2)：110-115．

[5] BORAH D K，HART B D．Frequency-selective fading channel estimation with a polynomial time-varying channel model[J]．IEEE Trans．，1999，47(6)：862-873．

[6] 徐辉，余晓刚，王华，等．一种多进制正交扩频方案的解扩技术研究[J]．系统仿真学报，2003,15（7）：1002-1004．

[7] Bernard Sklar．Digital communications fundamentals and applications second edition[M]．Publishing House of electronics Industry，2002：547-558．