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基于移动公网的无人机应急通信适用高度分析崔文华1,都基焱2(陆军军官学院合肥230031,陆军军官学院合肥230031)摘要:移动公网主要针对地表用户进行覆盖,为适应无人机应急通信需求,其有效适用高度应进一步分析。本文在分析移动网络覆盖原理的基础上,结合无人机使用环境,对郊区的移动网络最大允许路径损耗及空间传播损耗进行计分析,得出了基于移动公网的无人机应急通信适用高度范围。关键词:移动公网;无人机;应急通信;适用高度中图分类号:V243.1文献标识码:ASuitableHeightAnalysisofUAVEmergencyCommunicationBasedonPublicMobileNetworkCUIWen-hua(ArmyOfficerAcademyofPLA,Hefei230031,China)Abstract:TheeffectivesuitableheightmustbefurtheranalyzedforUAV’semergencycommunicationbasedonpublicmobilenetworkthatisdesignedforthesurfaceusers.AccordingtotheanalysisofthecoverageprincipleofPublicMobileNetworkandUAVusingenvironment,thispaperismainlytocalculatethemaximumallowablelinklossandspacepropagationpathloss,andgivestheeffectivesuitableheightofUAV’semergencycommunicationbasedonpublicmobilenetwork.Keywords:PublicMobileNetwork;UnmannedAerialVehicle(UAV);Emergencycommunication;Suitableheight0引言无人机凭借其零伤亡、低成本、机动灵活等特点,已经广泛地应用于侦察防御、边海防巡逻、灾害救援、地质勘探等领域。但是目前无人机测控系统只能通过专用的数据链来传递信息,一旦数据链出现故障或受到恶意干扰,那么无人机将失去与地面控制站的联系,继而引发装备损坏与丢失的问题,并存在失泄密的隐患。因而建立一个具有独立跟踪定位功能、链路搭建快捷方便的无人机应急通信系统就成为当务之急。移动公网具有覆盖范围广泛、接入便捷、网络性能稳定可靠、传输速率高等优点,因而可以作为无人机应急测控的一种手段。然而,地面控制站与无人机之间的信息传输,属于地空通信,需要对移动公网的有效覆盖高度进行分析。1移动公网覆盖分析1.1蜂窝网结构与覆盖方法蜂窝移动通信系统由核心网子系统(CN)、无线接入网子系统(UTRAN)和用户设备(UE)组成,如图1所示。其中,核心网处理所有与语音呼叫、数据连接以及与外部网络相关的交换连接路由等功能;无线接入网处理所有与无线接入有关的无线信道的分配、释放、切换、管理等功能;用户设备用于实现用户与网络的数据交互。图1移动网络结构图Fig.1Structureofmobilenetwork无线接入网的建设情况是决定移动通信网络业务质量、覆盖范围、网络容量的重要因素。无线接入网由基站(NodeB)和无线网络控制器(RNC)组成。RNC主要完成连接建立和断开、切换、宏分CNRNCRNCNodeBNodeBNodeBNodeBUE移动通信系统组成框图2集合并、无线资源管理等功能。基站主要完成与服务区域内各用户设备之间建立无线传输线路,包括扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道编码、高频电流和电磁波的相互转换等功能,其功能实体包括无线发射/接收设备、天线和所有无线接口特有的信号处理部分。