用于變參信道的變速率傳輸技術

李文鐸

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

變參信道，通常是指具有慢、快衰落的信道。慢衰落是指這樣的接收信號變化特性:它的振幅具有分鐘級或更長的中值(均值)電平變化特性;快衰落是指接收信號振幅在秒級或者更短時間的變化特性;而對流層前向散射變參傳輸信道，其衰落損耗更具特色:每日慢衰落損耗變化可達20 dB;常出現(xiàn)的瑞利型快衰落變化也有20 dB。更為嚴重的是:隨距離的增加，接收信號的中值電平將隨距離大約按其5次方成反比下降。按此計算，信噪比增加3 dB，僅能換來距離增加15%，而在按2次方成反比下降的信道，換來距離增加為40%。因此可見，對流層散射信道傳輸，對距離是十分敏感的，要使距離倍增代價很大，需要15 dB的信噪比補償。通過增加投資來增加通信距離，這是多年來的一個行之有效的途徑。仔細分析，多業(yè)務服務時間連續(xù)的通信保障往往是不必要的。因此，在增加距離條件下，不增加投資而減少或去掉必要性不大的能力提供，僅確保最需求的通信能力，它就是所研究的內(nèi)容——變速率傳輸技術。

對于無線通信保障效果，一種提法是一周7天、一天24小時的保障，本文謂之充分保障，其意指時間是無縫的，帶寬是充分的。但通信資源(設備及頻譜)的使用常讓保障部門倍感壓力。另一種思路和途徑是僅保障必要的通信需求，釋放或盡量少地使用資源(簡化設備及節(jié)約頻譜)，如一部小電臺使用極低速(≤100 b/s)波形，達到較遠距離的“生命線”通信，以實現(xiàn)更遠距離的通信保障。在通信站規(guī)模不變的條件下，通過降速率，亦即從充分保障降為必要保障，以達到顯著增加通信距離的目的。這是變速率傳輸?shù)囊环N應用。

在對流層前向彎管傳輸過程中，一條提供使用的鏈路，一天當中有相當時段是有高中值接收電平的狀態(tài)，對此提高傳輸速率以使鏈路的平均能力顯著提升，是變速率傳輸?shù)牡?種應用。提出了一種新的變速率狀態(tài)，不但具有上升、下降2種行為，還具有第3種行為——速率變?yōu)榱?，且保持一定必要的時間，稱之為容中斷伺機通信，即伺機變速(速率可高可低)，可以為零(通信中斷)。

1 彈性散射

Elastic Troposcatter這一概念出現(xiàn)已逾10年了，這一技術現(xiàn)已引起國際上一些著名散射設備研制單位的關注。它是從固定速率散射通信基礎上發(fā)展起來的，即由固定速率發(fā)展為彈性速率。

1.1 固定速率傳輸?shù)脑O計理念分析

Raytheon公司的DART-T散射設備的廣告中，對于4 Mb/s速率，BER為10-7陸地應用，分別給出了90%或99%可靠度條件下，不同天線尺寸、分集重數(shù)下的通信距離。設計理念是向用戶保障全年(或長期)可靠度指標下的通信能力，但是沒有理會此期間內(nèi)出現(xiàn)的優(yōu)質(zhì)傳輸條件利用的可能性，也不去管其余10%或1%的時間內(nèi)通信保障問題。從本世紀以來，國際上散射通信業(yè)界人士已開始探索固定速率散射通信實用性及其不足，從而促進了彈性散射的提出和研發(fā)投入。

1.2 彈性散射提出的基礎

各地的氣象條件都是一年四季不同，每日每時不同。溫度、濕度都會影響對流層前向散射傳輸?shù)男Ч?，即鏈路中值傳輸損耗不但隨時間而變，而且變化范圍很大，即所謂晝夜效應。由此研究人員提出一個問題:這種變化，在一條鏈路上，有沒有用，能不能用?回答是肯定的，對于IP業(yè)務及有優(yōu)先級的話音數(shù)據(jù)等電路業(yè)務，均可用之，只要技術上實現(xiàn)速率自適應鏈路損耗和用戶終端自適應變速或選擇接入種類和數(shù)量，即可解決能不能用的問題。這些技術現(xiàn)在均已實用化，固而形成彈性通信的技術基礎。

1.3 彈性散射的效果

［1］給出的對于大陸溫帶氣候區(qū)(6區(qū))相當于光滑球面113 km鏈路上，在最壞月份(相當于2月)，理論上99.9%的時間提供1.8 Mb/s速率，使用彈性傳輸技術，在50%時間估算可高達138 Mb/s，速率變化76倍;對于地中?；蛏衬貐^(qū)，散射角1.520相當于平地280 km的一條鏈路，在最壞月份，理論上99.9%的時間提供34 kb/s的速率，在50%的時間可達1.4 Mb/s，速率變化約40倍。上兩例表明彈性散射通信技術對于不同氣候區(qū)和不同鏈路長度，都會使平均信息傳輸能力顯著提升。

