智能天線技術(shù)在地空通信中的應(yīng)用分析

徐 彤

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

地空通信系統(tǒng)面臨日益復(fù)雜的電磁環(huán)境,各類干擾大量分布于電磁空間中,干擾信號的類型主要有共址干擾、同信道干擾和敵意干擾。面對多種干擾如何保障地空正常通信,各國均大力進(jìn)行各種通信抗干擾和干擾抑制技術(shù)的研究,并取得了豐碩的技術(shù)成果。對共址干擾、同信道干擾,通常采用共址濾波[1]、干擾對消[2]以及頻譜規(guī)劃等技術(shù)手段進(jìn)行干擾信號規(guī)避或濾出;對敵意干擾信號,通常采用直擴(kuò)、跳頻、跳時或它們的組合等復(fù)雜擴(kuò)展頻譜技術(shù)[3]進(jìn)行抗干擾。這些措施多是從電磁信號的頻域、時域上采取措施,避開或濾出干擾信號,保障己方通信正常。

智能天線技術(shù)利用天線陣列感知各種信號空間特征的差異,通過自適應(yīng)算法形成“最佳”波束,增強(qiáng)期望信號,抑制甚至刪除干擾信號,達(dá)到空域濾除干擾的作用。近年來,隨著技術(shù)的發(fā)展,智能天線正成為增強(qiáng)無線通信抗干擾能力的重要手段。

本文探討了地空通信系統(tǒng)采用智能天線技術(shù),對系統(tǒng)抗干擾、抗截獲、電磁兼容等性能的提升,并提出地空通信采用智能天線應(yīng)用設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

2 現(xiàn)有地空通信系統(tǒng)應(yīng)用模型

地空通信系統(tǒng)是以地面臺站為中心,覆蓋一定區(qū)域內(nèi)多個空中平臺,具有多條鏈路、多種接入方式(頻分、碼分、時分)、多種抗干擾手段的復(fù)雜電子系統(tǒng)。系統(tǒng)在提供一定通信容量的同時,需在惡劣電磁環(huán)境下可靠傳輸各種信息。地面臺站主要面臨臺站內(nèi)多種無線電設(shè)備同時工作帶來的共址干擾、同信道干擾,以及電子戰(zhàn)的敵意干擾,空中平臺則主要面臨敵方電子戰(zhàn)干擾。

由于空中平臺的機(jī)動性,現(xiàn)有地空通信系統(tǒng)一般采用全向天線,使系統(tǒng)通信覆蓋任意方向。接收時無選擇接收空間所有信號,包括有用信號和各種無意或敵意干擾信號;發(fā)射時將發(fā)射信號進(jìn)行全向輻射,目標(biāo)方向輻射效率不高,對周邊電磁環(huán)境也造成污染。

地空通信系統(tǒng)應(yīng)用模型如圖1所示。

圖1 地空通信系統(tǒng)應(yīng)用模型示意圖Fig.1 Sketch map of air-ground communication system application

假定地面臺站設(shè)備1與空中平臺1建立通信鏈路,設(shè)備2與空中平臺2建立通信鏈路,干擾平臺施放敵意干擾信號?？罩衅脚_2主要受敵意信號干擾。地面臺站設(shè)備2采用全向天線,它除了接收從空中平臺2來的期望信號外,還可能接收其他兩種方式干擾信號。

(1)共址或同信道干擾:設(shè)備1在給空中平臺1發(fā)送信號的同時,其全向天線將該信號輻射至設(shè)備2天線,形成共址干擾或同信道干擾。

(2)敵意干擾:干擾平臺發(fā)射的各種干擾信號。

通常,由于共址設(shè)備天線相距較近,干擾信號影響較大,可使設(shè)備2接收機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重降靈、交調(diào),甚至阻塞[4]。而在碼分系統(tǒng),設(shè)備通常占用同一頻率信道,設(shè)備間形成同信道干擾,會出現(xiàn)明顯的“遠(yuǎn)近”效應(yīng)。解決共址干擾一般采用每臺設(shè)備配接濾波器、干擾對消器或分時工作等措施;解決同信道干擾則采用分時工作措施。

