海島散射通信應(yīng)用研究

曹 誠(chéng)， 鞠茂光， 朱華進(jìn)

（海軍通信應(yīng)用研究所，北京 100841）

0 引言

自上世紀(jì)五十年代以來(lái)，在通信領(lǐng)域內(nèi)最突出的成就之一就是發(fā)現(xiàn)了電磁波的散射傳輸現(xiàn)象，即通信波束在大氣層中產(chǎn)生了主要能量集中于前方的前向彎管超視距傳輸，其中利用通信波束在高空10～12 km以下對(duì)流層中產(chǎn)生的散射現(xiàn)象進(jìn)行通信的方式稱(chēng)為對(duì)流層散射通信。散射理論認(rèn)為，電波在對(duì)流層中的散射傳播是湍流不相干散射傳播，由于在對(duì)流層中不斷產(chǎn)生大氣渦流（湍流），使溫度、濕度和氣壓產(chǎn)生隨機(jī)變化，引起大氣折射指數(shù)N發(fā)生變化，（各處介電常數(shù)ε不同，且隨機(jī)變化），當(dāng)電磁波進(jìn)入這種折射指數(shù)不斷起伏的區(qū)域（稱(chēng)公共體積或者散射體），利用大氣的不均勻性產(chǎn)生散射，部分前向散射波落到接收天線的波束內(nèi)，就形成超視距傳播。

由于散射通信工作在超短波和微波波段，單跳距離遠(yuǎn)，通信容量大，傳播信道穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾、抗毀、抗截獲能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)在現(xiàn)代通信中廣泛應(yīng)用，特別是在軍事通信和遠(yuǎn)離大陸的海島通信中能夠發(fā)揮重要的作用。

1 海島散射通信理論依據(jù)

通過(guò)分析海島通信應(yīng)用需求可知，實(shí)現(xiàn)海島與大陸或者海島間的通信方法很多，有海底光纜、衛(wèi)星、微波通信等多種方式。采用海底光纜雖然可以實(shí)現(xiàn)可靠的海島間及海島對(duì)大陸間的通信，但是海底光纜建設(shè)成本昂貴，而且容易受艦船、海浪的沖擊而損毀，維護(hù)保養(yǎng)難度大。海島間或者海島與大陸間的通信鏈路往往為中遠(yuǎn)距離，如果采用衛(wèi)星通信既不能發(fā)揮其長(zhǎng)距離通信的優(yōu)勢(shì)，又需要占用大量通信資源，在通信距離通常小于200 km的海島通信鏈路中衛(wèi)星通信并非首選。微波通信作為視距內(nèi)通信，如果海島間或者海島與大陸間距離超過(guò)50 km，采用微波通信需要中繼，容易造成通信信號(hào)衰減，通信質(zhì)量下降等問(wèn)題。

作為中遠(yuǎn)程鏈路通信中的一種成本效益高的通信手段，對(duì)流層散射通信有著其突出的通信特點(diǎn)。一是單跳跨距遠(yuǎn)，通?？蛇_(dá)100～600 km，并且有明顯的“越障”能力；二是通信容量比短波、超短波通信大得多，可達(dá)8 Mb/s以上，目前國(guó)際上已成功實(shí)現(xiàn)了40 Mb/s的傳輸速率；三是對(duì)流層傳播信道穩(wěn)定，支持全時(shí)域、全天候工作，基本不受雷電、極光、磁暴和太陽(yáng)黑子等惡劣自然環(huán)境的影響；四是抗干擾、抗截獲能力強(qiáng)、抗毀性能好，是其它通信方式不可比擬的。另外，海島散射通信鏈路要經(jīng)過(guò)海面上空傳播，按照瑞利分布的散射信道傳播模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，海上的散射年中值電平比陸地要高6～10 dB；海上還常常呈現(xiàn)規(guī)則、不規(guī)則層反射及大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，造成了通信信號(hào)異于陸地的反常傳播，這使得散射通信系統(tǒng)在海上的通信性能大大優(yōu)于在陸地上的使用性能。在同樣的設(shè)備能力下，可獲得海上傳輸容量或單跳通信距離的大幅度提升；而為了實(shí)現(xiàn)同等容量和通信距離的信息傳輸，散射通信對(duì)設(shè)備能力(發(fā)射功率、天線口徑)等的要求顯著低于陸地傳播需求[1]。

