具備反偵察與抗截獲特性的紫外光通信體制研究＊

魯遠(yuǎn)曙

（海軍駐武漢地區(qū)通信軍事代表室 武漢 430079）

1 引言

“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”思想的提出在全球范圍內(nèi)掀起了一場(chǎng)重大的軍事變革，同時(shí)推動(dòng)著未來(lái)作戰(zhàn)模式由機(jī)械化向信息化模式的轉(zhuǎn)變。在這場(chǎng)變革中，通信能力已經(jīng)成為支撐信息化作戰(zhàn)模式下作戰(zhàn)能力的核心要素之一。但隨著大量偵察、電子戰(zhàn)兵力和武器裝備用于戰(zhàn)場(chǎng)，將使得軍用無(wú)線(xiàn)通信的隱蔽性和安全性面臨巨大的威脅和挑戰(zhàn)，也對(duì)未來(lái)軍用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)體制的反偵察、抗截獲能力提出了更高的要求。

日盲紫外光（本文以下簡(jiǎn)稱(chēng)紫外光）通信技術(shù)作為一種新興的通信手段，使用紫外光這種與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)完全不同的載波信號(hào)，能夠避開(kāi)傳統(tǒng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的偵測(cè)和干擾。同時(shí)，紫外光信號(hào)具有良好的大氣吸收性，能夠有效控制信號(hào)輻射范圍，具有良好的反偵察和抗截獲能力。因此，利用紫外光通信技術(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)一種具有良好反偵察和抗截獲能力的無(wú)線(xiàn)通信新體制。

美軍于上世紀(jì)60年代的中后期開(kāi)始展開(kāi)對(duì)紫外光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的研究，并就紫外光在大氣中的散射及傳輸特性等具體技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了理論探討和試驗(yàn)研究。2000年由美國(guó)GTE公司為美軍研制了一種實(shí)用的隱蔽式紫外光無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，并已裝備部隊(duì)。隨后至今，美軍在紫外光基礎(chǔ)器件技術(shù)方面持續(xù)投入，先后研制出紫外光光源及光電檢測(cè)半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步降低了紫外光無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的功耗，并實(shí)現(xiàn)端機(jī)的小型化。

2 紫外光大氣傳播特性分析

日盲紫外光具體是指波長(zhǎng)在250～275nm范圍內(nèi)的紫外光。根據(jù)有關(guān)研究，大氣層幾乎可以完全吸收由太陽(yáng)發(fā)出的處于該波段范圍內(nèi)的紫外光輻射，且自然界中也基本不存在此類(lèi)天然輻射源。因而，波長(zhǎng)處在該范圍的紫外光被稱(chēng)為日盲紫外光。

總體上講，影響紫外光信號(hào)特性的主要因素包括紫外光在大氣信道上的傳播特性（即紫外光的大氣吸收、衰減以及散射特性等）和傳輸特性（即紫外光在大氣信道中的多徑傳輸特性以及紫外光脈沖延遲、展寬特性等）。

其中紫外光在大氣中傳播特性主要受大氣中氣體分子和氣溶膠顆粒對(duì)紫外光的吸收與散射作用的影響。大氣中的多種氣體分子對(duì)紫外光具有強(qiáng)烈地吸收作用，因而使得紫外光信號(hào)大氣傳播衰減速度極快，限制了信號(hào)的傳播距離。紫外光在不同環(huán)境中的具體傳播衰減特性在文獻(xiàn)［1～4］中有較為詳細(xì)的研究。此外，大氣中的氣體分子及氣溶膠顆粒對(duì)紫外光還具有較強(qiáng)的散射作用。Mark.R.Luettgen和Jeffrey H.Shapiro在1991年首次提出紫外光的單次散射模型，其模型示意圖如圖1所示［5］。

