C波段基站式多目标遥测网络构建技术

霍朝晖，惠 力

(中国飞行试验研究院，西安 710089)

0 引言

随着航空工业技术的不断发展，新机型的复杂度越来越高，导致在飞行试验中测试参数的种类与数据量越来越大[1]。现行航空飞行试验测试使用的符合IRIG-106标准的S波段单向点对点的PCM数据传输系统受设备与技术限制，数据速率最大可传输20 Mbps，传输距离不足300 km，不能满足新技术、新测试发展对数据传输的需求[2-3]。针对上述问题，本文将开展C波段基站式多目标遥测网络构建技术研究，突破S波段点对点传输模式，建立基于移动基站的C波段无线双向网络传输链路，提升数据传输速率，实现跨区域的试验与测试网络系统。

1 架构设计

1.1 蜂窝架构及原理

本文将引入蜂窝网络实现C波段基站式多目标遥测网络的架构设计。蜂窝网络被广泛采用源于一个数学结论，即：以相同半径的圆覆盖平面，当圆心处于正六边形的中心，也就是圆心处于正三角网格的格点时，圆的数量最少。在通信系统中，使用圆形来表述工程实践是合理的。出于构建成本的考虑，正三角网格(也称为简单六角网格)是做好的选择。这样形成的网络重叠在一起，形状非常像蜂窝，因此被称作蜂窝网络。

为实现基于C波段的多目标遥测网络，本文采用基于移动基站的C波段无线双向网络传输方式，以支持半径50 km的可视空域通信覆盖，使数据传输速率达到50 Mbps，传输延时不大于200 ms[4]。

C波段基站式多目标遥测网络属于空地遥测遥控，无线信道环境简单，采用大区制蜂窝网络布局，利用地面基站式遥测遥控设备实现飞行空域覆盖。单位无线区群为7(N=7、j=2、i=1)，通过增加单位无线区群，实现多个星形网络拓扑结构，不增加频率范围就可以增加网络覆盖面积[5]。每个星形中心节点为基站式遥测遥控设备，移动节点为机载端遥测遥控设备，C波段基站式多目标遥测网络架构如图1所示。

图1 C波段基站式多目标遥测网络架构

1.2 蜂窝架构说明

C波段基站式多目标遥测网络系统由机载端遥测遥控设备、基站式遥测遥控设备、网络服务器、空地接口、IU接口等组成[6]，如图2所示。

图2 C波段基站式多目标遥测网络系统结构

机载端遥测遥控设备由机载端C波段网络收发器、双向功率放大器、机载天线组成，实现机载端入网、退网、TDD双工数据传输、状态检测、参数设置等功能。

基站式遥测遥控设备由地面端C波段网络收发器、双向功率放大器、基站天线组成，实现TDD双工数据传输、状态检测、参数设置等功能。

网络服务器具有通过SNMP协议管理各个机载端遥测遥控设备和基站式遥测遥控设备、对机载端遥测遥控设备归属区域的移动性管理、双向数据交换等功能。

空地接口是机载端遥测遥控设备与基站式遥测遥控设备间的无线接口协议。

IU接口是基站式遥测遥控设备与网络服务器间的以太网接口协议。

在网络构建过程中，将机载网络收发器、功率放大器、C波段机载天线改装至试验机，地面将C波段基站天线、双向功放、网络收发器加装至C波段网络基站，交换机与基站交换网络相连，所有的基站通过地面光纤网络汇聚到本地数据处理中心。

2 C波段基站式多目标遥测网络系统接入体制

C波段基站式多目标遥测网络系统采用TDMA接入体制，相比较随机接入类型MAC体制具有更高的资源利用率，更加容易实现时延控制和QoS控制，是更加适合飞行试验空地遥测网络应用特点的一种媒体访问控制架构。

2.1 TDMA协议设计

对TDMA协议设计而言，本文针对以下三个关键环节进行了分析。

1)TDMA时槽(Slot)的分配：

本文设计网络内每个用户占用1个或多个Slot用于通信，Slot数量根据网络内接入节点数量、接入顺序和每个用户QoS配置确定。全体网络节点(试验对象和地面基站)Slot形成一个周期重复的时间环。对于Slot长度设计，首先Slot长度应满足信道相干时间要求，其次TDMA Slot长度固定，以便于实现和分配，再次TDMA Slot长度设计应考虑数字电路设计时序同步的便捷。

