適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫亞萍

摘要：本文針對(duì)遠(yuǎn)程無人值守地區(qū)信息回傳的需求，結(jié)合業(yè)務(wù)特點(diǎn)，基于單天線、單發(fā)射機(jī)和單接收機(jī)的“三單”散射通信系統(tǒng)，采取氮化鎵功放、功率自適應(yīng)以及基于心跳的遠(yuǎn)程管理控制協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)，通過實(shí)用表明，該系統(tǒng)通信效果良好、視頻清晰、話音通暢，可有效解決無人值守地區(qū)信息的遠(yuǎn)程傳輸問題。

關(guān)鍵詞：無人值守；低功耗；散射通信

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）16-46-4

0引言

我國國土遼闊，邊境綿長，海域?qū)拸V，海島眾多，邊境、海島或其他無人值守地區(qū)的遠(yuǎn)程信息回傳多采用衛(wèi)星和光纜實(shí)現(xiàn)，但由于存在衛(wèi)星通信需要付費(fèi)、光纜易損毀且修復(fù)周期長等問題，僅依靠衛(wèi)星通信和光纜難以支撐無人值守地區(qū)的超視距、可靠通信需求。

散射通信具有單跳跨距遠(yuǎn)、信道隨處可得且無需付費(fèi)、一次性投資和維護(hù)費(fèi)較低及較好的抗毀性等優(yōu)勢(shì)[1]。傳統(tǒng)散射通信系統(tǒng)多采用大功率、大天線對(duì)抗傳輸損耗大問題，采用分集接收對(duì)抗信道衰落問題，因此站型較大。隨著新技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)末期，散射通信重新躍升[2]，散射通信設(shè)備不斷輕量化和小型化，傳遞的業(yè)務(wù)也擴(kuò)展至ISR信息、圖像及IP數(shù)據(jù)，為利用散射通信實(shí)現(xiàn)無人值守地區(qū)的信息超視距回傳提供了可能。

本文針對(duì)遠(yuǎn)程無人值守地區(qū)信息回傳的需求，結(jié)合業(yè)務(wù)時(shí)效性不敏感、業(yè)務(wù)容量可調(diào)和任務(wù)突發(fā)等特點(diǎn)，基于單天線、單發(fā)射機(jī)和單接收機(jī)的“三單”散射通信系統(tǒng)，通過多種能耗控制方法，并結(jié)合新型波形，設(shè)計(jì)了一種適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)，可為邊境、海島或其他無人值守地區(qū)提供一種超視距信息傳遞手段。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人值守地區(qū)不僅環(huán)境條件惡劣、能源有限，而且人員往返困難，靠人員運(yùn)維成本較高，對(duì)散射通信系統(tǒng)的能耗控制、維修性、可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性等方面提出了很高的要求。

針對(duì)上述問題，本文重點(diǎn)通過低功耗設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程管理控制協(xié)議設(shè)計(jì)以及保證信號(hào)平穩(wěn)傳輸?shù)牟ㄐ卧O(shè)計(jì)，同時(shí)在各設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)和連接器等方面進(jìn)行了防水、防塵、防鹽霧、防雷設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加強(qiáng)了環(huán)境適應(yīng)性；利用監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了自動(dòng)休眠、斷鏈自動(dòng)復(fù)位以及故障告警并上報(bào)等設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了設(shè)備的維修性，研制了一套適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由監(jiān)控系統(tǒng)、散射通信設(shè)備和風(fēng)光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)構(gòu)成。

對(duì)流層散射通信主要是利用對(duì)流層大氣媒介中的不均勻體對(duì)電波的前向散射作用而實(shí)現(xiàn)的超視距無線通信方式[1]，為適配無人值守應(yīng)用，本文摒棄傳統(tǒng)的雙天線體制，采用單天線、單發(fā)射機(jī)和單接收機(jī)的“三單”散射通信系統(tǒng)，同時(shí)將基帶單元和射頻單元集成在一個(gè)機(jī)箱之內(nèi)，采用散射通信設(shè)備與天線聯(lián)合緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低饋線損耗，實(shí)現(xiàn)了散射通信設(shè)備僅由設(shè)備主機(jī)及天饋單元組成，既減少了設(shè)備數(shù)量，又降低了系統(tǒng)功耗。其組成框圖如圖2所示。

監(jiān)控系統(tǒng)為一自研應(yīng)用軟件，安裝在計(jì)算機(jī)上，兼容多種操作系統(tǒng)，主要完成設(shè)備狀態(tài)查詢、參數(shù)設(shè)置及修改和故障告警等功能；風(fēng)光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)采用太陽能和風(fēng)能作為能量來源，結(jié)合蓄電池為無人端各設(shè)備提供所需能源。