其中,基站天线是与外界传播媒介的接口,完成高频电流和电磁波的相互转换,扮演“上传下达”的重要角色,是蜂窝移动通信网络的覆盖利器。天线的型号、增益、方向图、驱动天线功率、简单或复杂的天线配置和天线极化等直接关系到整个网络的性能。理想的移动通网络覆盖涉及到各种环境,如室内、市区、郊区和全球,不同环境下,无线覆盖涉及到的传播影响因素、小区负荷和业务服务质量Qos有所不同。相应地,移动通信网络规划亦有所不同,如微微蜂窝(室内)、微蜂窝(市区)、宏蜂窝(郊区)和全球蜂窝(全球)。移动网络运营商通常根据不同的覆盖区域采用不同类型的基站。目前,基站的主要有宏基站、微基站、射频拉远天线、直放站和室内分布系统等。宏基站,通常选址在周围较高建筑物或铁塔上(高度通常在50米以内),天线大多采用定向或全向天线,覆盖半径在1~10km之间,主要应用于城区广域范围、郊区、乡镇、农村和公路的覆盖。微基站,通常选址于和周围建筑物高度相同或略高处,采用定向天线,覆盖半径在0.1~1Km之间,主要应用于城区小片盲区的覆盖、城区导频污染区或室内覆盖(如作室内分布系统的信号源)。射频拉远、直放站和室内分布系统等随目标覆盖区就近选址,发射功率通常较小,主要是针对特定区域的小范围覆盖。无人机飞行训练或装备验证试飞通常在城郊或平原农村等场地开阔、空域电磁环境良好的地区进行,因而其所处地区网络覆盖方式多数为宏基站覆盖。其中,城郊属于中话务密度区,基站既要求有一定的覆盖范围又要求有一定的容量,因而基站天线通常采用半功率波束宽度为65°或90°的高增益定向天线,并视情况采取一定的下倾角(一般0°~8°);平原农村,人口相对少,属于低话务密度区,基站主要解决覆盖范围的需求,因而基站天线首选为有零点填充的高增益全向天线。全向天线,对空覆盖理想,有效通信高度取决于基站发射功率,通常值较大,在此不予以特殊讨论。因此,本文主要对针对采取定向天线覆盖的宏基站进行。在全球三大3G标准中,WCDMA为最主流标准、技术成熟度最高、产业链最完善,因而本文时选取的具体分析对象是WCDMA网络。1.2覆盖高度计算原理用户设备UE之间能够实现相互通信的前提是UE处于移动网络有效覆盖区域内。所谓的有效覆盖区域是指能够满足:用户设备与基站之间的无线传播损耗小于等于移动通信系统所允许的最大链路损耗的区域。具体到无人机应急通信系统,机载移动通信终端能够利用移动通信网络进行可靠通信的条件是,无人机与基站之间的无线链路传播损耗在移动通信系统所允许的最大损耗之内。如图2所示,为计算移动通信网的有效通信覆盖高度,首先,要进行移动通信系统的链路预算,求解出最大允许链路损耗;其次,要计算无人机与基站之间的无线链路传播损耗,进而求解出最大允许链路损耗处的通信距离R值;最后,根据天线俯仰角,利用三角公式计算出有效覆盖高度h值。图2适用高度计算模型Fig.2Modelforcalculatingthesuitableheight2移动公网最大通信高度估算移动通信网络链路预算分为上行(用户设备至基站)预算和下行(基站至用户设备)预算。下行链路受服务区内用户数量难以预算等因素影响预算非常复杂。同时,从无线电波传播的角度看,一般基站的发射功率远大于用户设备(如手机)的发射功率,因而小区的有效覆盖半径一般都取决于上行链路的最大允许路径损耗,所以选取估算上行链路最大允许路径损耗。2.1上行链路预算链路预算涉及的影响因素众多,这里主要对几个关键项进行分析。对于上行链路最大允许路径损耗主要取决于UE最大发射功率、NodeB接收机灵敏度、天线增益等因素。由于机载通信终端置于机体内,因此还要考虑无人机的机体损耗。结合WCDMA网络的特点,宽带通信系统、采用软切换h上行链路所允许的最大损耗≥无线链路传播损耗NodeB通信距离R有效通信覆盖高度最大允许损耗≥传播损耗通信距离R通信高度hNodeB3技术,系统还具有一定的扩频增益及软切换增益。此外,WCDMA网络是干扰自受限系统,因而还取决于用户间的干扰水平,即与小区负载有关。