淺談軍用無線通信的特點(diǎn)

王劍鋒，周 龍

(①中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041；②北方電子科技集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

隨著手機(jī)和無線局域網(wǎng)應(yīng)用的普及，無線通信已走進(jìn)了尋常百姓家，極大地方便了人們的日常工作和生活。由于用戶已經(jīng)習(xí)慣于個(gè)人無線通信提供的方便、快捷、穩(wěn)定的互聯(lián)以及豐富多彩的服務(wù)，以致于經(jīng)常聽到“軍用無線通信為什么不能做得與民用無線通信一樣好？”這樣的問題。要回答這個(gè)問題，就必須了解軍用無線通信與民用無線通信的差別，即軍用無線通信的特點(diǎn)。

1 軍用無線通信的特點(diǎn)

與民用無線通信相比，軍用無線通信最大特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：大區(qū)制、系統(tǒng)的抗毀能力、抗干擾能力、業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性要求、系統(tǒng)傳輸速率限制、路由的變化、簡單的協(xié)議體系、話音通播應(yīng)用等方面。從用戶的角度來看，它們影響了通信的可靠性和對業(yè)務(wù)的支持能力。

2 影響通信可靠性的因素

影響通信質(zhì)量和可靠性的主要因素有：大區(qū)制、系統(tǒng)的抗毀能力。

2.1 大區(qū)制

在手機(jī)的“大哥大”時(shí)代，其技術(shù)體制是頻分多址[1]，基站采用“大區(qū)制”，即一個(gè)基站用一組頻率“對”（頻率“對”數(shù)對應(yīng)可同時(shí)進(jìn)行通話的路數(shù)），覆蓋盡可能大的地域內(nèi)的移動用戶。但隨著頻率資源的日益緊張，大區(qū)制成為制約用戶數(shù)量的瓶頸，而與此同時(shí)，手機(jī)成本的快速地降低，使接納大量用戶成為現(xiàn)實(shí)需要。為此，在全球移動通訊系統(tǒng)（GSM，Global System of Mobile communication）[2]時(shí)代，提出了“小區(qū)制”的概念，即采用“蜂窩移動通信[3]”，它利用空間的分割來實(shí)現(xiàn)頻率的復(fù)用。在相鄰的區(qū)用不同的頻率，在相隔的區(qū)就可以用相同的頻率。顯然，“區(qū)”劃分得越小，頻率的復(fù)用率就越高，容納的用戶數(shù)量也越多。

然而在軍用無線通信上，是不能采用小區(qū)制的，這主要是因?yàn)椋?/p>

①受部隊(duì)編制限制，小區(qū)制的每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都需要配備相應(yīng)的人員和車輛，而作戰(zhàn)部隊(duì)不可能為作為保障的通信網(wǎng)配備過多的人力和物力資源；②路由[4]關(guān)系復(fù)雜，機(jī)動/移動性和地域適應(yīng)性差。小區(qū)制由于節(jié)點(diǎn)多，網(wǎng)絡(luò)展開時(shí)路由關(guān)系復(fù)雜，收斂穩(wěn)定慢，無法實(shí)現(xiàn)軍用無線通信網(wǎng)絡(luò)的快速展開、開通和撤收；③抗干擾能力差，小區(qū)制節(jié)點(diǎn)密度大，在敵方強(qiáng)干擾，特別是在空中施放干擾時(shí)，同時(shí)被壓制的節(jié)點(diǎn)多，使得整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓的可能性增大；④抗毀性差，小區(qū)制節(jié)點(diǎn)密度大，一旦遭到打擊，毀傷的節(jié)點(diǎn)多，使整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓的可能性增大。

由此可見，軍用無線通信需要采用大區(qū)制。所謂大區(qū)制不僅是指一個(gè)節(jié)點(diǎn)覆蓋的區(qū)域大，還指對區(qū)域內(nèi)的自然阻擋物有一定的繞射能力。

由于采用大區(qū)制，暴露出如下缺點(diǎn)：

①使用大功率通信設(shè)備易被敵方偵測，由于要求的通信距離遠(yuǎn)，在使用全向天線時(shí)，也意味著增加了被敵方偵測的機(jī)率，不易實(shí)現(xiàn)隱蔽通信；②通信的可靠性相對較差，由于要求的通信距離遠(yuǎn)，加之未利用地理信息資源建立迂回路徑，受傳輸通道上地理環(huán)境的影響較大，使得通信的質(zhì)量和可靠性相對于小區(qū)制更低。