圖1 紫外光單次散射模型示意圖

然而，紫外光的實(shí)際散射過(guò)程卻更為復(fù)雜。在實(shí)際大氣信道中，紫外光的散射存在兩種主要散射形式，即瑞利散射和Mie散射。這兩種散射過(guò)程均不發(fā)生光的色散，且基本不損失能量。引起瑞利散射的主要原因是大氣分子的散射作用，而Mie散射主要是由大氣中各種不同的氣溶膠顆粒引起［6～7］。由于氣溶膠的成份不同，導(dǎo)致在Mie散射過(guò)程中入射光散射方向分布不均勻。因此，Mie散射的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)求出近似解。在不同天氣條件下，大氣中的主要散射顆粒尺寸不同，因而分析紫外光大氣散射特性的模型也有所不同。當(dāng)天氣晴好時(shí)，主要的散射體為空氣分子，其半徑大約為10－4μm量級(jí)。由于其半徑遠(yuǎn)小于紫外光波長(zhǎng)，因而須采用瑞利散射模型描述相關(guān)散射現(xiàn)象。當(dāng)有霧時(shí)，主要散射體為霧滴顆粒，半徑約為1～10μm量級(jí)；下雨時(shí)，雨滴顆粒的半徑約為102～104μm量級(jí)。此時(shí)，散射體顆粒半徑與紫外光波長(zhǎng)可比（一般指散射體顆粒直徑大于波長(zhǎng)0.03倍）［1］，則須采用Mie散射模型。由此可見(jiàn)，在晴好天氣下紫外光的散射主要以瑞利散射為主。而惡劣天氣條件下由于散射顆粒較大，主要以Mie散射為主。

如同其它無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，紫外光作為信號(hào)在大氣信道中的傳輸同樣會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)，影響其在大氣信道上的傳輸特性。但由于紫外光本身信號(hào)傳播距離較短且傳播衰減效應(yīng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致與主路徑路程差較大的從路徑信號(hào)分量衰減嚴(yán)重，而路程差較小的從路徑信號(hào)分量與主路徑信號(hào)之間的傳輸時(shí)延較小。其最大多徑時(shí)延大約在μs級(jí)，因而使得紫外光信號(hào)在大氣信道上傳輸時(shí)具有一定的相干帶寬。

3 紫外光通信技術(shù)體制

紫外光通信技術(shù)體制的基本思想是利用紫外光信號(hào)取代傳統(tǒng)的射頻電磁波信號(hào)作為通信系統(tǒng)的載波，承載話(huà)音、數(shù)據(jù)等不同類(lèi)型業(yè)務(wù)。紫外光通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 紫外光通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

從圖中可以看出，紫外光通信技術(shù)體制與傳統(tǒng)射頻通信技術(shù)體制基本相似，主要差別在于紫外光調(diào)制解調(diào)將信息調(diào)制到紫外光載波上完成通信過(guò)程。其中，紫外光調(diào)制解調(diào)、信道編解碼是技術(shù)體制中關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 紫外光通信調(diào)制解調(diào)體制

應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的調(diào)制方式有很多種，如開(kāi)關(guān)鍵控（OOK），頻率調(diào)制（FSK）、相位調(diào)制（PSK）、正交幅度調(diào)制（QAM）等。

但與傳統(tǒng)射頻載波信號(hào)相比，紫外光作為調(diào)制載波有其自身特點(diǎn)。首先，由于紫外光載波只能產(chǎn)生單極性信號(hào)，因而傳統(tǒng)的正弦載波調(diào)制方法不宜用于調(diào)制紫外光載波信號(hào)。其次，紫外光光源器件的物理特性也決定其不適宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。因而紫外光調(diào)制體制應(yīng)選用光通信技術(shù)中所普遍采用的脈沖位置調(diào)制技術(shù)（PPM）［8］。紫外光PPM調(diào)制原理框圖如圖3所示。

圖3 紫外光PPM調(diào)制原理框圖

對(duì)于一個(gè)L進(jìn)制的PPM調(diào)制信號(hào)，其每個(gè)符號(hào)需占用L個(gè)脈沖時(shí)隙，設(shè)每個(gè)脈沖時(shí)隙為T(mén)p。每個(gè)L進(jìn)制的PPM符號(hào)可以攜帶的信息量為