綜上所述，由于散射通信的突出特點(diǎn)，在海島通信應(yīng)用中，利用散射通信既能夠有效彌補(bǔ)使用光纜、衛(wèi)星、微波、短波等通信手段帶來(lái)的不便，又可以實(shí)現(xiàn)超視距、高質(zhì)量、變帶寬的可靠海島無(wú)線通信。

2 散射通信關(guān)鍵技術(shù)

散射傳輸系統(tǒng)通常由兩個(gè)通信端站組成，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)散射通信，能夠完成數(shù)據(jù)和話音的傳輸，如果海島間距離或者海島與大陸間通信距離過(guò)遠(yuǎn)，也可通過(guò)建立中繼站的方式達(dá)成散射通信。通常一個(gè)端站設(shè)備包括用戶(hù)室內(nèi)單元（復(fù)用設(shè)備一臺(tái)、散射通信低頻設(shè)備一臺(tái)）、室外單元（散射通信高頻設(shè)備兩臺(tái)）、天線及配套電纜等。散射通信系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。中繼通信系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖1 散射通信系統(tǒng)組成框

圖2 中繼方式通信組成框

散射通信通常采用多重分集接收及最佳合并、BPSK調(diào)制和相干檢測(cè)、固態(tài)功率放大器、語(yǔ)音編解碼、自適應(yīng)均衡、糾錯(cuò)等先進(jìn)技術(shù)，使得設(shè)備性能穩(wěn)定可靠，體積小、重量輕、工耗低，通信質(zhì)量高。

2.1 分集接收及最佳合并技術(shù)

在實(shí)際的散射通信系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)過(guò)散射傳播路徑后，到達(dá)接收端的信號(hào)往往是多個(gè)幅度和相位各不相同的信號(hào)的疊加，使接收到的信號(hào)幅度出現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，形成多徑衰落，不同路徑的信號(hào)分量具有不同的傳播時(shí)延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會(huì)使復(fù)合信號(hào)相互抵消或者增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。分集接收技術(shù)是一項(xiàng)主要的抗衰落技術(shù)，它可以大大提高多徑衰落信道傳輸下的可靠性。分集的基本原理是通過(guò)多個(gè)信道（時(shí)間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個(gè)副本，由于多個(gè)信道的傳輸特性不同，信號(hào)多個(gè)副本的衰落就不會(huì)相同，接收機(jī)使用多個(gè)副本包含的信息能夠比較正確的恢復(fù)出原發(fā)信號(hào)。如果不采用分集技術(shù)，在噪聲受限的條件下，發(fā)射機(jī)必須要發(fā)送較高的功率，才能保證信道情況較差時(shí)鏈路正常連接。而采用分集方法可以降低發(fā)射功率，這在散射通信中非常重要。

在散射通信系統(tǒng)中，當(dāng)信號(hào)接收端取得若干條相互獨(dú)立的支路信號(hào)以后，可以通過(guò)合并技術(shù)來(lái)得到分集增益。從合并所處的位置來(lái)看，合并可以在檢測(cè)器以前，即在中頻和射頻上進(jìn)行合并，且多半是在中頻上合并，合并也可以在檢測(cè)器以后，即在基帶上進(jìn)行合并。合并時(shí)采用的準(zhǔn)則與方式主要分為最大比值合并（MRC）、等增益合并(EGC)，選擇式合并(SC)和切換合并[2]。由于最大比值合并的性能最好，在散射通信系統(tǒng)中通常采用最大比值合并技術(shù)。

2.2 自適應(yīng)均衡技術(shù)

散射通信設(shè)備除具有接收信號(hào)微弱且時(shí)變的特點(diǎn)之外，因其傳輸速率較高，所占據(jù)的信號(hào)帶寬很寬，經(jīng)由對(duì)流層散射信道傳輸時(shí)，受到頻率選擇性衰落的影響嚴(yán)重，導(dǎo)致接收信號(hào)頻譜產(chǎn)生失真。這時(shí)，由多徑傳播引入的雙邊多徑時(shí)延展寬與傳輸符號(hào)寬度的比值（2/Tσ）會(huì)很大，在時(shí)域上就表現(xiàn)為十分嚴(yán)重的符號(hào)間干擾，從而使系統(tǒng)引入不可減小誤碼，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確判決。因此，符號(hào)間干擾是散射信號(hào)傳輸中所遇到的首要問(wèn)題，在信號(hào)的接收端必須采取有效措施來(lái)消除這種符號(hào)間的相互干擾。