2)MAC接入控制机制：

采用以地面基站为本小区中心节点的接入控制机制，每次飞行前通过设备管理软件，在地面C波段网络终端预先设置本次飞行的机载C波段网络收发器的ID号(即地址码)、信道访问顺序、QoS等工作参数，从而确定本次工作TDMA时间环的结构，同时每次地面基站Slot(用于传输上行数据帧)中广播占用随后Slot的机载C波段网络终端的ID号，ID号按照已设置的顺序依次广播，周期重复，从而实现全体TA的信道访问控制。同时，各地面基站的总体时隙分配由地面基站控制器(AC)统一分配和管理。

3)空地TDMA同步控制：

本文设计了一种由地面C波段网络终端发起的同步周期修正机制，即地面基站Slot内的上行数据帧，在完成向机载C波段网络终端传输控制数据的同时，兼做周期同步修正时标，空地收发器仅需在两次修正期间内保持短期相对稳定即可。因为这一周期仅为若干毫秒，因此即使采用较低稳定度时钟，短时间内也完全可以认为时钟是充分稳定的，从而可靠地满足了TDMA Slot的精度要求(μs级)。同时，TDMA协议设计还预留了保护间隔，即空中无线信号传播时延补偿(对应50 km最大167 μs)和各种处理时延(收发切换、硬件处理时延和软件处理时延，总量小于50 μs)的补偿量。

2.2 QoS设计分析

本文采用的TDMA体制为实现灵活QoS处理提供了基础。QoS设计主要涉及上下行带宽分配与数据速率自适应两个方面。

由于TDMA体制采用固定长度Slot模式，因此在MAC层设计了基本传输帧+复帧+超帧的架构，基本传输帧长度为Slot长度，是最小传输单元，复帧由1个或多个同方向基本传输帧组成，分为上行复帧和下行复帧，而超帧又由上行复帧和下行复帧及保护间隔组成。通过灵活分配上下行复帧中的基本传输帧数量，可以按比例灵活分配上下行用户带宽。

此外，为实现遥测全程链路稳定接通，本文除设计足够的射频链路余量和信道补偿机制外，设计了数据速率动态自适应机制，即每数据帧的发射数据速率依据当前本设备接收性能动态变化，为保证判断可靠性，采用接收信号强度+误码性能联合作为判决依据，可以快速准确真实反映当前信道实际能力，从而选择适合当前信道的数据速率。

2.3 C波段基站式多目标遥测网络系统安全认证方案

C波段基站式多目标遥测网络系统具有高度的开放性，空域广、功率大，传输的信息易于窃取、篡改和插入。因此，遥测网络系统安全和认证尤为重要。遥测网络系统的安全需求主要体现在以下两个方面：

1)遥测网络安全认证方案。本文参照iNET中的RF网络单元标准，采用无线局域网媒体访问控制和物理层规范。安全认证系统由认证服务器、基站认证端、试验机认证端三部分组成，如图3所示。其中试验机认证端提出认证请求，通过驻留于试验机认证端的请求端口接入实体发送接入请求，基站认证端是控制试验机认证端接入网络的实体，利用驻留于基站认证端的认证PAE对接入请求进行认证；认证服务器是为认证系统提供认证服务的实体，对请求方进行鉴权。

2)端到端加密方案。对于飞行试验较高密级信息的数据加密要求，采用端到端加密方式，即在试验机和基站的网络终端输入、输出端增加一台具备保密资质认证的数据加密机，以实现高等级数据的加解密。在工程样机研制中保留端到端加密设备连接接口，需要增加端到端的加解密机，只需采购具有资质的标准设备即可。

图3 安全认证方案

3 C波段遥测网络终端系统研制

在面向飞行试验的场景下，C波段基站式多目标遥测网络系统应具备功能：1)C波段(4.4～4.94 GHz)工作频点与多信道能力；2)C波段网络收发器必须支持通信处理体制灵活可变，即设备一体化、功能软件化，决定了收发器设计实现应采用软件无线电技术架构；3)高达50 Mbps的数据速率要求C波段网络终端设计考虑高阶调制模式和多种带宽增强方案，具备足够强大的数字信号和软件处理资源与处理速度；4)空地快变通信信道和高频点高速移动通信环境决定了C波段网络终端数字信号处理部分应具备载波同步、符号同步、数据帧同步算法以及数字电路实现设计应预留足够的处理余量[7]。