該L進(jìn)制的PPM信號(hào)的占空比為

信息傳輸速率為

根據(jù)式（2），當(dāng)PPM信號(hào)進(jìn)制數(shù)L增加時(shí)，其信號(hào)占空比會(huì)下降，有利于降低發(fā)射功耗。但根據(jù)式（3），當(dāng)Tp一定時(shí)，信息傳輸速率R也會(huì)隨進(jìn)制數(shù)L的增加而下降。因此，在選擇進(jìn)制數(shù)L時(shí)需要在占空比與信息傳輸速率之間進(jìn)行權(quán)衡。一般情況下，我們選擇4PPM或8PPM作為紫外光通信的主要調(diào)制體制。

在收端，通過(guò)紫外光信號(hào)檢測(cè)器將紫外光載波信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶電信號(hào)進(jìn)行處理。L進(jìn)制的PPM的基帶符號(hào)相互正交，可采用匹配濾波的方式進(jìn)行正交解調(diào)，并采用軟解調(diào)算法提取接收符號(hào)的軟信息，配合信道編碼技術(shù)進(jìn)一步提高信號(hào)接收性能。

3.2 紫外光通信信道編碼體制

為克服紫外光大氣信道傳輸特性和接收機(jī)背景噪聲對(duì)紫外光信號(hào)接收帶來(lái)的影響，需結(jié)合前向糾錯(cuò)編碼和最大似然譯碼技術(shù)來(lái)提高紫外光通信的抗噪聲能力。根據(jù)文獻(xiàn)［9～10］的相關(guān)研究，相對(duì)于RS碼而言，卷積碼與PPM相結(jié)合可以獲得更好的誤碼率性能。因此，紫外光通信信道編碼體制主要使用卷積碼技術(shù)。同時(shí)，作為一類(lèi)特殊并行卷積碼的Turbo碼也可以應(yīng)用于紫外光通信技術(shù)體制中。

對(duì)卷積碼而言，不同的編碼約束深度將直接影響其碼字的碼間距和編碼增益。然而過(guò)大的編碼約束深度同時(shí)也會(huì)使譯碼復(fù)雜度和譯碼延遲大大增加。目前在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中所普遍使用的一種卷積編碼體制是一種（2，1，7）卷積編碼。該卷積碼約束深度適中，結(jié)合維特比軟譯碼技術(shù)其編碼增益可以達(dá)到5.2dB。其編碼器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 （2，1，7）卷積碼編碼器結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)，表1也給出了其它不同深度的（2，1，X）卷積編碼的編碼矩陣及其相應(yīng)的編碼增益。

表1 其它（2，1，X）卷積碼參數(shù)

此外，在紫外光通信信道編碼體制的設(shè)計(jì)中還可以進(jìn)一步考慮 Ungerbock在文獻(xiàn)［11］中提出的編碼與調(diào)制相結(jié)合的思想，采用網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)，進(jìn)行卷積編碼與L進(jìn)制PPM調(diào)制的聯(lián)合設(shè)計(jì)。采用網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)后可在原有級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高紫外光通信技術(shù)體制的抗干擾性能。

從譯碼算法角度考慮，卷積碼一般采用基于最大似然概率技術(shù)的維特比譯碼算法（Viterbi），Turbo碼則采用基于最大后驗(yàn)概率的MAP迭代譯碼算法。其中，MAP迭代譯碼算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需要對(duì)整幀數(shù)據(jù)進(jìn)行往復(fù)迭代譯碼，導(dǎo)致譯碼時(shí)延較大。而卷積碼所使用的維特比譯碼算法相對(duì)于MAP迭代譯碼算法而言復(fù)雜度較低，且可以進(jìn)行基于數(shù)據(jù)流的連續(xù)譯碼，其譯碼結(jié)果可以連續(xù)輸出，譯碼時(shí)延較MAP迭代譯碼算法較小。因此，在使用紫外光通信系統(tǒng)承載如作戰(zhàn)指令、各種戰(zhàn)術(shù)信息等數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)時(shí)，可以采用Turbo碼和MAP迭代譯碼算法的技術(shù)體制，以保證相關(guān)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。而當(dāng)系統(tǒng)承載實(shí)時(shí)話(huà)音或視頻等基于流的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)，應(yīng)采用卷積碼結(jié)合維特比譯碼算法的技術(shù)體制，以提高通信的實(shí)時(shí)性。