2低功耗設(shè)計(jì)

在散射通信系統(tǒng)中，功率放大器消耗的功耗最大，占整個(gè)系統(tǒng)的60%～70%。為達(dá)到降低整機(jī)功耗的目的，高效功率放大器的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)輸出功率自適應(yīng)是本文的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

固態(tài)功率放大器按實(shí)現(xiàn)工藝分為3類：LDMOS類功率放大器、GaAs類功率放大器及GaN類功率放大器[3]。GaN類功率放大器為第3代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，憑借其具有更高的效率、更寬的工作頻段等特點(diǎn)，成為功率放大器的一個(gè)研究熱點(diǎn)。為保證功率放大器的效率，本文采用GaN半導(dǎo)體技術(shù)，研發(fā)了適用于對(duì)流層散射通信的、小型化內(nèi)匹配功放管，通過實(shí)際測(cè)試，功放管的漏極效率比原有功放管提升了10%，單管增益由8 dB提升至10 dB。

同時(shí)，考慮到對(duì)流層散射信道具有典型慢衰落特性[4]，慢衰落使得接收電平在較長時(shí)間間隔內(nèi)具有中值波動(dòng)，聯(lián)合接收中值電平、誤碼率和信噪比完成對(duì)散射慢衰落的實(shí)時(shí)感知，充分利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)輸出功率的自適應(yīng)調(diào)整，即當(dāng)信道質(zhì)量好時(shí)，降低功率放大器輸出功率，功耗也隨之降低；當(dāng)無任務(wù)需求時(shí)，甚至關(guān)閉功率放大器，從而達(dá)到進(jìn)一步降低能耗的目的。

散射慢衰落信道感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示，主要由電平檢測(cè)模塊、中值電平統(tǒng)計(jì)模塊、已知幀頭序列模塊、誤碼統(tǒng)計(jì)模塊、誤碼率估算模塊、信噪比估計(jì)模塊以及信道質(zhì)量評(píng)估模塊等組成。

結(jié)合功率自適應(yīng)調(diào)整策略，該功率放大器輸出功率可根據(jù)功率調(diào)整指示信息自適應(yīng)變大或變小，調(diào)整步進(jìn)0.5dB，動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍可達(dá)40dB，整體功耗降低約50%。

此外，本文還應(yīng)用數(shù)字化集成芯片和低功耗器件進(jìn)行了板級(jí)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，高度集成接口電路、數(shù)字信號(hào)處理電路、調(diào)制解調(diào)電路以及射頻電路，通過結(jié)構(gòu)緊湊的電路布局和優(yōu)化的電磁兼容設(shè)計(jì)，使其集成于一個(gè)電路板上，體積、質(zhì)量及功耗至少降低50%。

3遠(yuǎn)程管理控制協(xié)議設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的散射通信系統(tǒng)一般由本端站的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)本端站的工作頻率、通信速率和發(fā)射功率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和控制，并記錄下來以備值班人員后續(xù)的檢查和維修，較少采用對(duì)端站控制本端站的方式，但存在無人值守地區(qū)人員無法經(jīng)常往返、維護(hù)較為不便等問題。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于心跳的遠(yuǎn)程管理控制協(xié)議，利用可靠的極低速控制指令，通過周期性發(fā)送心跳判斷無人端的“存活狀態(tài)”，完成對(duì)無人端的初始化、參數(shù)查詢及調(diào)整、故障告警上報(bào)等控制管理，使得無人端散射通信設(shè)備能夠正常運(yùn)行，并具備休眠、喚醒和斷電、斷鏈自恢復(fù)功能。

本文設(shè)計(jì)了通信及靜默2種工作模式，無業(yè)務(wù)傳輸任務(wù)時(shí)，設(shè)備處于靜默狀態(tài)，僅保證心跳信息的傳輸；有業(yè)務(wù)傳輸任務(wù)時(shí)，切換至通信模式，自動(dòng)喚醒通信鏈路，完成信息的可靠傳輸。通信模式下，速率自適應(yīng)、功率較大，可實(shí)現(xiàn)無人端至有人端的遠(yuǎn)距離、大容量數(shù)據(jù)傳輸；靜默模式下，基于心跳機(jī)制，以低速、小功率定時(shí)發(fā)送探測(cè)幀及心跳幀，以使有人端實(shí)時(shí)獲悉無人端的工作狀態(tài)，保證連接的有效性，有效降低無人值守端散射站的整機(jī)功耗。

