復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站功能設(shè)計(jì)及技術(shù)探討

范彬

摘要：圍繞復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站的功能設(shè)計(jì)、基站中頻域均衡算法、基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的信道估計(jì)方法、天線分集接收等技術(shù)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)；基站；頻域均衡器、信道估計(jì)算法；分集接收技術(shù)

0引言

軍事訓(xùn)練演習(xí)的質(zhì)量和效果，需要通過考核評估來實(shí)現(xiàn)。無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)作為前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備和后臺指揮中心考核評估系統(tǒng)之間的橋梁，其功能設(shè)計(jì)顯得尤為重要。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)趨于完善，基本實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)全覆蓋。但是某些情況下，仍然需要搭建專用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。在部隊(duì)訓(xùn)練演習(xí)期間，由于保密、成本等原因，需要搭建臨時專用的無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)，將移動車載前端采集的數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等實(shí)時回傳到指揮中心，為指揮控制人員提供現(xiàn)場環(huán)境實(shí)時數(shù)據(jù)。本文圍繞復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站的功能設(shè)計(jì)、基站中頻域均衡算法、基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的信道估計(jì)方法、天線分集接收等技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站功能設(shè)計(jì)

1.1廣域覆蓋

根據(jù)部隊(duì)演習(xí)、訓(xùn)練場所的一般范圍、電磁特性，設(shè)計(jì)范圍半徑3～5Km。選型基站的工作頻段為300MHz～1GHz，這個頻段的無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站可達(dá)到10Km的覆蓋半徑，滿足部隊(duì)一般演習(xí)和訓(xùn)練的需求。

為了保證通信基站有效的通信范圍，提高通信效率，無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站采用雙天線分集接收技術(shù)，以充分利用空間分集能力。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)（如Wi-Fi、藍(lán)牙等），只是單純的熱點(diǎn)接入與覆蓋，而不能稱之為局域網(wǎng)。本文探討的無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)定位更容易組成局域網(wǎng)，使得無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍內(nèi)通信設(shè)備之間享受獨(dú)立的、快速的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[1]。

1.2高速數(shù)據(jù)傳輸

本文描述的無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)單基站系統(tǒng)，設(shè)計(jì)在4M帶寬下提供高達(dá)4.2Mbps的凈數(shù)據(jù)吞吐量。因此集成了無線通信新技術(shù)，比如采用雙天線接收結(jié)構(gòu)、CDMA、單載波頻域均衡傳輸?shù)燃夹g(shù)，使基站能夠在有限帶寬下提供相對高速的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

1.3支持同頻組網(wǎng)

無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站支持同頻組網(wǎng)。為了在有限頻率資源的條件下，使傳輸基站及網(wǎng)內(nèi)覆蓋范圍的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，在通信時具有良好的抗同頻干擾能力，無線實(shí)時傳輸基站可采用動態(tài)信道分配等新技術(shù)。而應(yīng)用其他信道分配技術(shù)的無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在同頻組網(wǎng)性能指標(biāo)方面具有一定的劣勢[1]。

1.4支持非視距傳輸

無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站與網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，在數(shù)據(jù)通信時需具備良好的非視距傳輸能力，網(wǎng)絡(luò)可同時對空曠場所和有遮擋物場所具有良好的通信覆蓋。由于在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中，無線接入的很多應(yīng)用場景在室內(nèi)或者有遮擋物，因此非視距傳輸能力是衡量一個無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)。

1.5支持大量用戶并發(fā)

部隊(duì)演訓(xùn)場地通信設(shè)備眾多，對無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的并發(fā)容量提出很高要求。多設(shè)備可能會同時通過無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式包括：圖像、語音、文本等，同時，演習(xí)、訓(xùn)練的時間可能會相對比較長，這就帶來了通過無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時單位時間內(nèi)的通傳數(shù)據(jù)量大的問題，也就是通信鏈路的數(shù)傳容量會很大?；谶@一需求，復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站設(shè)備，采用TDMA時分多址進(jìn)行帶寬的動態(tài)分配，同時支持雙向255個并發(fā)信道，滿足了通信要求。

