大容量散射通信抗干擾關(guān)鍵技術(shù)綜述

謝澤東，陳西宏，肖 軍，劉永進(jìn)

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051)

0 引言

對流層散射通信作為一種極具軍事應(yīng)用前景的超視距遠(yuǎn)程無線通信方式，具有技術(shù)先進(jìn)、性價比高、機(jī)動性好、越障能力強等優(yōu)點[1]，能夠顯著提升地空導(dǎo)彈部隊的體系對抗能力，解決組網(wǎng)作戰(zhàn)中高速數(shù)據(jù)越障通信可靠傳輸?shù)碾y題[2]。

然而，對流層散射通信的傳輸速率相對偏低，且對抗通信干擾能力相對偏弱。在未來復(fù)雜電磁環(huán)境下的防空反導(dǎo)體系作戰(zhàn)中，需要持續(xù)、及時、準(zhǔn)確地傳遞高密度、快速變化的空中態(tài)勢和指控信息。因此，研究具有抗干擾能力的大容量散射通信技術(shù)是目前軍事通信領(lǐng)域亟待解決的問題，充分契合對流層散射通信技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

本文從大容量和抗干擾兩個方面對散射通信技術(shù)進(jìn)行了研究。在大容量方面，探討了高速率對流層散射通信的合并技術(shù)；在抗干擾方面，探討了散射通信抗空中主瓣干擾和抗空中旁瓣干擾的策略和方法。

1 散射信道傳播特性

在研究大容量散射通信的抗干擾關(guān)鍵技術(shù)前，有必要先對散射信道的傳播特性進(jìn)行研究。信號在散射信道中傳播時，會經(jīng)歷不同程度傳輸損耗和時變多徑衰落。因此在對散射信道的傳播特性進(jìn)行描述和度量時，主要關(guān)注其損耗特性和衰落特性[3]。

1.1 散射損耗特性

對流層散射通信的損耗特性是無線通信系統(tǒng)存在的共性問題，也是散射通信需要考慮的首要問題。通常而言，對流層散射總傳輸損耗相當(dāng)大，有時會高達(dá)200～250 dB。理論分析和計算表明，在100～400 km的通信范圍內(nèi)，損耗與距離的近似關(guān)系表現(xiàn)為1 km通信距離的增加帶來0.12 dB的損耗增大；而當(dāng)通信距離繼續(xù)增大時，損耗增大速度變慢[4-6]。此外，通信頻率、四季更迭、日夜交替和地理大氣環(huán)境不同都會對傳輸損耗帶來一定程度影響，但影響相對較小。

對流層散射較大的傳輸損耗會使得接收信號異常微弱，這對散射通信系統(tǒng)設(shè)計帶來諸多挑戰(zhàn)。其中，提高發(fā)射功率在一定程度上能夠有效應(yīng)對散射傳輸損耗。

1.2 散射衰落特性

衰落特性是散射傳播的又一重要特征，按照信號起伏變化的快慢可分成慢衰落和快衰落[7-8]。

慢衰落通常是由氣象或氣候條件的改變逐漸形成的，這類衰落呈現(xiàn)出較長時間間隔內(nèi)的變化。在慢衰落過程中，接收信號的電平中值通過服從對數(shù)正態(tài)分布。在通信鏈路的工程設(shè)計中，散射傳播的慢衰落特性是必須考慮的因素之一。

相對于慢衰落，快衰落表現(xiàn)為信號在短時間內(nèi)的起伏變化，是散射信道傳播特性中需要重點考慮的方面。多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)是散射信道快衰落的主要成因。

多徑效應(yīng)會造成接收信號在時域的多徑時延擴(kuò)展，可用均方根延遲擴(kuò)展描述其時散特性，并由時散參數(shù)定義相干帶寬。若傳輸信號帶寬小于信道相干帶寬，即認(rèn)為屬于窄帶通信系統(tǒng)，信號經(jīng)歷非頻率選擇性衰落，即平坦衰落；反之屬于寬帶通信系統(tǒng)，信號經(jīng)歷頻率選擇性衰落。研究表明，散射信道多徑時延展寬與傳輸距離的平方成正比，與工作頻率、天線口面直徑及地球等效半徑成反比，其數(shù)值通常在10～500 ns之間；散射信道的相干帶寬可由多徑時延展寬的倒數(shù)近似。

