DARPA射頻骨干網(wǎng)項目的啟示研究

李秉權(quán), 李 碩, 孫延坤

(中國電子科學(xué)研究院, 北京 100041)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為實現(xiàn)實時的態(tài)勢統(tǒng)一、傳感器信息協(xié)同和輔助決策，有大量的數(shù)據(jù)信息需要傳輸交換，其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)是在連接各控制中心的骨干網(wǎng)上傳輸?shù)?。目前，光纖網(wǎng)絡(luò)是軍事骨干網(wǎng)絡(luò)的核心，可確保文字、語音、視頻等數(shù)據(jù)以Gbps級的超高速率遠(yuǎn)距離傳輸，但遠(yuǎn)征作戰(zhàn)需要在沒有光纖的地方獲得這種數(shù)據(jù)傳輸能力。

美國國防高級研究計劃局(DARPA)認(rèn)為，美軍不能依賴固定通信基礎(chǔ)設(shè)施來部署行動，而需要在全球任何地方都能獲得等同光纖的通信能力。衛(wèi)星通信(SATCOM)和自由空間光通信(FSO)是可供選擇的解決方案，但同時都存在一定局限性。衛(wèi)星通信能夠提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，但傳輸速率達不到要求；自由空間光通信技術(shù)可提供光纖級的傳輸能力，但不能透過云層傳輸，無法保證軍事網(wǎng)絡(luò)的可用性。因此，毫米波波段的無線射頻(RF)通信鏈路可能是最好的解決方案。

DARPA于2013年1月啟動了一項名為“100 Gbps射頻骨干網(wǎng)”的項目(以下簡稱“100G”項目)，旨在開發(fā)一種高速軍用無線數(shù)據(jù)鏈，使位于約18 km高空的飛機能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸速率達100 Gbps的空-空通信(通信距離200 km)和空-地通信(通信距離100 km)。

“100G”項目的任務(wù)就是研究能夠產(chǎn)生光纖級數(shù)據(jù)傳輸能力的技術(shù)和系統(tǒng)概念，最終目標(biāo)是在戰(zhàn)場上讓士兵等地面節(jié)點與無人機、戰(zhàn)斗機等空中平臺之間能夠以100 Gbps的速率進行無線通信。

2016年12月，DARPA的“100G”項目的項目經(jīng)理泰德·伍德沃德(Ted Woodward)表示，該項目第一階段已完成了100 Gbps無線鏈路可行性的驗證，正處于開發(fā)原型系統(tǒng)的第二階段，進行飛行試驗的第三階段可能將在后續(xù)啟動。

據(jù)ASDnews網(wǎng)站2018年8月22日報道，諾格公司宣布已于2018年1月完成了DARPA射頻骨干網(wǎng)項目第二階段“系統(tǒng)集成”的地面演示工作，成功演示了4 s內(nèi)通過100 Gbps骨干網(wǎng)傳輸一部50 GB的藍光視頻。地面試驗的成功為飛行試驗打下了基礎(chǔ)，第三階段“飛行試驗”已于2018年6月啟動，諾格公司計劃采用其子公司研發(fā)的“變形桿菌”驗證機進行100 km的空地飛行驗證[1-4]。

1 概 述

“100G”項目的目標(biāo)是創(chuàng)建一個具有光纖級數(shù)據(jù)容量的機載無線通信鏈路，可穿透云層進行遠(yuǎn)距傳輸，并保證高可用性。該數(shù)據(jù)鏈必須能夠透過云、霧、雨，同時確保戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)吞吐量和鏈路范圍。圖1為云層之外的高空平臺(如“全球鷹”無人機)與地面節(jié)點以毫米波鏈路進行高速通信的構(gòu)想示意圖。

圖1 “100G”項目高速機載數(shù)據(jù)鏈通信構(gòu)想示意圖

1.1 進度安排

該項目分為三階段。原計劃從2016年9月持續(xù)到2018年9月，分別完成關(guān)鍵技術(shù)驗證，原型系統(tǒng)搭建與集成，以及最終的飛行測試。目前從公開信息獲知，該項目已于2018年1月完成了第一階段和第二階段任務(wù)，2018年6月啟動第三階段工作，比原計劃延遲了5個月。原進度計劃如表1所示。