圖4、圖5和圖6分別為基于心跳的遠(yuǎn)程管理控制協(xié)議流程及有人端和無人端的信息處理流程。

有人端發(fā)送探測(cè)幀，探測(cè)幀中包含有人端的工作參數(shù)信息以及無人端是否需要重啟的指示信息；其中，工作參數(shù)信息包括工作模式、工作頻率、通信速率和發(fā)射頻率；有人端在收到無人端的反饋信號(hào)后判斷反饋信號(hào)類型，如果收到的為數(shù)據(jù)幀，則調(diào)整工作參數(shù)信息，存儲(chǔ)收到的數(shù)據(jù)；如果收到的為心跳幀，則工作模式不變，繼續(xù)發(fā)送探測(cè)幀。

無人端接收有人端發(fā)送的探測(cè)幀，根據(jù)探測(cè)幀判斷無人端是否工作異常，如果工作異常，則無人端進(jìn)行設(shè)備重啟，配置工作模式為靜默模式，工作參數(shù)為靜默模式對(duì)應(yīng)的工作參數(shù)；如果工作正常，則根據(jù)當(dāng)前存儲(chǔ)器容量決定要發(fā)送的反饋信號(hào)類型，并按相應(yīng)幀結(jié)構(gòu)發(fā)送至有人端。

4保證信號(hào)平穩(wěn)傳輸?shù)牟ㄐ卧O(shè)計(jì)

散射信道存在快衰落現(xiàn)象[5]，在從幾秒到幾分鐘的時(shí)間間隔內(nèi)，接收信號(hào)電平瞬時(shí)值的起伏變化可達(dá)數(shù)十分貝。它是散射傳播的一個(gè)重要特性，也是散射通信需要解決的首要問題。為了對(duì)抗散射信道的隨機(jī)快速衰落，傳統(tǒng)散射通信系統(tǒng)往往采取分集接收技術(shù)體制平滑信道衰落[6]?？臻g分集是對(duì)流層散射通信站最常用、同時(shí)也是最有效的分集方式；頻率分集是利用散射信號(hào)快衰落的頻率選擇性實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用十分方便但不是魯棒的分集方式；角分集使用的是一面天線、多個(gè)饋源形成的多個(gè)不同方向的波束，可降低系統(tǒng)造價(jià)，但存在附加損耗；時(shí)間分集雖是一種穩(wěn)健的分集方式，但存在傳輸時(shí)延[1]。

綜合考慮，本系統(tǒng)采用的是單天線，無法實(shí)現(xiàn)空間分集，單純采用頻率分集，系統(tǒng)能力在二徑平衰條件下會(huì)大幅下降。為保證系統(tǒng)能力，本文采用時(shí)間分集與頻率分集相結(jié)合的方案。

經(jīng)過仿真，在沒有時(shí)頻分集時(shí)，由于散射信道存在瑞利衰落，接收信號(hào)電平在短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生劇烈變化，平均衰落幅度接近13 dB，最大衰落幅度接近22 dB，最大衰落深度約10 dB，平均衰落深度約5 dB。無分集時(shí)的衰落幅度和衰落深度仿真結(jié)果如7和圖8所示。

在時(shí)頻分集條件下，衰落幅度和衰落深度得到明顯改善，平均衰落幅度約4 dB，最大衰落幅度接近7 dB，最大衰落深度約3.5 dB，平均衰落深度約2 dB。8重分集時(shí)的衰落幅度和衰落深度仿真結(jié)果如圖9和圖10所示?？梢?，分集技術(shù)大大降低了散射信道的衰落幅度和衰落深度，改善了信道傳輸條件，提高了信號(hào)傳輸質(zhì)量。

5結(jié)束語

設(shè)備研制完成后，搭建了約80 km的散射通信鏈路，開展了實(shí)際應(yīng)用，通過實(shí)用表明，通信效果良好、視頻清晰、話音通暢，可解決島嶼傳感網(wǎng)絡(luò)信息的遠(yuǎn)程傳輸問題。

面向無人值守地區(qū)的信息超視距傳輸應(yīng)用需求，本文基于傳統(tǒng)的對(duì)流層散射通信系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過低功耗、無人值守的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，研制了適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)，為邊境、海島等無人值守區(qū)的無線通信覆蓋、遠(yuǎn)程信息回傳提供了一種解決方案。未來，可推廣至無人值守雷達(dá)信息回傳、海上漁業(yè)、石油開采和測(cè)繪等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

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