自適應(yīng)均衡技術(shù)的基本原理是對(duì)信號(hào)在不同時(shí)延上乘以自適應(yīng)于信道狀態(tài)的復(fù)數(shù)加權(quán)值，然后予以合并。一般散射通信設(shè)備的調(diào)制解調(diào)器采用抽頭延遲線濾波器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)均衡，濾波器的加權(quán)系數(shù)與信道自適應(yīng)，以去除信道時(shí)延展寬引入的符號(hào)間干擾。自適應(yīng)均衡使用的最佳化準(zhǔn)則為最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則。在MMSE準(zhǔn)則下，均衡器自動(dòng)調(diào)整加權(quán)系數(shù)向量，使輸出誤差的均方值達(dá)到最小。用來(lái)尋找使誤差性能函數(shù)最小的最佳權(quán)矢量的算法采用最小均方（LMS）自適應(yīng)算法。LMS算法的優(yōu)勢(shì)在于它的簡(jiǎn)易性和有效性，由于對(duì)流層散射信道的時(shí)變速率比信息傳輸速率要慢得多，所以，采用LMS算法的自適應(yīng)均衡器能夠跟蹤信道的響應(yīng)[3]。

3 海島散射通信端站建設(shè)要求

由于海島屬高溫、高鹽、潮濕的海洋性氣候環(huán)境，雷電和臺(tái)風(fēng)較多，雨季時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)通信設(shè)備特別是室外通信設(shè)備的材質(zhì)、安裝要求較高。同時(shí)，由于散射通信本身對(duì)地域和空域的特殊要求，在海島上建設(shè)散射通信端站有別與其它通信設(shè)備之處。特殊要求有：

①散射通信是利用10～12 km以下的對(duì)流層產(chǎn)生散射現(xiàn)象進(jìn)行通信的，由于發(fā)生散射現(xiàn)象空域離地面較近，為避免地面建設(shè)物或者高山、樹(shù)木等對(duì)信號(hào)傳播遮擋造成的影響，必然確保在信號(hào)傳播前言至少2 km范圍內(nèi)無(wú)高大的建筑物或者自然遮擋物；

②為防止高溫、鹽霧等對(duì)海島散射通信設(shè)備造成的腐蝕、鹽蝕等損害，海島散射通信室外單元，特別是天線等設(shè)備必須做好“三防”，在臺(tái)風(fēng)較多地帶要加裝必要的防風(fēng)罩；

③為防止由于信號(hào)衰減造成通信質(zhì)量下降等問(wèn)題，散射通信室外單元與室內(nèi)單元相隔不應(yīng)太遠(yuǎn)，一般確保在20 m距離范圍內(nèi)，天線與室外單元距離在3 m范圍內(nèi)為佳。

4 結(jié)語(yǔ)

散射通信是利用對(duì)流層產(chǎn)生的散射現(xiàn)象達(dá)成通信的，由于其傳播距離，傳播速率快，傳輸容量大，可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在中遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信和軍事通信中。由于海島地理環(huán)境和氣候環(huán)境的特殊要求，同采用其它通信手段相比，采用散射通信手段達(dá)成海島間或者海島與大陸間的通信是一種既便宜有可靠的通信方法。近年來(lái)，隨著對(duì)散射通信技術(shù)的不斷深入研究，散射通信的使用范圍在不斷在擴(kuò)大，在無(wú)線通信中發(fā)揮的作用越來(lái)越大。

[1] 王曉春,秦建存.散射通信海上應(yīng)用研究[J].工程實(shí)踐與應(yīng)用技術(shù),2008,34(03)：62-64.

[2] 陳志元,任欣.對(duì)流層散射通信新技術(shù)及其軍事應(yīng)用[EB/OL].（2009-07-01） [2010-05-1O]. http：//wenku.baidu.com/view/7c5a6a4ac850ad02de8041fe.html.

[3] 葉朝天.DTR91散射通信設(shè)備在島嶼通信中的應(yīng)用研究[J].工程實(shí)踐與應(yīng)用技術(shù),2010,36(01)：58-60.