2.2 系統(tǒng)抗毀性

民用通信中雖然采用了小區(qū)制，但因?yàn)榛臼墙⒃诳諘缁蜉^高的地點(diǎn)，能夠使用低發(fā)射功率滿足覆蓋要求。

顯然，這在軍用通信上是不行的，為了盡可能減少暴露和被敵火力打擊的風(fēng)險(xiǎn)，軍用通信的節(jié)點(diǎn)一般都布置在不易被觀察偵測到的隱蔽地點(diǎn)，如山坡、建筑物的反斜面、植被較茂密區(qū)等。由于阻擋或植被的吸收，使得點(diǎn)對點(diǎn)通信的質(zhì)量和可靠性降低。在一定的條件下，雖可利用網(wǎng)絡(luò)通信的迂回路由來提高通信的質(zhì)量和可靠性，但這時(shí)會顯著增加傳輸時(shí)延，影響信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3 影響業(yè)務(wù)的因素

制約業(yè)務(wù)支持能力的根本原因是實(shí)際可用的業(yè)務(wù)帶寬資源，在軍用無線通信網(wǎng)中，影響業(yè)務(wù)帶寬的因素主要有：系統(tǒng)傳輸速率限制、通信抗干擾要求、信息傳輸可靠性和實(shí)時(shí)性要求、動態(tài)的路由變化等。

3.1 系統(tǒng)傳輸速率限制

民用無線通信能夠給用戶提供豐富的業(yè)務(wù)支持能力，其基礎(chǔ)是傳輸帶寬的增加和數(shù)據(jù)傳輸速率的提高。

提高數(shù)據(jù)傳輸速率通常采用兩種方法：①采用高效調(diào)制；②提高工作頻率。

采用高效調(diào)制方式可提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，但同時(shí)也降低了接收的靈敏度，如正交幅度調(diào)制（64-QAM，Quadrature Amplitude Modulation）[5]的接收靈敏度就比4-QAM降低了約 10dBm。這意味著在 64-QAM 調(diào)制數(shù)據(jù)的傳輸速率較4-QAM提高了3倍的同時(shí)，為達(dá)到同樣的傳輸可靠性，根據(jù)典型的無線電傳播損耗模型，通信距離則縮短了1/2多，這顯然不符合軍用通信大區(qū)制的要求。因此高效調(diào)制不能作為軍用無線通信的主要調(diào)制方式，但在軍用領(lǐng)域仍然是可選的一種調(diào)制方式，如特種小分隊(duì)的近距離通信。

通過提高工作頻率，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，但高頻對阻擋物繞射能力差，只能視距傳輸，且工作頻率每提高一倍，傳輸損耗增加3 dB。因此提高工作頻率既不符合軍用通信大區(qū)制的要求，在城市中效果也十分有限。

而在民用無線通信系統(tǒng)中，由于小區(qū)制，上述兩種方法可同時(shí)采用，但在軍用無線通信大區(qū)制這個(gè)要求的前提下，數(shù)據(jù)傳輸速率的提高是十分困難和有限的。

3.2 抗干擾要求

在民用通信中，無線電頻率管理機(jī)構(gòu)的行政干預(yù)可以規(guī)避和解決干擾問題，但干擾卻是軍用無線通信所面臨的重大問題，因?yàn)楦蓴_往往是敵意的，且不可預(yù)測。

為了增強(qiáng)抗干擾能力，軍用無線通信采用了糾錯(cuò)編碼[6]、交織、大功率等措施，并發(fā)展了跳頻、直接序列擴(kuò)頻、定向天線等技術(shù)。理論和實(shí)踐都證明，沒有任何一項(xiàng)單獨(dú)的技術(shù)可以全面地對抗所有的干擾，因此軍事上對無線通信提出了綜合抗干擾的要求，但要實(shí)現(xiàn)綜合抗干擾就必須占用一定的通信資源，這在整體通信帶寬資源已確定的情況下，就會壓縮實(shí)際業(yè)務(wù)的可用帶寬資源。