4 紫外光通信技術(shù)體制的主要適用場(chǎng)景及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 紫外光通信技術(shù)體制的主要適用場(chǎng)景

由于紫外光本身具有較強(qiáng)的大氣散射和吸收特性，能夠有效控制紫外光信號(hào)的傳播范圍，使得紫外光信號(hào)不易被監(jiān)測(cè)和截收，具有極好的反偵察和抗截獲能力。因此，紫外光通信體制很適合在一定距離范圍內(nèi)的隱蔽及保密通信場(chǎng)合使用。例如，特種戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)在進(jìn)行協(xié)同攻擊時(shí)使用紫外光通信體制進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)通信，可以完全避開(kāi)敵方電子偵查系統(tǒng)的偵測(cè)，防止因通信信號(hào)造成的暴露。在海軍艦艇編隊(duì)航行中，配合平行紫外光源，采用定向發(fā)射方式，可有效擴(kuò)展紫外光技術(shù)體制的通信距離，以取代傳統(tǒng)的信號(hào)燈和旗語(yǔ)通信方式，實(shí)現(xiàn)在編隊(duì)無(wú)線(xiàn)電靜默狀態(tài)下編隊(duì)成員間高速率的可靠通信。

其次紫外光有較強(qiáng)的繞射能力，可以實(shí)現(xiàn)在一定距離范圍內(nèi)的非直視通信，該特性使其在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地下工事、坑道、洞窟倉(cāng)庫(kù)以及大型水面艦艇甲板、艙內(nèi)的通信中有著廣泛的用途。例如，在航空母艦甲板通信中，紫外光通信與飛行甲板上其它復(fù)雜的電子系統(tǒng)之間具有良好的電磁兼容性，且能夠有效繞過(guò)飛行甲板上大型設(shè)備及飛機(jī)對(duì)通信的遮擋，為甲板操作人員提供可靠的通信保障。同時(shí)，也可有效避免甲板通信信號(hào)外泄導(dǎo)致被敵方電子戰(zhàn)飛機(jī)或衛(wèi)星偵測(cè)、截獲甚至是定位。

4.2 紫外光通信技術(shù)體制的發(fā)展趨勢(shì)

目前，限制紫外光通信技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸在于紫外光源及其檢測(cè)器件的水平。雖然市場(chǎng)上已經(jīng)可以采購(gòu)到紫外光源LED及其光電檢測(cè)器件，但種類(lèi)與性能還不能滿(mǎn)足應(yīng)用的需求。

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)紫外光源及檢測(cè)等主要器件將對(duì)紫外光技術(shù)體制形成更有力的支撐：

1）具有多種不同波長(zhǎng)紫外光的發(fā)射與檢測(cè)能力，幫助紫外光通信技術(shù)擴(kuò)展紫外光信道個(gè)數(shù)，形成波分復(fù)用系統(tǒng)。

2）具備更強(qiáng)的發(fā)射功率和完善的功率控制功能，能夠有效擴(kuò)展紫外光的有效通信距離并實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光信號(hào)覆蓋范圍的精確控制，保證紫外光技術(shù)體制的反偵察和抗截獲能力。

3）具有更快地響應(yīng)速度和檢測(cè)靈敏度，提高紫外光調(diào)制發(fā)射與接收解調(diào)性能，進(jìn)一步提高紫外光通信技術(shù)體制的符號(hào)傳輸速率。

同時(shí)，紫外光通信技術(shù)體制還將引入Ad Hoc相關(guān)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)紫外光信號(hào)特點(diǎn)的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制，進(jìn)一步增強(qiáng)其組網(wǎng)通信能力，以適應(yīng)更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合。

5 結(jié)語(yǔ)

紫外光的大氣傳輸特性決定其能夠有效控制信號(hào)的覆蓋范圍，并具有良好的繞射能力，是一種有效的反偵察、抗截獲通信技術(shù)體制。未來(lái)隨著紫外光相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與其通信技術(shù)體制的不斷完善，紫外光通信技術(shù)在隱蔽與保密通信領(lǐng)域中必將有著更為廣泛的應(yīng)用。

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