为了在接收端成功解调业务信道的用户信号,链路预算中还需考虑快速功率控制、信号衰落变化、系统自干扰和接收机噪声的影响,并相应预留功率余量,以满足业务信道解调门限Eb/No的要求。上行链路预算分析模型,如图3所示。图3上行链路预算分析模型Fig.3Modelofuplinkbudgetanalysis上行链路最大允许路径损耗可以表示为:inossensantUEpMLSGPLargmax_(1)式中:UEP、antG、ensS、ossL、arginM分别为用户设备发射功率、天线增益、基站接收机灵敏度、传输损耗和链路余量。各项表达式具体含义如下:spreadspechandoverRNodeTUEantGGGGG__(2)式中:UE_TG、_RNodeG、handoverG和spreadSpecG分别为用户设备发射天线增益、基站接收天线增益、软切换增益和扩频增益。)lg(10)lg(10)lg(100bbfensRNEKTNS(3)式中:fN为基站噪声系数;K为Boltzmann常量,值为1.38×10-23J/K;T为绝对温度,取值为290K;bR为业务速率,单位为bps。freederpenetrabodyossLLLL(4)式中:bodyL、Lpenetra、freederL分别为人体损耗(本文中为无人机机体损耗)、穿透损耗、基站馈线损耗(包括电缆、接头、组合器的损耗)。erferPCLNFinMMMMintarg(5)式中:LNFM、PCM、interfeM分别为对数正态衰落余量(即阴影衰落余量)、功率控制余量和干扰余量。2.2最大允许损耗估算目前,商用网络中UE种类繁多,链路预算根据市场上主流商用手机规格,合理设置此参数。TS25.101规定了4个功率等级的UE:分别是33dB、27dB、24dB、21dB。一般情况下,对于语言及速率小于64kps的业务,UE的最大发射功率取为21dBm(0.125W),对于64kps及以上的高速率数据业务,UE最大发射功率取为24dBm(0.5W)。在利用移动网络进行无人机数据传输时,使用的是高速分组数据业务,因而本文计算时取24dBm。手机发射天线增益一般取为0dBi。基站接收天线增益,应根据具体使用的天线型号确定。实际工程中,不同区域类型和覆盖要求选取的天线不同。一般,在郊区为了保证覆盖以及减少对城区的干扰,通常不同的小区采用不同的定向天线,典型的定向天线参数表如表1所示。本文分析假定天线主瓣增益为17.5dBi并具有一定下倾角,挂高为40m。由于本系统中所计算的是对空覆盖范围,故应选取第一上旁瓣增益-12.5dBi进行计算(通常一般基站为减少邻频干扰UE下行链路上行链路NodeB馈线损耗天线增益软切换增益对数正态衰落余量功率控制余量发射功率扩频增益干扰余量机体损耗接收灵敏度穿透损耗4会对上旁瓣采取20-45dBi的抑制,此处,为保证估算可靠性,取抑制为30dB)。软切换增益一般取为3dB。WCDMA网络在承载数据业务时,对于不同的业务速率,采用了不同的扩频码,从而形成了不同的扩频增益。业务速率越高,扩频码的增益越低,对应的覆盖能力越弱。一般对于分组PS域64kps、144kps、384kps业务,扩频增益分别为17.78dB、14.26dB、10.00dB。热噪声系数与具体的设备相关,基站接收机噪声系数典型值为5dB。解调门限Eb/No与具体设备及业务速率等因素有关,一般业务速率越高所需ob/NE越低,对应PS域64kps、144kps、384kps业务典型值分别为2.3dB、1.7dB、1dB。某型无人机的机体材质为蜂窝玻璃钢,对于2G频段其电磁损耗小于0.18dB,此处机体损耗取0.18dB。建筑物穿透损耗与各类区域的建筑物类型、建筑物分布特点、电波入射角度等因素有关,郊区一般取为15dB。馈线损耗包括从机顶到天线接头之间所有馈线、接头、组合器的损耗,此处假定为3dB。对数正态衰落余量即阴影衰落余量,其值与扇区边缘通信概率、阴影衰落标准差有关,郊区取典型值5.4dB。功控余量、干扰余
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