2 容中斷伺機散射

這是本文提出的概念，是彈性散射通信概念和應用的擴展:前者是保持BER性能不變，根據(jù)信道條件變速率，但不能為零;而后者是一定條件下傳輸速率可以為零(容中斷)，而后根據(jù)氣象條件和使用需求(伺機)恢復通信。

2.1 容中斷伺機散射通信提出的基礎

散射和衛(wèi)通相比，劣勢在距離上，為此人們自然想到:一條鏈路放棄充分保障的帶寬需求，轉而要求保障最低的帶寬，肯定會增加距離。最低帶寬的概念，在彈性散射中，可以解讀為速率接近于零但不等于零;在此基礎上進一步增加鏈路距離，將出現(xiàn)速率等于零的中斷現(xiàn)象，集中在每天下午傳輸損耗最大的時段;過了這個時段，雖然接收信號電平有所恢復，可以支持速率大于零，但是否建立通信鏈路還要考慮是否有急需信息要傳送，如沒有，出于節(jié)省電池能源和低截獲的考慮，也不需建立通信鏈路。

2.2 容中斷伺機散射通信鏈路的3種狀態(tài)

①中斷等待狀態(tài):鏈路兩端站均關閉發(fā)射機，僅保留低能耗的接收功能;② 喚醒建鏈狀態(tài):鏈路任何一端有通信需求時，開啟發(fā)信機向?qū)Χ税l(fā)出通信呼叫信號;對端收到后啟動發(fā)信機回答包括鏈路狀態(tài)的應答信號，發(fā)端據(jù)此確定相應速率與對端通信;③通信狀態(tài):和連續(xù)通信不同的是每次通信狀態(tài)可能差別較大，有單向的數(shù)據(jù)或圖像通信，有雙向的話音通信，而且速率也不是固定的，這對加密、糾錯均帶來新的設計要求。

2.3 容中斷伺機散射通信適宜的應用環(huán)境

這種通信的實質(zhì)是降低通信能力來換取通信距離的增長，以下2種應用環(huán)境更適合容中斷伺機散射通信使用。

2.3.1 高 Ns值的地區(qū)

對流層散射鏈路端對端的傳輸損耗包括自由空間傳輸損耗和散射體的散射損耗，其中L.P.葉的長期中值傳輸損耗計算方法較為簡潔，如:

Lb=30lgf+20lgd+10Θ －0.2(Ns－310)+57.6(dB)，(1)

式中，f為以MHz計的頻率，d為以英里計的鏈路長度，Ns為散射公共體下的大氣折射指數(shù)，Θ為散射角，單位為(°)，高Ns值地區(qū)Ns值可達370，較之通常310地區(qū)，傳輸損耗將降低12 dB以上。

而海面上Ns≥370的地域是不少見的，因此，容中斷散射鏈路用在高Ns值地區(qū)，可以縮短中斷時間或較Ns低的地域通信距離更長或者相同鏈路條件下，平均信息通過量更高。

2.3.2 較低頻段應用于不規(guī)則地形區(qū)域

文獻［2］中指出，在200 MHz和500 MHz頻段，與光滑地面或者水平面相比，不規(guī)則地面的繞射距離可增加2倍，與此類環(huán)境下，容中斷伺機通信鏈路，提供的服務能力較其他地區(qū)更強。

3 結束語

變速率無線傳輸技術今后必將受到業(yè)界日益重視。對于可用的頻譜而言，國際上公認是:較低頻段擁塞現(xiàn)象越來越突出，較高頻段可用帶寬雖多但穩(wěn)定性差，易受沙塵和復雜地形的挑戰(zhàn)。因此使用無線頻譜時，變速率通信將有較大的實用價值和發(fā)展空間，而地面超視距通信設備，出于盡量滿足長距離、低能耗和低截獲需求，容中斷伺機通信——傳輸速率可以一段時間為零——在今后必將會有一席應用之地。

參考文獻

［1］BASTOS L，WIETGREFE H.Highly-deployable Troposcatter System in Support of NATO Expeditionary Operation［C］∥IEEE，the 2011 Military Communications Conference-track 5-communications and Network Systems，2011:2042－2049.

［2］MIL-HDBK-417.美國軍用手冊-對流層散射的簡便設計［S］.

［3］李榮海，任香凝，劉瑩.數(shù)字對流層散射傳輸技術新動向綜述［J］.無線電通信技術，2007，33(3):8 －10.

［4］任香凝，李文計.海面蒸發(fā)波導微波超視距通信可行性分析［J］.無線電通信技術，2008，34(2):22－24.

［5］劉瑩，李文鐸.時變深衰落信道中的自適應均衡技術［J］.無線電通信技術，2004，30(1):6 －8.

［6］吳丹，李文鐸.低Rician因子信道傳輸損傷分析及抗衰落措施［J］.無線電工程，2005，35(11):9 －10.

［7］劉瑩，韓明鑰，宋迎東.基于空間分集的自適應選頻散射傳輸技術［J］.無線電通信技術，2013，39(2):36 －38.

［8］盧坡，孫柏昶，吳丹，等.跨山通信信道分析［J］.無線電通信技術，2010，36(6):35 －37.