1.6支持移動性

通過無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)慕K端、數(shù)據(jù)采集裝置等通常被安裝在移動車輛（步戰(zhàn)車、指揮車等）上，因此針對戰(zhàn)場這一特殊環(huán)境，對無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站的選型、設(shè)計(jì)需要考慮無線實(shí)時傳輸終端的移動性，需滿足移動環(huán)境下的寬帶無線接入需求。

2 無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站主要技術(shù)

2.1收發(fā)模塊

無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站收發(fā)模塊主要功能包括基站下行數(shù)據(jù)和上行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。接收數(shù)據(jù)時，信號從兩根天線接入，分別進(jìn)行濾波、放大、混頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換等操作。

射頻前端模塊接收通道采用兩次變頻來完成的。兩次變頻的中頻信號都設(shè)計(jì)成相近頻率，這樣可以采用相同的元器件，以保證設(shè)計(jì)的一致性。每個信道在設(shè)計(jì)時考慮射頻通道的寬頻點(diǎn)、可配置性、可擴(kuò)展性等功能，按照信號的最大傳輸帶寬設(shè)置濾波器，使用寬帶的混頻器和頻率綜合器等模擬器件，用戶只需要更改頻率綜合器的頻率控制字，就可以產(chǎn)生所需信道的本振信號，頻率控制字由單片機(jī)控制輸入，原理框圖見圖1。這樣可以接收到寬頻模擬信號，體現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活性和可配置性。

2.2 處理模塊

無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)處理模塊完成雙向數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)發(fā)送接收以及協(xié)議棧運(yùn)行。本文采用單載波頻域均衡技術(shù)進(jìn)行上行幀的發(fā)送和下行幀的接收。

2.2.1數(shù)據(jù)發(fā)送

數(shù)據(jù)發(fā)送原理如圖2所示。

無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)處理模塊的發(fā)射過程簡單描述為：首先是信道編碼，即信號信息在輸入端完成二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，編譯成適合信道傳輸?shù)男盘枺唤?jīng)過信道編碼后的信號通過映射包括插入保護(hù)間隔，再經(jīng)過脈沖整形，D/A變換完成由最初的數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)變，最后調(diào)制包括變頻到射頻信號。

2.2.2數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)接收原理如圖3所示。

天線是無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站的最后發(fā)射端和最初接收端，無線射頻信號經(jīng)過天線的接收并通過下變頻變換成中頻模擬信號。而基站內(nèi)部只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，因此，基站接收到的數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成處理板能夠處理的數(shù)字信號。與發(fā)射過程相反，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過時間、頻率同步、信道估計(jì)等操作，通過傅里葉逆變換、解映射、解碼等過程，完成由最初的射頻信號到二進(jìn)制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

2.3頻域均衡算法

在信號處理的過程中不可避免地會產(chǎn)生符號間干擾，但是如何消除或者是減輕這些干擾尤為重要。無論是時域還是頻域均衡最終的目的是為了消除或者減輕符號間干擾[2]。

本文的無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)基站探討的使用頻域均衡器來消除符號間干擾。頻域均衡器主要是在頻域的范圍內(nèi)進(jìn)行信號的均衡補(bǔ)償。在這個過程中首先需要將時域信號通過傅里葉變換成頻域信號，在頻域完成均衡后再通過反傅里葉變換成時域信號。在這一系列過程中，大多計(jì)算處理集中在傅里葉和反傅里葉計(jì)算過程中。這種均衡方法就是使用一些濾波器的頻率特性去補(bǔ)償衰減的基帶系統(tǒng)的頻率。最終使得基帶系統(tǒng)基本保持不失真[2]。

為了在均衡時保證噪聲功率不會被放大，根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則可以得到最小將均方誤差頻域均衡的均衡器系數(shù)為：