3.1 机载/基站式网络收发器结构与组成

机载和地面C波段网络收发器的原理图如图4所示。

图4 收发器原理图

收发器整体设计基于大规模高速FPGA+高速嵌入式处理器的SDR(软件无线电)架构实现，由AD/DA(模数-数模转换)实现模拟与数字分割界面。大规模FPGA实现的数字PHY和高速嵌入式ARM主控处理器实现数字信号处理与MAC协议处理，完成核心的数据处理过程，包括调制解调、符号同步、载波恢复、时频域转换(FFT/DFFT)、数据帧同步、数据帧装帧拆帧、信道补偿处理(含信道估计与补偿、FEC编解码)、数字削峰处理、高速数字接口、TDMA协议状态机等全部功能，在单一设备内完成一个完整的网络化无线收发处理流程。收发器通过2个符合标准IEEE802.3u 10/100/1000M自适应网络与机载网络系统或地面网络接口，整机基于TCP/IP的全透明化网络数据传输体制，设备工作于对等传输模式(即通信两端基本收发模式和通信体制相同)。

3.2 C波段双向宽带线性功率放大器设计

本文在C波段双向宽带线性功率放大器设计中采用TDD(time division duplex)快速微波检测技术和固态器件线性功放技术，在大幅扩展无线射频通讯距离的同时保证无线传输速率稳定。该功放适用于多种不同的应用场合，能有效地增加无线设备的覆盖范围和桥接距离，同时提高覆盖边缘区域接入设备连接的传输速率，满足空地宽带无线通信技术要求。

图5 功率放大器框架图

其中，C波段宽带线性功率放大器外部接口按功能划分包括独立的2路SMA收发器射频接口(分别连接天线和C波段网络终端)、功放控制管理接口(RS232)和电源接口。此外，地面功放支持状态LED指示和电源开关，便于部署使用。

3.3 C波段机载天线与C波段基站天线设计

在商用通信系统中，移动通信的基站天线类型由于造型、耐温范围、收发增益等原因均不适合用在飞行试验中。因此需要针对飞行试验的特点，研制专用的机载C波段天线和地面C波段天线。

机载C波段天线采用模块化设计，便于机载安装，实现频率范围4.4～4.94 GHz的双向信号发射[8]，如图6所示。

图6 机载C波段天线示意图

为保证系统的网络通信效果，地面基站天线采用高增益阵列天线，通过耦合形成具有高增益的通信天线。天线组合由16个增益为15 dbi单元组成。单元天线水平方向波束宽度约45°，垂直方向波束宽度为25°[9]。天线组合分两层，底层8个单元天线和上层8个天线。当仰角较高时，目标与天线的距离较近，要求接收天线增益较低。因此，底层天线单元布设时，向上倾斜20°，上层天线布设时向上倾斜50°，就可以覆盖整个空域[10]，如图7所示。

图7 C波段基站式多目标天线结构示意图

4 试验结果与分析

在演示验证系统构建中，采用4套地面基站实现空域覆盖，试验对象安装在一架运输机上，组成C波段基站式遥测网络演示验证系统。地面基站接收到信号后，通过电信运营商地面光纤网络将信号回传。在试验过程中，由于运营商网络设备限制，不能验证50 Mbps的最大传输速率。飞行试验结果如图8所示。

从图8可以看出，传输速率为1606 kB/s，约13 Mbps，实现了C波段基站式遥测网络数据的传输，突破了传统遥测体制，为未来实现高速、双向、多目标空地数据传输提供了基础。

5 结束语

针对新技术、新测试的需求，本文开展了C波段基站式多目标遥测网络构建技术研究，主要包括架构设计，C波段基站式多目标遥测网络系统接入体制，C波段遥测网络终端系统研制三大部分。遥测网络采用蜂窝网络架构，利用地面基站式遥测遥控设备实现飞行空域覆盖。采用适用于飞行试验空地遥测网络的TDMA接入体制实现数据传输，并完成了机载端/地面端网络收发器、双向功率放大器、天线的设计与实现。C波段基站式多目标遥测网络构建技术的研究为实现高速、双向、多目标空地数据传输提供了支撑，并为跨域遥测数据的传输奠定了基础。