3. 弱链路特征提取与链路质量评估

在无人系统的弱链路通信中，链路质量评估是重连决策、速率自适应、功率控制和路由切换的基础。如果只凭“能不能收到包”来判断链路好坏，往往会在链路已经严重恶化时才做出反应，导致控制指令延迟、视频卡顿甚至失联。因此，本节聚焦于如何从物理层、链路层和网络层提取可量化的链路特征，并用滑动窗口与指数加权方法把它们融合成可用的链路质量指标。

一、七个核心链路特征

弱链路评估常用的原始特征包括 RSSI、SNR、LQI、PDR、时延、抖动和丢包模式。它们分别从不同层面反映链路状态，单独看任何一个都容易误判，必须组合使用。

RSSI（接收信号强度指示）反映接收端收到的射频功率水平，单位通常为 dBm。例如某 2.4 GHz 数传模块在近距离空旷环境下 RSSI 约为 -55 dBm，当无人机飞出 3 km 后可能降到 -85 dBm。RSSI 的优点是几乎所有射频芯片都能直接读取，缺点是它受发射功率、天线增益和遮挡影响大，不能单独代表链路可用性。

SNR（信噪比）是信号功率与噪声功率之比，单位 dB。它比 RSSI 更能反映“信号是否干净”。例如 RSSI 为 -80 dBm 时，若背景噪声为 -95 dBm，则 SNR 为 15 dB，链路仍可维持较低速率；若噪声抬升到 -85 dBm，SNR 只剩 5 dB，误码率会急剧上升。因此 SNR 是判断链路是否接近解调门限的关键指标。

LQI（链路质量指示）通常由 IEEE 802.15.4 或部分专有射频芯片给出，取值 0～255，综合了信号强度与误码信息。LQI 高说明当前帧解调质量好，但它是对单帧的瞬时评价，波动较大，需要平滑处理。

PDR（丢包率）是接收端成功收到的包数与发送端发出包数之比，通常用百分比表示。例如发送 100 个遥测包，收到 87 个，则 PDR 为 87%。PDR 直接反映应用层可用性，但统计周期较长，对突发丢包不敏感。

时延指数据从发送端到接收端所需的时间，弱链路中常因重传而显著增大。例如正常时延为 20 ms，链路恶化后可能升至 200 ms 以上。抖动是时延的变化程度，常用相邻时延差的标准差或平均绝对偏差表示。抖动大意味着链路不稳定，对实时控制尤为不利。

丢包模式比单纯 PDR 更有信息量。连续丢包（burst loss）通常由遮挡或深度衰落引起，而随机丢包（random loss）多与噪声或干扰相关。区分两者有助于选择不同的恢复策略：连续丢包适合触发重连或切换信道，随机丢包更适合调整速率或重传。

二、滑动窗口评估方法

滑动窗口是最直观的链路质量统计方法。设窗口长度为 N，每收到一个新样本就把它加入窗口，同时移除最旧的样本，然后计算窗口内的均值、标准差和丢包计数。例如取 N=20，采样周期 100 ms，则窗口覆盖最近 2 秒的链路状态。

以 RSSI 为例，窗口内 20 个样本为 -72、-74、-73、-75、-78、-80、-82、-85、-83、-81、-79、-77、-76、-78、-80、-84、-86、-88、-87、-85 dBm。计算均值约为 -80.2 dBm，标准差约为 4.8 dB。均值反映整体强度，标准差反映波动程度。若均值低于 -85 dBm 且标准差大于 5 dB，可判定为弱链路。

滑动窗口的优点是实现简单、对突发变化敏感，适合检测短时遮挡或干扰。缺点是窗口长度固定，难以同时兼顾快速响应和平滑性：窗口太短则抖动大，窗口太长则反应迟钝。工程上常采用双窗口策略，短窗口（N=5）用于快速告警，长窗口（N=50）用于趋势判断。

三、指数加权评估方法

指数加权移动平均（EWMA）用递推方式平滑特征，公式为：

S(t) = α · x(t) + (1 - α) · S(t-1)

其中 x(t) 是当前采样值，S(t-1) 是上一时刻的平滑值，α 是平滑因子，取值 0～1。α 越大，越信任当前值，响应快但抖动大；α 越小，越依赖历史，平滑好但滞后明显。弱链路评估中常取 α=0.2～0.3。

以 SNR 为例，初始 S(0)=20 dB，α=0.25。若连续采样为 18、15、12、10、8 dB，则：

S(1) = 0.25×18 + 0.75×20 = 19.5 dB
S(2) = 0.25×15 + 0.75×19.5 = 18.4 dB
S(3) = 0.25×12 + 0.75×18.4 = 16.8 dB
S(4) = 0.25×10 + 0.75×16.8 = 15.1 dB
S(5) = 0.25×8  + 0.75×15.1 = 13.3 dB

可以看到，EWMA 平滑值从 20 dB 逐步下降到 13.3 dB，比原始值更平稳，但仍能反映下降趋势。EWMA 的另一个优点是只需保存一个历史值，计算和存储开销极小，非常适合嵌入式无人系统平台。

四、多特征融合与质量分数

单一特征难以全面反映链路质量，通常需要把多个特征归一化后加权融合。归一化方法可采用 min-max 或分段映射。例如 RSSI 从 -100～-40 dBm 映射到 0～1，SNR 从 0～30 dB 映射到 0～1，PDR 直接除以 100，时延和抖动则反向映射（越小越好）。

设归一化后的特征为 r、s、l、p、d、j，权重分别为 0.15、0.25、0.10、0.25、0.15、0.10，则链路质量分数 LQS 可定义为：

LQS = 100 × (0.15r + 0.25s + 0.10l + 0.25p + 0.15d + 0.10j)

权重可根据任务类型调整：视频回传更看重 PDR 和时延，控制链路更看重 SNR 和抖动。LQS 高于 70 视为正常，40～70 为弱链路预警，低于 40 则触发重连或切换。实际部署时还应加入迟滞区间，避免在阈值附近频繁抖动。

五、丢包模式的进一步利用

除了统计 PDR，还应记录丢包的位置和连续性。可以用一个长度为 M 的位图记录最近 M 个包是否收到，例如 1 表示收到、0 表示丢失。若位图中出现连续 3 个以上的 0，则判定为连续丢包，优先触发信道切换或重连；若 0 分散出现，则判定为随机丢包，优先调整速率或增加重传。

例如最近 20 个包的位图为 11101110111011101110，丢包分散，PDR 为 80%，属于随机丢包；若位图为 11111111110000000000，则后 10 个包连续丢失，PDR 为 50%，属于连续丢包。两种情况的 PDR 不同，但更重要的是恢复策略完全不同。

六、评估流程与判断依据

完整的链路质量评估流程可以概括为：采集原始特征 → 归一化 → 滑动窗口统计 → EWMA 平滑 → 多特征加权 → 输出 LQS → 阈值判断。判断时建议同时观察三个维度：LQS 绝对值、LQS 变化趋势、丢包模式。若 LQS 持续下降且伴随连续丢包，应尽快触发重连；若 LQS 在阈值附近波动但丢包分散，可先尝试速率自适应和功率调整。

需要强调的是，所有阈值和权重都应根据具体射频模块、天线配置、飞行环境和任务要求进行标定。例如某 900 MHz 数传在城区环境下的 RSSI 门限可能比空旷环境高 10 dB。建议在正式部署前采集至少 30 分钟的链路数据，统计各特征在正常、弱链路和失联三种状态下的分布，再确定阈值和权重。只有经过实际数据标定的评估模型，才能在无人系统弱链路场景中真正发挥作用。