第一階段奠定了遠(yuǎn)距離100 Gbps無線數(shù)據(jù)鏈的技術(shù)基礎(chǔ)，其項目招標(biāo)公告(DARPA-BAA-13-15)于2013年1月公布，投資約1830萬美元，承包商為包括雷聲、諾格、巴特爾、Silvus技術(shù)公司、Trex公司、Basking Ridge通信應(yīng)用公司在內(nèi)的6家公司；第二、三階段制造用于飛行試驗的原型系統(tǒng)，其招標(biāo)公告(DARPA-BAA-15-22)于2015年3月公布，承包商從6家降低到2家，僅剩雷聲和諾格，研發(fā)經(jīng)費為2 700萬元。各階段主要工作如下[5-7]：

表1 “100G”項目進度安排

1.1.1第一階段：基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)

“100 G”項目的第一階段主要研究實現(xiàn)高速傳輸?shù)膬身楆P(guān)鍵技術(shù)：毫米波的高階調(diào)制技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)，共包括3個技術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)領(lǐng)域1(TA-1)研發(fā)了在毫米波頻段生成、發(fā)送、接收和處理高階調(diào)制信號的技術(shù)，實現(xiàn)了單載波25 Gbps及單孔徑雙極化下50 Gbps的傳輸速率；技術(shù)領(lǐng)域2(TA-2)探索了長距離毫米波鏈路的空分復(fù)用技術(shù)，驗證了接收端同頻率多信號流之間保持獨立不干擾的技術(shù)原理；技術(shù)領(lǐng)域3(TA-3)則進行了概念演示驗證和100G系統(tǒng)關(guān)鍵測試的工程實現(xiàn)技術(shù)開發(fā)。

第一階段的研究工作為實現(xiàn)100 Gbps的傳輸速度奠定了理論基礎(chǔ)。

1.1.2第二階段：原型系統(tǒng)開發(fā)

“100G”項目的第二階段開發(fā)原型系統(tǒng)，集成高階調(diào)制技術(shù)、空分復(fù)用技術(shù)及提升功率和頻譜效率的技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并將它們綜合于飛機和地面工作站內(nèi)。對原型系統(tǒng)的地面測試也在第二階段完成，包括山-地測試和山-山測試，測試在中國湖試驗基地等政府試驗設(shè)施內(nèi)進行。此外，為最小化下一階段系統(tǒng)設(shè)計出現(xiàn)變化的風(fēng)險，飛行測試的準(zhǔn)備工作也已在該階段完成。

第二階段已于2018年1月完成。DARPA局長Steven Walker表示，在該項目的試驗中，DARPA創(chuàng)下了若干毫米波調(diào)制的傳輸記錄，達到了滿足項目最終目標(biāo)的等級。

1.1.3第三階段：飛行測試

“100G”項目的第三階段集中進行實際裝機設(shè)備的開發(fā)和飛行測試，已于2018年6月啟動，預(yù)計完成兩次持續(xù)數(shù)周的飛行測試，測試示意圖如圖2所示，包括1個空中節(jié)點和1個地面節(jié)點。飛行測試中所使用的載機沒有做特定要求，由承包商結(jié)合自身需求及項目指標(biāo)要求選定。

圖2 第三階段飛行測試示意圖

該項目開發(fā)的數(shù)據(jù)鏈運行高度目標(biāo)是約18.3 km，為提高費效比，項目第三階段將在約3.7 km的空中進行飛行試驗。降低了飛行高度的要求，便于承研單位選擇測試飛機，降低了飛行試驗的成本；并且飛行高度降低可以減少飛機爬升時間，增加有效的飛行測試時間，提高測試效率。然而，隨著飛行高度的降低，大氣干擾將加劇，會導(dǎo)致通信距離降低。后續(xù)，項目組將利用低空飛行的測試結(jié)果進行仿真建模，驗證100G骨干網(wǎng)在目標(biāo)高度上的空-地和空-空通信性能。

1.2 性能指標(biāo)

“100G”項目第二階段和第三階段中的測試系統(tǒng)包括一個空中節(jié)點和一個地面節(jié)點，其詳細(xì)性能指標(biāo)如表2所示。其中，空中節(jié)點的尺寸、重量和功耗(SWaP)要求需要與搭載的平臺相適應(yīng)，地面節(jié)點則需要安裝在移動平臺上，同樣有相應(yīng)的SWaP要求。