3.3 信息實(shí)時(shí)性要求

在民用通信中，除話音和視頻業(yè)務(wù)外，人們在發(fā)送郵件或短信時(shí)，對實(shí)時(shí)性并不十分關(guān)心，一般是用降低實(shí)時(shí)性來保證可靠性。

而在軍用無線通信網(wǎng)中，信息傳輸時(shí)延和可靠性是在非常重要的指標(biāo)，需要在設(shè)定的干擾條件下進(jìn)行考核。通常做法是增強(qiáng)糾錯(cuò)，但會增加傳輸冗余，壓縮實(shí)際業(yè)務(wù)的可用帶寬資源。

3.4 動態(tài)的路由變化

組網(wǎng)是無線通信延伸通信距離，繞避阻擋物體的主要方法，組網(wǎng)通信的首要條件是路由關(guān)系的建立。

在民用通信網(wǎng)中，其主體基站間的組網(wǎng)是靜態(tài)的，并且通過高速可靠的有線網(wǎng)聯(lián)接，可用于支持協(xié)議的資源較多，而其所謂的“移動”指的是終端移動，而不是節(jié)點(diǎn)（基站）的移動。解決終端移動（即漫游問題），靠一套備案與移交協(xié)議，并且只涉及相鄰的數(shù)個(gè)基站。由于用戶終端沒有路由中繼功能，因而終端移動引起的只是最末端的一跳的變化，并不會在網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生大范圍的路由改變。

在軍用移動通信網(wǎng)中，變化的是節(jié)點(diǎn)的路由，這些變化可能是可預(yù)測的位置移動，也可能是完全不可預(yù)測的損毀，加之節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)內(nèi)的“位置”都是隨機(jī)的，變化的頻繁程度也遠(yuǎn)大于民用網(wǎng)，因此情況比民用網(wǎng)復(fù)雜，路由變化造成的影響范圍和劇烈程度都較民用網(wǎng)更高；軍用移動通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間靠無線手段進(jìn)行通信，帶寬（即信息傳輸速率）受限，如果路由協(xié)議及其機(jī)制設(shè)計(jì)得不好，就會造成路由震蕩無法收斂，占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，嚴(yán)重壓縮實(shí)際業(yè)務(wù)的可用帶寬資源。

4 簡單的協(xié)議體系

民用無線通信不僅有“干凈”的傳輸信道，還采用了復(fù)雜而完備的協(xié)議體系支持網(wǎng)絡(luò)的組織與多業(yè)務(wù)，但在軍用無線通信網(wǎng)中，這些因素會受到很大制約，主要因?yàn)椋?/p>

①軍用無線通信的大區(qū)制和面臨強(qiáng)大的敵方惡意干擾，使得協(xié)議傳輸?shù)目煽啃越档?；②協(xié)議信息的定時(shí)性要求強(qiáng)，超出定時(shí)范圍系統(tǒng)就會產(chǎn)生與期望相反的動作；③協(xié)議本身是脆弱的信息，在傳輸過程中不容許出錯(cuò)；④復(fù)雜的協(xié)議體系必然占用較多的通信帶寬資源。

民用無線通信網(wǎng)的協(xié)議基本都是以協(xié)作方式（即通信雙方相互詢問和應(yīng)答）運(yùn)行的，其作用是對某一段時(shí)間甚至是對某次通信參數(shù)做約定和確認(rèn)，如果不能按時(shí)正確地到達(dá)對方，將使通信無法繼續(xù)進(jìn)行。而設(shè)計(jì)的協(xié)議機(jī)制必定會反復(fù)地多次重復(fù)發(fā)送協(xié)議信息，確保對方能夠可靠地接收。

另一方面，以人為對象的業(yè)務(wù)信息是有一定的容錯(cuò)能力的，如話音中可有一定數(shù)量的字聽不清楚，文件中也可有一定數(shù)量的字出現(xiàn)錯(cuò)誤，這都不影響接收者對信息的理解。但協(xié)議則是一個(gè)比特都不能出錯(cuò)，否則將出現(xiàn)誤動作或不動作的情況。

