海上微波自適應(yīng)數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計

閆樂樂 趙顯超

1.中國電子科技集團公司第五十四研究所；2.空軍裝備部駐石家莊地區(qū)軍事代表室

受海面極其復(fù)雜的微波信道環(huán)境影響，傳統(tǒng)的海上微波數(shù)傳系統(tǒng)存在傳輸距離近、通信穩(wěn)定性差、適應(yīng)性不強等缺點。從提高天線增益以及增加傳輸自適應(yīng)性角度設(shè)計了海上浮標船載間微波自適應(yīng)數(shù)傳系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的整體組成框圖和主要模塊的設(shè)計過程，針對浮標設(shè)計了可切換波束全向覆蓋陣列天線，還設(shè)計了波束自動掃描切換以及速率自適應(yīng)切換的通信協(xié)議。仿真結(jié)果與協(xié)議分析表明浮標天線增益高，自適應(yīng)通信協(xié)議魯棒性好，可保證系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)的高低速率遠近距離的穩(wěn)定自適應(yīng)傳輸。

海上微波數(shù)傳系統(tǒng)是應(yīng)用于海上的以采集數(shù)據(jù)回傳為目的的微波無線通信系統(tǒng)，由船載設(shè)備和浮標設(shè)備組成。浮標設(shè)備安裝于無人值守的海上浮標系統(tǒng)之上，可將傳感器數(shù)據(jù)自動上傳至船載站，船載站可接收浮標上傳的數(shù)據(jù)，并對浮標站進行監(jiān)控[1]。

海上浮標通信系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的主要因素有通信距離、成本和吞吐量等[2]。由于海上微波通信天線尤其是浮標天線通常不具備架高條件，在工作高度范圍內(nèi)海水蒸發(fā)形成的溫濕度梯度和海面鏡反射的影響造成了海面極其復(fù)雜的微波信道[3]，對信號造成較大衰減，極大地影響系統(tǒng)通信距離。另外大容量微波系統(tǒng)通常采用的C或X波段電磁波繞射能力較弱，在通信鏈路上的海浪容易對信號產(chǎn)生遮擋，同時海浪沖擊造成船體/浮標的搖擺會使得天線俯仰姿態(tài)不穩(wěn)定，最大增益方向很難保持在通信鏈路上，導(dǎo)致傳統(tǒng)海上微波數(shù)傳系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性差適應(yīng)性不強。因此本文從提高天線增益以及增加傳輸自適應(yīng)性角度設(shè)計實現(xiàn)了海上微波自適應(yīng)數(shù)傳系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

數(shù)傳系統(tǒng)主要包括基帶單元、變頻組件、雙工器以及天線單元組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。發(fā)送端將來自上位機的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)在基帶單元組幀復(fù)接送至調(diào)制器編碼成中頻信號，中頻信號經(jīng)射頻單元變頻和功放放大后形成射頻信號并通過天線發(fā)送出去；接收端在收到射頻信號后，進行放大、濾波、變頻并解調(diào)得到數(shù)據(jù)信息，分接出最終數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。

圖1 數(shù)傳系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of data transmission system

基帶單元包括以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接口、復(fù)分接、調(diào)制器、解調(diào)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到模擬中頻信號的轉(zhuǎn)換，組成框圖如圖2所示。

圖2 基帶單元的組成框圖Fig.2 Block diagram of baseband unit

其中，網(wǎng)口變壓器和以太網(wǎng)收發(fā)器實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)收發(fā)功能；FPGA芯片中通過軟件實現(xiàn)復(fù)分接、調(diào)制器和解調(diào)器功能，此外FPGA芯片中的功能軟件還生成對其他模塊的控制信號，主要是頻率控制信號、功率控制信號以及波束選擇信號；D/A和A/D實現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號之間的轉(zhuǎn)換；發(fā)通道中頻濾波器和收通道中頻濾波器實現(xiàn)對中頻信號的濾波功能。