1.3 典型應(yīng)用場景

“100G”項目的應(yīng)用場景如圖3所示，其中包含兩種典型路徑。路徑①是一架用戶飛機沿長200 km、寬50 km的矩形路線圍繞中間的地面節(jié)點飛行；路徑②是飛機沿與地面節(jié)點的垂直距離為25 km的直線飛行。飛機上載荷及地面節(jié)點的分布如圖4所示。飛機在飛行過程中與地面節(jié)點進行高速通信。

表2 100G系統(tǒng)設(shè)計性能指標(biāo)

圖3 “100G”項目應(yīng)用場景

圖4 應(yīng)用場景中飛機和地面節(jié)點的分布示意圖

2 基本原理

由香農(nóng)公式可知，通信系統(tǒng)的信道容量可以通過增加互相獨立信道的數(shù)量來提升，如下式所示：

C=M·B·log2[1+S/N]

(1)

其中，M為互相獨立信道的數(shù)量;B為系統(tǒng)帶寬;S為接收端信號功率;N為接收端噪聲功率。式(1)可以寫成頻譜效率的形式，SE(b/s/Hz)為單個獨立信道的頻譜效率，受限于接收信號的信噪比，如下式所示：

C=M·B·SE

(2)

一般而言，可以通過以下方法來提升系統(tǒng)的信道容量：

·增加獨立信道的個數(shù)。例如通過空間復(fù)用技術(shù)，極化復(fù)用技術(shù)，以及軌道角動量技術(shù)；其中一些技術(shù)需要通過多天線陣列才能實現(xiàn)。

·增加系統(tǒng)帶寬。在較高頻段上才能提供較大的系統(tǒng)帶寬，但頻率高到一定程度時，大氣吸收損耗效應(yīng)會比較明顯，會影響鏈路性能。

·采用頻譜效率高的調(diào)制方式。例如正交振幅調(diào)制(QAM)，但需要增加發(fā)射信號功率，以提高接收信號的信噪比，滿足解調(diào)門限。

鑒于此，為了實現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離傳輸?shù)捻椖磕繕?biāo)，“100G”項目選擇了毫米波通信、高階調(diào)制技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)這三項關(guān)鍵技術(shù)，選擇這些技術(shù)的原因和可能帶來的問題如下：

2.1 毫米波通信

(1)采用該技術(shù)的初衷：

·低頻率段的頻譜資源有限，毫米波頻段可以提供較大的頻譜資源；

·毫米波頻段波長較短，可以減小陣列天線尺寸；

·毫米波頻段的瑞利區(qū)間可以達到100 km量級，在瑞利區(qū)間范圍內(nèi)，多天線陣之間的信道獨立性較好，有助于增加獨立信道的個數(shù)。

(2)積累的工程經(jīng)驗：

·頻率越高，自由空間損耗越大，同時，當(dāng)頻率達到幾十GHz以上時，大氣吸收效應(yīng)也會對信號質(zhì)量造成不可忽略的影響；

·損耗大，需要加大發(fā)射功率和天線增益，以滿足系統(tǒng)的通信距離要求，這就增加了系統(tǒng)的功耗；同時要求更好的SWaP指標(biāo)；

·毫米波頻段的閃爍效應(yīng)會導(dǎo)致20 km遠(yuǎn)的接收信號強度產(chǎn)生高達15 dB的波動，系統(tǒng)設(shè)計必須考慮設(shè)計相應(yīng)的可靠性協(xié)議來抵抗閃爍效應(yīng)；

·高頻段對AD/DA、功放器件以及射頻濾波器等元器件性能要求較高，國內(nèi)目前尚無80 GHz的相關(guān)元器件開發(fā)經(jīng)驗。

2.2 高階調(diào)制技術(shù)

(1)采用該技術(shù)的初衷：

·高階調(diào)制可以增加每個獨立信道的頻譜效率。例如，32QAM的頻譜效率理論值可到5 bps/Hz，當(dāng)系統(tǒng)可以提供4個獨立信道時，頻譜效率可以達到20 bps/Hz，采用5 GHz的頻帶寬度，即可實現(xiàn)100 Gbps的信道容量。

(2)積累的工程經(jīng)驗：

·需要增加發(fā)射信號功率，以提高接收信號的信噪比，滿足解調(diào)門限。

2.3 空間復(fù)用技術(shù)