多普勒效應(yīng)會造成接收信號在頻域的多普勒擴(kuò)展，可用多普勒頻移描述其頻散特性，并由頻散參數(shù)定義相干時間。若傳輸信號的符號周期小于信道相干時間，即認(rèn)為屬于慢時變通信系統(tǒng)，信號經(jīng)歷非時間選擇性衰落；反之則屬于快時變通信系統(tǒng)，信號經(jīng)歷時間選擇性衰落。研究表明，多普勒效應(yīng)主要是由對流層大氣中散射體的運動引起，主要與風(fēng)速有關(guān)。多普勒頻移的數(shù)值范圍通常在1～100 Hz之間，散射信道的相干時間可由多普勒頻移的倒數(shù)乘以常值系數(shù)0.179近似。

1.3 散射帶寬特性

傳輸信號的帶寬大于信道相關(guān)帶寬時會產(chǎn)生波形失真，并且隨著傳輸信號帶寬的增大而愈發(fā)嚴(yán)重。因此，為保證散射信號的無失真可靠傳輸，其帶寬不能大于散射信道可用帶寬。研究表明，當(dāng)天線波束寬度較寬時多徑時延擴(kuò)展較大，此時散射信道可用帶寬較小。因此，使用方向性強的窄波束定向天線可一定程度提高散射信道帶寬。

2 大容量散射通信的分集合并技術(shù)

對流層散射通信中，散射信道的傳輸損耗和慢衰落特性可以通過提高發(fā)射機(jī)功率、預(yù)留衰落余量等措施克服。針對快衰落特性，散射通信的分集合并技術(shù)為其提供了解決方案[9-10]。

窄帶散射通信通常是指業(yè)務(wù)傳輸速率不超過2 Mb/s的通信系統(tǒng)。由于信道中傳輸信號的帶寬較小，信號經(jīng)歷平坦衰落，可以通過簡單的分集合并技術(shù)來克服。最大比合并(Maximal Ratio Combining,MRC)、選擇性合并以及等增益合并是3種常規(guī)的合并方法，本文重點探討MRC方法。

MRC方法是將各條多徑都進(jìn)行合并，在其他條件相同的情況下能夠得到最大的信噪比。然而，隨著多徑數(shù)增加，MCR復(fù)雜度迅速增大，這使得該合并方法在實際應(yīng)用中受限。為降低MCR實現(xiàn)復(fù)雜度，一種針對部分多徑的選擇性最大比合并方法被提出。在對部分多徑進(jìn)行選擇時，可依據(jù)概率密度函數(shù)設(shè)置信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的閾值。為保證較低復(fù)雜度，可考慮建立信道沖擊響應(yīng)與SNR的聯(lián)合估計[11]。

中等速率散射通信通常是指業(yè)務(wù)傳輸速率在2～8 Mbps的通信系統(tǒng)。信號此時會經(jīng)歷頻率選擇性衰落，在時域則表現(xiàn)為符號間干擾(Inter-Symbol Interference,ISI)。信號傳輸過程中的ISI可通過時域均衡進(jìn)行克服，并通過將其與分集合并相結(jié)合，可推導(dǎo)出一種時域分集合并與均衡聯(lián)合算法，它能夠同時解決散射信道的ISI和深度衰落問題。

對于寬帶散射通信，通常是指業(yè)務(wù)傳輸速率不低于8 Mbps的通信系統(tǒng)。此時信號帶寬將達(dá)到10 MHz以上，傳統(tǒng)的時域均衡器無法應(yīng)對高達(dá)幾十階的時域抽頭系數(shù)的計算，而頻域均衡能夠以較低的實現(xiàn)復(fù)雜度達(dá)到近似的系統(tǒng)性能。將頻域均衡與分集合并相結(jié)合，可推導(dǎo)出一種頻域分集合并與均衡聯(lián)合算法[12]。