式中：為信道傳輸函數(shù)，SNR 為信噪比。信號通過頻域均衡器后可以表示為：

2.4信道估計(jì)算法

目前針對信道估計(jì)算法通常有：（1）基于訓(xùn)練序列（導(dǎo)頻）的估計(jì)；（2）盲估計(jì)?；谟?xùn)練序列的估計(jì)和盲估計(jì)兩種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)?；谟?xùn)練序列的估計(jì)在發(fā)送端定時發(fā)送特定格式的序列，這個序列也稱為訓(xùn)練序列，而接收端則根據(jù)序列通過信道的變化計(jì)算出信道的反應(yīng)?；谟?xùn)練序列的估計(jì)算法優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果準(zhǔn)確可靠，估計(jì)過程迅速，缺點(diǎn)是由于發(fā)送端不停地周期性發(fā)送序列，導(dǎo)致浪費(fèi)了部分帶寬資源。而盲估計(jì)不需要發(fā)送訓(xùn)練序列，因此也不會浪費(fèi)帶寬資源，盲估計(jì)是根據(jù)信號的統(tǒng)計(jì)特性完成信道參數(shù)的估計(jì)。缺點(diǎn)是盲估計(jì)算法復(fù)雜度高[3]。

本文描述的是基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的信道估計(jì)方法。關(guān)鍵是產(chǎn)生訓(xùn)練序列，訓(xùn)練序列采用固定結(jié)構(gòu)的幀頭。單載波頻域均衡系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)的首尾插入相同長度的訓(xùn)練序列，每一段傳輸數(shù)據(jù)與后面的訓(xùn)練序列組成一個數(shù)據(jù)塊，訓(xùn)練序列的插入使得傳輸數(shù)據(jù)塊具有理想的周期性的自相關(guān)特性。每一個數(shù)據(jù)塊前面的訓(xùn)練序列可以克服前一幀數(shù)據(jù)對該幀數(shù)據(jù)的干擾[3]。

如果已知訓(xùn)練序列頻域 X （k）的值，一種簡單的想法是利用LS進(jìn)行頻域信道估計(jì)。

式中：Y （k），k = 0，1，2…N-1為接收信號的頻域形式， H （k），k= 0，1，2，…N-1為信道頻率響應(yīng)的實(shí)際值。

這種信道估計(jì)方法稱為最小二乘（LS）信道估計(jì)方法，其特點(diǎn)是運(yùn)算簡單，當(dāng)合理選擇訓(xùn)練序列x（n）時能夠達(dá)到工程上可接受的估計(jì)精度。

2.5天線分集接收

分集接收技術(shù)是移動通信的一種抗衰落技術(shù)。簡單來說，分集接收技術(shù)就是采用多副接收天線來接收信號，然后進(jìn)行合并。在某一接收天線所對應(yīng)的無線傳播路徑中經(jīng)歷了深度衰落時，其他天線的接收信號中仍可能包含著較強(qiáng)的有用信號，因此可以對多路接收信號進(jìn)行合并，這樣就有效降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

分集接收技術(shù)在不增加發(fā)射功率或犧牲通信帶寬的情況下提高了傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，為實(shí)時圖像傳輸提供了強(qiáng)有力的保障。

本文描述的最大比合并分集接收算法，是將兩個天線信號相位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對齊后再進(jìn)行處理，也就是說通過兩個天線信號產(chǎn)生各自的輸出信噪比，將兩路信噪比合并為最終的輸出信噪比。當(dāng)其中某路天線信號產(chǎn)生偏離或者不可用時，最大比合并算法依然可以通過另一路的天線信號合并成一個符合要求的輸出信噪比信號。

2.6協(xié)議棧

軟件協(xié)議程序貯存在硬盤上，運(yùn)行時調(diào)入內(nèi)存執(zhí)行。主要分為注冊、同步、尋呼等過程。

3結(jié)語

由于戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜、使用通信設(shè)備眾多等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)時需要考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、多用戶并發(fā)接入、抗震性高等功能性能指標(biāo)。演習(xí)、訓(xùn)練場地頻繁轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致無線實(shí)時傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有可快拆裝、便攜等特點(diǎn)。在無線實(shí)時傳輸基站設(shè)計(jì)過程中頻域均衡器、信道估計(jì)算法的選擇尤為重要，同時分集接收技術(shù)是一種用相對較低廉的投資就可以大幅度改進(jìn)無線鏈路性能的強(qiáng)有力的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 柏均，李永志，閆鵬.McWiLL系統(tǒng)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用分析[J].無線通信技術(shù)，2008（2）：39-42.

[2] 郭友波.單載波傳輸系統(tǒng)自適應(yīng)頻域均衡研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2005.

[3] 李慶忠.單載波頻域均衡技術(shù)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

（作者單位：陸軍裝備部駐上海地區(qū)航空軍事代表室）