(1)采用該技術(shù)的初衷：

·可以提高獨立信道的數(shù)量。

(2)積累的工程經(jīng)驗：

·增加了信號處理的復(fù)雜度。毫米波MIMO信號處理的復(fù)雜度在100次運算/信息bit至2 500次運算/信息bit，即信號處理單元(如FPGA、DSP等)處理1 bit信息的平均運算次數(shù)；

·并行處理多個高速率數(shù)據(jù)流對系統(tǒng)的時間同步性能提出了更高的要求。第二階段要求完成相應(yīng)的研究和測試，以解決該風(fēng)險點。

3 思考與啟示

3.1 “100G”項目的啟示

“100G”項目是目前傳輸速率最快的無線通信系統(tǒng)之一。就點對點鏈路級傳輸速率而言，100 Gbps的數(shù)值指標(biāo)比現(xiàn)役Link16數(shù)據(jù)鏈高4個數(shù)量級，是當(dāng)前軍用無線通信速率的500倍，是目前商用4G移動通信系統(tǒng)峰值數(shù)率的100倍，同樣也高于尚處于預(yù)研階段的5G移動通信系統(tǒng)的幾十Gbps的目標(biāo)值，具有跨代領(lǐng)先意義的。

“100G”項目充分體現(xiàn)了技術(shù)融合的無限潛力。就技術(shù)本身而言，“100G”項目所選用的毫米波通信、高階調(diào)制及空間復(fù)用等關(guān)鍵技術(shù)都是較成熟的技術(shù)，在民用通信已有應(yīng)用?！?00G”項目的先進之處在于制定了合適的系統(tǒng)設(shè)計方案，將這幾項技術(shù)成功結(jié)合運用在了軍事通信中，這種技術(shù)融合能力恰恰是我們所欠缺的。

核心關(guān)鍵元器件依舊是限制技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵所在。如前所述，“100G”項目從技術(shù)原理分析存在著一些固有的弊端，如高頻段對AD/DA、高性能FPGA、功放器件以及射頻濾波器要求較高，高階調(diào)制技術(shù)對功率放大器要求較高等。雖然DARPA并沒有公開詳細(xì)的技術(shù)解決方案，但由上述分析可知解決這些問題的根本在于高性能AD/DA、FPGA等核心元器件的支撐。而據(jù)了解，國內(nèi)的技術(shù)人員也曾設(shè)想過使用相似的關(guān)鍵技術(shù)，但都因沒有相應(yīng)的元器件可用而放棄，核心關(guān)鍵元器件的缺失嚴(yán)重制約了先進技術(shù)的發(fā)展。

軍事大數(shù)據(jù)的傳輸能力值得高度關(guān)注。隨著全球軍事信息化水平的快速提高，各種軍事數(shù)據(jù)正“爆炸式”激增。未來影響、決定軍事行動的核心在數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的積累量、數(shù)據(jù)分析與處理能力、數(shù)據(jù)分發(fā)與共享能力將成為獲得戰(zhàn)場優(yōu)勢的決定性因素?！?00G”項目的核心目的即在幫助美軍獲得及時的、高效的大容量數(shù)據(jù)傳輸能力，對于美軍后續(xù)提升大數(shù)據(jù)應(yīng)用能力具有積極意義[8-11]。

3.2 對我國技術(shù)發(fā)展體制的思考

技術(shù)跨越式創(chuàng)新以及技術(shù)點儲備和技術(shù)點積累問題?！?00G”項目體現(xiàn)了DARPA對技術(shù)先進性的單純追求，在沒有明確應(yīng)用背景及作戰(zhàn)任務(wù)需求的情況下，以技術(shù)能力突破為牽引，鼓勵超前沿技術(shù)點的研發(fā)，這與DARPA的定位是相匹配的：以解決中、遠(yuǎn)期國家安全問題提供前沿技術(shù)儲備為目標(biāo)，體系化地進行超前沿技術(shù)點的儲備。這正是我國當(dāng)前科技發(fā)展體制上所欠缺的，如何鼓勵創(chuàng)新，鼓勵超前沿技術(shù)點的研發(fā)，并完成技術(shù)點可行性的原型系統(tǒng)驗證，真正轉(zhuǎn)化為未來隨時可用的技術(shù)點進行儲備，而不僅僅停留在報告式理論研究階段，是我國面臨的科技發(fā)展體制和人/物/財力資源投入上的巨大挑戰(zhàn)。