敵意干擾信號針對性較強(qiáng),通常有跟蹤式干擾、大功率掃頻干擾、寬帶阻攔式干擾等,且干擾信號一般較大,以期實現(xiàn)全面電磁頻譜壓制。通常的抗干擾措施有跳頻(FH)、直擴(kuò)(DS)、跳時(FT)以及它們的組合方式。

3 智能天線技術(shù)

智能天線可從空域?qū)﹄姶判盘栠M(jìn)行分離、選取[5],如圖2所示,接收有用信號、抑制無用或干擾信號,為無線通信提供新的抗干擾手段。

圖2 智能天線方向圖示意圖Fig.2 Sketch map of smart antenna pattern

3.1 智能天線結(jié)構(gòu)

智能天線由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)和智能算法控制器組成,如圖3所示。天線陣合路輸出反饋至算法控制器,計算得到天線陣的幅度和相位去控制波束成形網(wǎng)絡(luò)的權(quán)矢wr,使天線陣方向圖主波束對準(zhǔn)期望信號,零波束對向干擾信號,實現(xiàn)信號的空間濾波。

圖3 智能天線組成框圖Fig.3 Block diagram of smart antenna

3.2 智能天線優(yōu)化算法

智能天線按照一定的準(zhǔn)則,優(yōu)化天線陣的幅度和相位,使天線陣性能滿足一定意義上的最佳,常用最小均方誤差(MMSE)、最大信干比(MSINR)和最小噪聲方差(MNV)[6]等優(yōu)化準(zhǔn)則。

依據(jù)各種優(yōu)化準(zhǔn)則,人們研究了多種自適應(yīng)波束形成算法,文獻(xiàn)[7]給出了最小均方算法(LMS)、遞歸最小二乘(RLS)、恒模算法(CMA)幾種典型算法如下:

其中,r是參考信號與天線陣列接收信號相關(guān)輸出的期望值,μ是迭代計算的步長。

LMS算法的特點是實現(xiàn)簡單,計算量低,但其收斂速度受相關(guān)矩陣特征值分散度的影響,通常收斂較慢。RLS算法收斂較快,但計算量比 LMS大。LMS、RLS屬于非盲算法,它們需要一個參考信號或訓(xùn)練序列進(jìn)行優(yōu)化,需占用一定的系統(tǒng)資源。CMA屬于盲算法,它利用信號恒模特性構(gòu)造出優(yōu)化算法,無需先驗知識是其優(yōu)勢。非盲算法相對盲算法而言,通常誤差較小,收斂速度也較快。工程上可根據(jù)實際需求和應(yīng)用情況來選取上述算法。

4 智能天線在地空通信中的應(yīng)用分析

地空通信應(yīng)用智能天線技術(shù),可在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度情況下,濾除干擾,提升系統(tǒng)抗干擾能力,同時,增強(qiáng)系統(tǒng)抗截獲能力、擴(kuò)充系統(tǒng)容量、降低設(shè)備發(fā)射功率以減少電磁環(huán)境污染,即可以提升系統(tǒng)的綜合性能,使系統(tǒng)凸顯“智能”、“靈巧”特性。本節(jié)重點分析智能天線對地空通信系統(tǒng)的性能提升。

4.1 提高系統(tǒng)抗干擾、抗截獲能力

4.1.1 系統(tǒng)抗干擾能力分析

在地空通信系統(tǒng)中智能天線應(yīng)用示意如圖4所示。

圖4 智能天線在低空通信系統(tǒng)應(yīng)用示意圖Fig.4Application sketch map of smart antenna in air-ground communication system

設(shè)地面臺站設(shè)備1采用全向天線,設(shè)備2采用智能天線?？罩衅脚_2采用智能天線。以設(shè)備2和空中平臺2形成的地空通信鏈路2為分析對象。設(shè)備1發(fā)射對設(shè)備2形成共址或同信道干擾i1,干擾平臺對設(shè)備2和空中平臺2產(chǎn)生敵意干擾 i2。