變頻組件完成L波段發(fā)射中頻到C或X波段射頻的變頻、濾波、放大；完成C或X波段射頻到P波段接收中頻的低噪聲放大、濾波、變頻；收發(fā)通道獨立工作，并且分別工作于兩個頻段；內(nèi)置高穩(wěn)定度參考時鐘，并對外輸出一路參考信號；并且能夠通過外部監(jiān)控設(shè)置收發(fā)工作頻率、發(fā)射功率、接收通道增益，讀取發(fā)射中頻功率、發(fā)射射頻功率、接收信號功率。

1.2 浮標天線設(shè)計

由于船載設(shè)備安裝在船上，天線波束方向受船體搖擺影響較大，在無天線穩(wěn)定伺服平臺的情況下，采用低副瓣喇叭定向天線就能滿足系統(tǒng)的增益需求。

海面通信條件下通常浮標體水平搖擺最大360°，最大俯仰搖擺角度接近±20°[4]?？紤]到浮標設(shè)備的天線增益要求高，波束水平覆蓋范圍為全向，波束俯仰角度變化大，重量體積功耗等要求苛刻，微帶天線具有體積小、成本低、重量輕、低剖面、易共形和易集成等優(yōu)點，可作為陣列天線的基本單元，具有廣泛應(yīng)用。依據(jù)文獻[5-8]，針對浮標設(shè)備設(shè)計了可切換波束全向覆蓋定向天線。

天線單元采用微帶天線天線單元由一層輻射貼片層，一層饋電層及一層地板組成，各層之間通過尼龍柱及螺釘進行組裝。采用插入式的微帶饋電結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化天線的插入深度、寄生層與貼片之間的間距可提高單個天線單元的帶寬及天線的增益，使天線獲得較好的性能。浮標設(shè)備的天線單元組陣方式如圖3所示。8個天線單元組成一個環(huán)形陣列，搭配上高隔離度單刀八擲波束快速切換開關(guān)就組成了浮標可切換波束全向覆蓋陣列天線。綜合考慮浮標設(shè)備安裝位置和重量體積功耗等方面的限制，采用一體化和高集成設(shè)計，在陣列天線中間空出部分放置浮標設(shè)備的其他功能單元，底部附有導(dǎo)熱散熱性好的鈑金底座。設(shè)計的以浮標天線為基本架構(gòu)的浮標設(shè)備具有集成度高、體積小、重量輕、散熱性好等優(yōu)點。

圖3 浮標天線單元結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Buoy antenna unit structure diagram

1.3 自適應(yīng)通信協(xié)議設(shè)計

數(shù)傳系統(tǒng)通信協(xié)議需要實現(xiàn)設(shè)備控制和數(shù)據(jù)傳輸功能，因此需要實現(xiàn)兩種軟件接口：設(shè)備控制接口和數(shù)據(jù)傳輸接口。設(shè)備控制主要實現(xiàn)上位機對設(shè)備工作參數(shù)的配置（工作頻率、發(fā)送功率等）、設(shè)備狀態(tài)查詢（通信狀態(tài)）等方面的功能。數(shù)據(jù)傳輸包括業(yè)務(wù)傳輸和信令傳輸。業(yè)務(wù)傳輸指兩端上位機之間的上下行業(yè)務(wù)傳輸，下行指船載站到浮標站，上行指浮標站到船載站。信令傳輸主要是兩端傳輸設(shè)備之間的信令傳輸，用于兩端傳輸設(shè)備之間信道的建立與維護。

上位機上電后，要向傳輸設(shè)備發(fā)送設(shè)備初始化參數(shù)幀，參數(shù)包括站址、工作模式、上下行頻率集等，告知傳輸設(shè)備是船載站還是浮標站，傳輸設(shè)備根據(jù)需求對頻率集和發(fā)送功率進行設(shè)置，待傳輸設(shè)備正常工作后，上位機定時向傳輸設(shè)備發(fā)送握手幀，確定傳輸設(shè)備的在線狀態(tài)。傳輸設(shè)備上電后，會阻塞等待上位機的初始化參數(shù)幀，收到初始化參數(shù)幀后進入正常工作狀態(tài)并反饋。同樣，上位機應(yīng)先發(fā)送初始化參數(shù)幀，再等到傳輸設(shè)備反饋后，即可進入正常工作狀態(tài)。在進入正常工作狀態(tài)后，上位機維護5s一次的心跳握手幀，當超過5min都收不到傳輸設(shè)備的心跳幀反饋，則回歸初始化配置狀態(tài)，間隔5s發(fā)一次參數(shù)初始化配置幀，直到收到傳輸設(shè)備的反饋。