3 散射通信中的抗干擾技術(shù)

可以預(yù)見，在未來信息化戰(zhàn)爭中，散射通信對抗將成為通信對抗的一個重要方面。散射通信系統(tǒng)要在復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境下進(jìn)行有效通信，應(yīng)該具有較強的通信反偵察和抗干擾能力。本文以美軍AN/TRC-170型散射裝備為例，研究對流層散射通信的抗偵察和抗干擾性能。偵察和干擾平臺與散射站的空間位置，分為地面、空中主瓣和空中旁瓣的角度，對散射通信抗偵察和抗干擾能力進(jìn)行了分析。

3.1 地面?zhèn)刹?/h3>

電磁偵察是實施干擾的前提和基礎(chǔ)。當(dāng)偵察設(shè)備置于地面時，根據(jù)電磁波的傳輸方式，又可將其分為直射波、地面波和繞射波偵察三種[13]。

直射波偵察屬于視距傳播偵察，偵察距離受到視線距離的限制，在滿足天線高架的條件下，對散射站進(jìn)行直射波偵察的距離為20～40 km，這對于偵察設(shè)備的部署位置有較高的要求。

地面波偵察時，受地球曲率限制，對主工作頻段為4.4～5 GHz的散射通信設(shè)備而言，其地面波最大通信距離為4.7～4.9 km；即使對工作于335～475 MHz頻段的散射通信設(shè)備，其地面波最大通信距離也只有11.4 km。當(dāng)前散射通信具有向高頻段(Ku波段)擴(kuò)展的趨勢，可用于偵察的距離會更短。因此地面波偵察在戰(zhàn)術(shù)實施上比較困難。

當(dāng)超出地面波的最大通信距離時，電磁波將進(jìn)入繞射區(qū)。以載頻為4.4 GHz的電磁波為例，當(dāng)傳播距離為10 km時，電磁波沿具有地形地物的地球表面進(jìn)行繞射傳播，根據(jù)前述散射損耗特性可知，此時的信道傳輸損耗非常之大。

綜上所述，采用地面平臺對散射站進(jìn)行偵察時，偵察平臺必須距離散射站非常的位置(數(shù)千米至數(shù)十千米)，這在實戰(zhàn)中是難以實現(xiàn)的，因此，必須使用升空平臺。

3.2 抗空中主瓣偵察和干擾

采用升空平臺實施主瓣偵察干擾時，平臺位于散射通信雙方的公共散射體范圍內(nèi)，這對偵察和干擾是非常有利的，此時可以采用無人機(jī)巡航進(jìn)行偵察和干擾。

采用全方向性干擾天線時，僅需數(shù)瓦的功率就可以對散射通信形成壓制性干擾，但散射通信采用窄波束天線，經(jīng)過對公共散射體空間范圍的評估發(fā)現(xiàn)，干擾機(jī)的巡航范圍受到較大的限制。

對于空中主瓣干擾，可采用自適應(yīng)跳頻技術(shù)、高速寬帶跳頻技術(shù)、自適應(yīng)選頻與跳頻相結(jié)合的手段和基于認(rèn)知無線電的抗干擾技術(shù)手段進(jìn)行對抗以實現(xiàn)抗干擾通信。

隨著電磁環(huán)境的日益惡化，傳統(tǒng)跳頻通信系統(tǒng)中“盲目跳頻”的弊端也隨之放大。頻譜資源緊缺和抗敵方強干擾能力不足成為制約跳頻通信系統(tǒng)性能提升的重要因素。認(rèn)知無線電的出現(xiàn)，為解決以上問題提供了一種新思路。這里將認(rèn)知無線電理論和跳頻技術(shù)進(jìn)行綜合進(jìn)而應(yīng)用到散射通信，構(gòu)建認(rèn)知跳頻抗干擾散射通信系統(tǒng)。通過認(rèn)知模塊對頻譜環(huán)境進(jìn)行分析判斷，檢測出空閑頻段的同時發(fā)現(xiàn)并及時避開被干擾頻段，并根據(jù)相應(yīng)抗干擾策略切換對應(yīng)的通信模式。認(rèn)知跳頻抗干擾散射通信系統(tǒng)可充分利用通信對抗的頻率間隙通信，能夠提高散射通信的頻譜利用率和對抗空中主瓣干擾能力[14-15]。