上述情況在組網(wǎng)通信時(shí)將更加復(fù)雜，因?yàn)榻M網(wǎng)通信要求協(xié)議的內(nèi)容按時(shí)正確地到達(dá)網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，否則將造成部分節(jié)點(diǎn)由于沒有收到協(xié)議或收到錯(cuò)誤的協(xié)議信息而脫網(wǎng)，造成網(wǎng)絡(luò)分裂，而目前分裂的網(wǎng)絡(luò)如何重新融合，還缺少研究和考慮。

再聯(lián)系到前面所述的軍用通信傳輸速率所受到的制約，可見采用與民用通信類似的復(fù)雜協(xié)議體系，在軍用通信網(wǎng)是行不通，至少是有很大風(fēng)險(xiǎn)的。為此應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，在軍用無線通信網(wǎng)研究簡單的協(xié)議體系。

5 話音通播的應(yīng)用

隨著20世紀(jì)90年代數(shù)字通信技術(shù)的興起，在一段時(shí)間中，曾經(jīng)有人提出以數(shù)字業(yè)務(wù)替代話音業(yè)務(wù)。實(shí)際上這是僅從技術(shù)觀點(diǎn)出發(fā)，對軍用通信的應(yīng)用理解不夠所引起的，在軍用通信中，特別是在作戰(zhàn)部隊(duì)通信中，“通播的話音永遠(yuǎn)是第一位的”，這是因?yàn)椋?/p>

①話音雖然不便于記憶、儲存、回放，但說話者的語音和語氣是無法用數(shù)字表示的，而這中面也同樣帶有“信息”；

②數(shù)字信息的輸入和輸出都要較長時(shí)間地占用操作者的眼和手，這在作戰(zhàn)部隊(duì)直接關(guān)系到作戰(zhàn)人員的自身安全。而話音占用的只是耳和口，不僅操作簡單，還充分利用了人的各種器官，分散了各器官的工作壓力；

③撥號有可能在戰(zhàn)斗中因緊張而忘記號碼（包括壓縮碼）或撥錯(cuò)號碼，缺乏多人同時(shí)通話的能力，不利于戰(zhàn)斗協(xié)同；

④數(shù)字信息和撥號話音在沒有信息傳時(shí)，耳機(jī)中是寂靜的，易產(chǎn)生恐懼心理，而聲氣相聞有利于相互鼓舞斗志，驅(qū)散恐懼。

6 結(jié)語

根據(jù)上述分析，造成軍用無線通信不如民用無線通信快捷、穩(wěn)定、可靠最根本的原因是大區(qū)制、網(wǎng)絡(luò)的移動性和敵意干擾的存在，它們所產(chǎn)生的結(jié)果是通信鏈路的不穩(wěn)定、帶寬受限，使得信息傳輸?shù)馁|(zhì)量下降且沒有充足的資源去補(bǔ)救。要達(dá)到通信鏈路的穩(wěn)定可靠，有時(shí)僅靠通信系統(tǒng)本身是無法實(shí)現(xiàn)的，需要明確具體的使用目標(biāo)和要求，否則一味地照搬民用無線通信網(wǎng)的概念和技術(shù)，復(fù)制并用于軍用無線網(wǎng)絡(luò)是行不通的。

[1] 陳慧慧,鄭賓.頻分多址接入模型設(shè)計(jì)及MATLAB仿真計(jì)算[J].山西電子技術(shù), 2009(01): 53-55.

[2] 許章祿,袁堅(jiān),譚京衛(wèi).GSM系統(tǒng)切換掉話的分析與優(yōu)化方法[J].通信技術(shù), 2009,42(01): 222-224.

[3] 雷震洲.蜂窩移動通信技術(shù)演進(jìn)歷程回顧及未來發(fā)展趨勢[J].移動通信, 2008(12): 24-28.

[4] 戴建兵.一種應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)移動自組網(wǎng)的路由協(xié)議[J].計(jì)算技術(shù)與自動化, 2009, 28(01):135-138.

[5] 謝煒,劉永亮.全數(shù)字64QAM調(diào)制器的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用, 2009,11(03): 59-61.

[6] 覃永新,陳文輝,蔡啟仲.前向糾錯(cuò)技術(shù)中卷積交織器的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù), 2009,42(03): 222-224.