1.3.1 波束自動掃描切換

浮標設(shè)備采用了可控波束天線，船載設(shè)備首先需要引導(dǎo)浮標設(shè)備的天線波束指向本機。浮標受浪涌影響會隨浮筒水平旋轉(zhuǎn)，需要保證通信范圍內(nèi)的浮標設(shè)備在整個通信期間一直使用最佳收發(fā)波束方向。

船載設(shè)備上電初始化配置完成后會在業(yè)務(wù)傳輸空閑時間周期性每隔100ms發(fā)送廣播信令幀到下行公共信道，用于浮標設(shè)備的天線對準和對浮標設(shè)備進行遠程控制。

當浮標設(shè)備初始化配置完成后會處于波束自動掃描偵聽狀態(tài)，只收不發(fā)，利用波束開關(guān)依次切換在8個波束方向上輪詢偵聽船載設(shè)備信號。每個波束方向駐留1s，在一個掃描周期完成后，統(tǒng)計8個方向的信號強度和收包情況，從滿足基本收包正確數(shù)（7包）的波束中選取平均接收電平最大的方向作為最佳收發(fā)波束方向。如果各個方向收包正確數(shù)均小于7，則掃描對準失敗，繼續(xù)掃描。當掃描對準成功后，浮標設(shè)備按照船載信令要求設(shè)置上行發(fā)射頻率等參數(shù)后工作于低速數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，開始進行數(shù)據(jù)上傳，并且在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸空閑時間周期性每隔100ms發(fā)送信令幀。在低速狀態(tài)下，浮標設(shè)備會統(tǒng)計近10s內(nèi)的收包正確數(shù)，低于50包則判定該波束方向通信效果不理想，重新回到掃描偵聽狀態(tài)。浮標設(shè)備上行信道的高低速率切換由船載設(shè)備來決策完成，浮標站根據(jù)船載站決策執(zhí)行同步操作。浮標設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖4所示。

圖4 浮標設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.4 State transfer diagram of buoy equipment

1.3.2 速率自適應(yīng)切換

根據(jù)距離的不同自動調(diào)整調(diào)制方式與通信速率[9]，船載設(shè)備高低速率切換決策如下：

（1）低速切高速條件：近5s收包正確至少48包；近5s收包正確率不低于90%；近30包平均接收電平大于-91.5dBm，以上條件需要同時滿足。在滿足低速切高速條件狀態(tài)后持續(xù)3s以后才執(zhí)行升速操作，發(fā)送升速廣播信令幀給浮標設(shè)備。

（2）高速切低速條件：近5s內(nèi)收包正確數(shù)小于45包；近5s收包正確率小于80%，滿足一個條件即可。在滿足高速切低速條件狀態(tài)后持續(xù)1s以后才執(zhí)行降速操作，發(fā)送降速廣播信令幀給浮標設(shè)備。

船載設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖5所示。

圖5 船載設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.5 State transfer diagram of shipboard equipment

2 仿真與協(xié)議分析

2.1 多波束天線性能仿真

應(yīng)用CST MWS電磁場仿真軟件[10]對微帶天線單元結(jié)構(gòu)進行了仿真和優(yōu)化。最終天線極化方式采用垂直極化，微帶天線結(jié)構(gòu)單元尺寸為：54mm×39.25mm×12mm。結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用較小的天線尺寸，可大幅降低電磁波繞射損耗，提高通信距離[11]。

所設(shè)計微帶天線單元在8GHz頻率下的方向圖仿真如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 天線單元三維仿真圖Fig.6 Three-dimensional simulation diagram of antenna unit