通信鏈路2采用了智能天線,可以將天線陣的零點對準(zhǔn) i1、i2,一般而言將這兩個干擾信號抑制可達(dá)30 dB[10]以上;還可以將天線陣方向圖的峰值點對準(zhǔn)有用信號 s,則 s相對于全向天線而言產(chǎn)生10 dB左右附加增益。

設(shè)備采用不同天線形式,系統(tǒng)抗干擾能力分析如表1所示。

表1 地空通信采用不同天線形式抗干擾性能對比Table 1 Comparison of interference suppression performance using different antenna in air-ground communication

表中,共址干擾空間隔離

式中,L為電波傳播空間損耗,設(shè)電波頻率 f=100 MHz,天線距離d=15 m,有用信號 s到達(dá)天線2強(qiáng)度為-50 dBm,設(shè)備1發(fā)射信號 i1強(qiáng)度為40 dBm,設(shè)定一個較強(qiáng)的敵意干擾信號i2,到達(dá)空中平臺2及地面設(shè)備2天線處強(qiáng)度分別為-30 dBm、-40 dBm。

由表1分析可知:

(1)若地面臺站兩副天線都采用全向天線,其接收端信干比為-56 dB。對共址干擾,采用濾波器可以改善信干比約40 dB,依靠電臺的選頻能力可改善約30 dB,兩種措施同時采用可保障設(shè)備正常工作;對同信道干擾,在濾波器改善40 dB的基礎(chǔ)上,還必需依靠干擾對消改善30 dB,設(shè)備才能正常工作,否則要用頻管分時措施;

(2)若地面臺站設(shè)備2采用智能天線,其接收端信干比可達(dá)-16 dB。還需采用共址濾波器、干擾對消器或頻管分時措施之一設(shè)備才能正常工作;

(3)若地面臺站兩副天線都采用智能天線,帶來約70 dB信干比改善,無需其他輔助措施,設(shè)備可正常工作。地面臺站采用濾波器難以達(dá)到這一的效果,目前VHF/UHF頻段允許500 kHz頻率間隔共址工作的系統(tǒng),尺寸較大的腔體濾波器也只能達(dá)到約40 dB干擾抑制作用。理論上講,共址工作設(shè)備都采用智能天線,可允許各設(shè)備同頻工作,這無疑將大大降低該類系統(tǒng)頻率規(guī)劃和頻率管理的工作難度;

(4)空中平臺采用全向天線,當(dāng)遇到-30 dBm強(qiáng)干擾時,在原有抗干擾體制(DS/DS+FH)有40 dB處理增益情況下,設(shè)備不能正常工作。若空中平臺采用智能天線,在原有抗干擾體制下,獲取附加40 dB空域濾波效果,設(shè)備在-30 dBm強(qiáng)干擾時可在較高信干比下可靠工作。

可見,智能天線能夠明顯提升系統(tǒng)抗干擾性能。

4.1.2 系統(tǒng)抗截獲能力分析

空中干擾平臺都裝備有大量的電子偵察設(shè)備,偵察設(shè)備捕獲識別對方的通信信號特征作為干擾設(shè)備施加干擾模式的依據(jù),故通信系統(tǒng)抗截獲也是一個重要的電子戰(zhàn)能力。目前,通信系統(tǒng)常用的直擴(kuò)(DS)方式,可將信號能量分散到一個較寬的頻譜范圍,增加了截獲的難度;高速跳頻方式,也讓偵察設(shè)備難以捕獲信號特征。

智能天線將信號能量大部分輻射向通信目標(biāo),其他方向輻射能量很少甚至零陷。分析表明,采用智能天線可使通信系統(tǒng)在原全向天線基礎(chǔ)上將已有的抗截獲能力提升20～40 dB,相當(dāng)于迫使對方偵察設(shè)備的靈敏度需提高20～40 dB或偵察范圍縮小10～100倍,使己方在電子戰(zhàn)中取得一定的優(yōu)勢。