基于認(rèn)知跳頻的抗干擾通信系統(tǒng)首先對跳頻通信工作范圍內(nèi)的頻譜進(jìn)行檢測，根據(jù)頻段占用或干擾情況，確定可以使用的跳頻頻率并將其發(fā)送到跳頻序列產(chǎn)生單元。跳頻序列產(chǎn)生單元根據(jù)接收到的可用頻率，生成新的跳頻序列，以進(jìn)行散射跳頻通信[16]。

在認(rèn)知跳頻抗干擾通信系統(tǒng)的工作過程中，需要對正在使用的頻段進(jìn)行實時監(jiān)測。散射通信系統(tǒng)可工作于定頻和跳頻兩種模式。系統(tǒng)工作于某一種模式時，若監(jiān)測模塊感知其受到主瓣干擾，系統(tǒng)則會自動切換至另一種工作模式。而干擾機(jī)此時則需對散射通信信號重新再進(jìn)行一次偵察，以便再一次對散射通信信號發(fā)出干擾?；谡J(rèn)知跳頻的抗干擾散射通信系統(tǒng)可充分利用這一時間間隙，選取頻率間隙進(jìn)行通信。

3.3 抗空中旁瓣偵察和干擾

對于距戰(zhàn)線較近的散射站，干擾信號只能從天線后瓣進(jìn)入，將其稱為“近站干擾”；對于距戰(zhàn)線較遠(yuǎn)的散射站，干擾信號能夠以有利的角度進(jìn)入天線旁瓣，將其稱為“遠(yuǎn)站干擾”。在采用定向干擾天線的前提下，所需的干擾功率從幾瓦到上千瓦不等，考慮到實際作戰(zhàn)的可行性，該方案應(yīng)作為主要手段在作戰(zhàn)中實施。

對于空中旁瓣干擾，可采用自適應(yīng)調(diào)零天線、自適應(yīng)旁瓣匿影或者自適應(yīng)旁瓣相消等技術(shù)進(jìn)行對抗，這里重點探討自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)。

自適應(yīng)調(diào)零天線系統(tǒng)由若干天線元陣列、自適應(yīng)信號處理器和能調(diào)整的加權(quán)求和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。自適應(yīng)調(diào)零天線系統(tǒng)中，天線方向圖能根據(jù)戰(zhàn)場電磁環(huán)境的變化進(jìn)行調(diào)整。利用干擾信號和有用信號在時間域、空間域、頻率域以及角度域等的不同特征，通過自適應(yīng)信號處理器調(diào)整加權(quán)求和網(wǎng)絡(luò)，使其在干擾信號方向形成零陷，而在有用信號方向具有最佳的接收性能[17]。

自適應(yīng)調(diào)零天線是空間濾波技術(shù)的一種，可同時抑制來自不同方向的多個干擾，處理增益可達(dá)幾十分貝。自適應(yīng)的抗干擾調(diào)零天線系統(tǒng)對于窄帶干擾以及寬頻帶的噪聲干擾都具有極佳抑制性能。

4 結(jié)束語

大容量散射通信系統(tǒng)面臨的由散射衰落特性引起的符號間干擾問題，可采用單載波頻域均衡進(jìn)行解決。對散射通信系統(tǒng)可能面臨的空中主瓣干擾，可采用基于認(rèn)知無線電的抗干擾通信技術(shù)等方法來進(jìn)行對抗；針對旁瓣干擾，采用自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)進(jìn)行對抗?；诖?，能夠提升現(xiàn)有散射通信系統(tǒng)性能，實現(xiàn)具有一定抗干擾能力的大容量散射通信，滿足未來戰(zhàn)爭對軍事通信的需求。