圖7 天線單元垂直方向仿真圖Fig.7 Simulation diagram of vertical direction of antenna element

由圖6-圖8可知，天線單元的最大增益為12.6dBi，水平方向3dB波束寬度為43.4°，垂直方向為37°。利用8個單元組成環(huán)形陣列可保證在水平全向范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定較高增益，并且能夠抵抗波束縱向俯仰角度變化。

圖8 天線單元水平方向仿真圖Fig.8 Horizontal simulation diagram of antenna element

微帶天線單元的增益與頻率關(guān)系仿真曲線如圖9所示。

由圖9曲線可知，天線單元在7.7～8.5GHz頻率范圍內(nèi)增益變化在0.5dBi以內(nèi)，可保證系統(tǒng)在整個工作頻率范圍內(nèi)的遠距離通信質(zhì)量。

圖9 天線單元增益與頻率的關(guān)系仿真曲線Fig.9 Simulation curve of the relation between gain and frequency of antenna element

2.2 協(xié)議性能分析

在網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)通信協(xié)議信道估計算法中，普遍通過分配固定時隙發(fā)送和接收特定探測幀來獲取信道狀態(tài)[12]，因此會產(chǎn)生固定的信道開銷，網(wǎng)絡(luò)吞吐量無法達到飽和狀態(tài)。而本協(xié)議中普通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幀也可像探測幀一樣參與統(tǒng)計信道狀態(tài)，并且特定探測幀是在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸空閑時間周期性發(fā)送的。當業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量多時，特殊探測幀就發(fā)送的少甚至不發(fā)，這種動態(tài)調(diào)整探測幀發(fā)送間隔的方法既可充分利用空閑信道資源傳輸信令，同時又不會影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量達到飽和。

一般在多波束通信協(xié)議中，波束掃描偵聽過程結(jié)束后通常會選取接收電平最大波束方向即通信雙方最正對的方向作為最佳通信方向[13]，而且需要設(shè)計復(fù)雜的主從式波束同步切換協(xié)議[14]。然而在實際環(huán)境應(yīng)用中，由于存在低噪放LNA飽和現(xiàn)象，在近距離通信情況下，會出現(xiàn)最正對方向捕獲不到數(shù)據(jù)包的現(xiàn)象，此時接收電平最大方向未必是最佳通信方向。因此在本波束自動掃描切換協(xié)議設(shè)計中，設(shè)置基本的收包正確數(shù)限制條件，在此基礎(chǔ)上選取平均接收電平最大的方向為最佳通信方向。浮標站可以獨立完成波束掃描和選擇，狀態(tài)圖更加簡單，能夠保證遠近距離通信波束切換正確性和通信穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的速率自適應(yīng)協(xié)議一般選用固定閾值的切換方案，例如接收電平達到某個速率門限閾值就切換速率狀態(tài)[15]，這樣做雖然可以增加系統(tǒng)的靈敏性，但是在臨界閾值條件狀態(tài)下會產(chǎn)生狀態(tài)頻繁切換的震蕩現(xiàn)象，造成系統(tǒng)通信的不穩(wěn)定。在本速率自適應(yīng)切換協(xié)議中，不通過瞬時狀態(tài)而是通過統(tǒng)計近段時間中綜合收包情況估計信道狀態(tài)并決定通信速率，綜合考慮收包的正確數(shù)和正確率以及平均接收電平，以此保證多速率穩(wěn)定地自適應(yīng)通信，協(xié)議魯棒性更好。

3 結(jié)論

本文主要解決了海上微波信道傳輸?shù)目煽啃詥栴}，通過設(shè)計高增益天線增大了通信距離，設(shè)計自適應(yīng)協(xié)議增強了通信穩(wěn)定性，仿真結(jié)果與協(xié)議分析表明，本文設(shè)計的數(shù)傳系統(tǒng)具有小型化、結(jié)構(gòu)簡單、傳輸速率自適應(yīng)、傳輸距離遠等優(yōu)點。對浮標通信系統(tǒng)設(shè)計有借鑒指導(dǎo)作用，也適用于更多海面微波通信應(yīng)用場合。

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