4.2 實現(xiàn)功率控制、改善系統(tǒng)兼容性

采用全向天線的地空通信系統(tǒng),大多數(shù)設(shè)備需滿功率工作,會給復(fù)雜電子系統(tǒng)的電磁兼容帶來巨大困難。

若改用智能天線,實現(xiàn)無線信號的定向輻射和接收,有效增強(qiáng)發(fā)射端和接收端的信號,在滿足系統(tǒng)需要前提下可降低發(fā)射功率,減小電磁環(huán)境污染。在4.1節(jié)分析實例中,地空通信雙方均使用智能天線時,通信雙方各有10 dB左右發(fā)射功率調(diào)整余量,可用于擴(kuò)大通信覆蓋范圍;或根據(jù)外部干擾情況調(diào)整,滿足接收信干比要求。

4.3 提高頻率復(fù)用率,增加系統(tǒng)容量

以民航空管VHF通信系統(tǒng)為例。由于機(jī)場任務(wù)繁忙,塔臺管制通常需要以塔臺為中心分區(qū)管制,如圖5所示。設(shè)塔臺分6個區(qū)域?qū)嵤┕苤?每個區(qū)域覆蓋60°,使用一個VHF頻率,覆蓋該區(qū)域內(nèi)的所有民航飛機(jī)。這樣塔臺需要配置6部不同頻率的VHF電臺。飛機(jī)在起飛、降落過程中要匹配穿越區(qū)域的多個頻率,如降落 f1、f2、f3,起飛 f4、f5、f6,則飛機(jī)需配備3部不同頻率電臺。目前,民航塔臺采用6副定向天線,覆蓋6個分區(qū)基本滿足需求。未來隨著需求增長,塔臺分區(qū)將擴(kuò)展至9～12個,VHF定向天線方向圖已達(dá)不到這樣高的分辨率。

圖5 民航空管采用智能天線前后分區(qū)及頻率分配圖Fig.5 Sketch map of subarea and frequency distribution by smart antenna in civil aviation control

采用智能天線可以形成圖中外圈所示的12個分區(qū)。由于分區(qū)增多,飛機(jī)起飛、降落穿越的分區(qū)將多達(dá)6個,一般民航客機(jī)配備4部VHF電臺,無法滿足6個波道工作。這時,采用智能天線,利用其良好的空間分址能力,可以實現(xiàn)頻率復(fù)用,用原有的f1、f2、f3覆蓋12個分區(qū)。頻率分配如圖中所示,頻率復(fù)用率達(dá)到4。

5 地空通信應(yīng)用智能天線的關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用智能天線,地空通信系統(tǒng)可以獲得多方面性能提升。系統(tǒng)實施中需重點解決以下關(guān)鍵技術(shù):

(1)期望信號波到達(dá)方向(DOA)估計的精度和速度。地空通信傳輸?shù)氖菧?zhǔn)實時信息,空中平臺機(jī)動性較大,只有快速準(zhǔn)確判斷波到達(dá)方向,才能有效接收期望信號,抑制干擾信號;

(2)快速有效的波束成形算法。這是決定系統(tǒng)實時性關(guān)鍵,需結(jié)合電磁環(huán)境、信號傳輸格式、硬件開銷及系統(tǒng)傳輸開銷選取最合適的自適應(yīng)算法;

(3)多通道硬件一致性。主要指天線陣元方向圖和波束成形網(wǎng)絡(luò)的幅度及相位的一致性,多通道硬件一致性影響波束成形的效果;

(4)適合空中平臺的高效天線陣列形式?？罩衅脚_安裝空間受限,需結(jié)合空中波形聯(lián)合設(shè)計天線陣列形式,滿足空中平臺的安裝要求。

6 結(jié)束語

智能天線靈活的空間波束調(diào)整及自適應(yīng)信號跟蹤能力,使其在民用移動通信領(lǐng)域運(yùn)用已取得了較大的成功,其研究應(yīng)用領(lǐng)域正在日益擴(kuò)大。本文著重分析了智能天線技術(shù)應(yīng)用于地空通信領(lǐng)域,可明顯提升通信系統(tǒng)抗干擾、抗截獲、電磁兼容和頻譜利用率的效能,顯示了智能天線在地空通信領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景。

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