復(fù)雜電磁環(huán)境下海上發(fā)射無線寬帶組網(wǎng)應(yīng)用研究

栗志榮，杜培明，李振凱，周凌凱

（太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原，030045）

0 引言

海上發(fā)射任務(wù)中，發(fā)射船和保障船出海后所面臨的海洋氣象條件復(fù)雜多變，海洋環(huán)境具有的高濕、高鹽、溫差大等特點(diǎn)以及電磁環(huán)境復(fù)雜等因素都對臨時(shí)部署的無線通信系統(tǒng)設(shè)備安全性、可靠性和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。目前已進(jìn)行數(shù)次的海上發(fā)射任務(wù)的通信系統(tǒng)主要以衛(wèi)星通信+無線寬帶為基礎(chǔ)構(gòu)建承載網(wǎng)絡(luò)，用于向廣域網(wǎng)遠(yuǎn)端和近端的指揮控制中心傳輸圖像、語音和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)信息。在組網(wǎng)過程中，無線寬帶負(fù)責(zé)構(gòu)建船與船之間的傳輸鏈路，承擔(dān)著關(guān)鍵信息傳輸?shù)闹匾饔?。因此，基于無線寬帶的組網(wǎng)模式研究對于改進(jìn)海上發(fā)射通信承載網(wǎng)絡(luò)模式以及提升網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。

1 海上發(fā)射復(fù)雜電磁環(huán)境特性

海上發(fā)射中，電磁環(huán)境復(fù)雜多變，港口、船舶等各類平臺設(shè)備具有的輻射源信號，在發(fā)射空域形成了復(fù)雜的電磁輻射態(tài)勢，在頻域上可能密集重疊。在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠使用的電磁頻譜范圍有限，這就使密集的電磁波擁擠在狹窄的頻段之中［1］。

實(shí)際電磁環(huán)境中，大量的電磁干擾信號是在人為控制下產(chǎn)生的。為保障良好的海上發(fā)射空域電磁環(huán)境，確保無線通信組網(wǎng)不受干擾，可以通過便攜式電磁頻譜監(jiān)測設(shè)備或頻譜監(jiān)測車采取交叉定位方式確定此類人為產(chǎn)生的電磁干擾信號來源，并依據(jù)規(guī)定進(jìn)行臨時(shí)管控消除。

在實(shí)際工作中，如果多個(gè)電子信息裝備的工作頻段重疊或相近，會造成裝備同時(shí)使用時(shí)形成相互干擾。這就需要在工作中針對具體情況，采取有序開關(guān)機(jī)、電磁環(huán)境規(guī)避或其他措施進(jìn)行處置。

2 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特性

2.1 無線寬帶系統(tǒng)特性

無線寬帶基于TD-LTE 的技術(shù)體制構(gòu)建，可滿足機(jī)動、抗干擾、無線自組網(wǎng)等應(yīng)用需求，可以實(shí)現(xiàn)移動用戶終端的寬帶通信與管理。當(dāng)前使用的無線寬帶設(shè)備集成了基帶處理單元、射頻單元、核心網(wǎng)等功能模塊，融合正交頻分多路復(fù)用、多入多出、混合自動重傳等技術(shù)。系統(tǒng)具有帶寬大、覆蓋廣、支持業(yè)務(wù)種類豐富等特點(diǎn)，具體包括以下方面：

a）區(qū)域覆蓋：在基礎(chǔ)通信設(shè)施無法覆蓋的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)大范圍的寬帶無線信號覆蓋，為移動終端用戶提供無縫、端到端的無線通信服務(wù)；

b）機(jī)動架設(shè)：適應(yīng)機(jī)動環(huán)境下的快速開通和撤收，滿足移動用戶終端隨遇接入；

c）互聯(lián)互通：具有符合標(biāo)準(zhǔn)體制的通信協(xié)議與接口，能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享與分發(fā)；

d）動態(tài)組網(wǎng)：能夠動態(tài)發(fā)現(xiàn)、感知其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并快速建立或加入網(wǎng)絡(luò)，自動進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置，增強(qiáng)整個(gè)接入網(wǎng)的健壯性和抗毀能力；

e）安全保密：預(yù)留通信加密接口，配合加密設(shè)備，保證數(shù)據(jù)的隱蔽性、安全性和完整性；

f）可靠性：功能設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)，互換性強(qiáng)、可維修性高；

g）抗干擾：在復(fù)雜電磁環(huán)境中能夠?qū)Ω蓴_信號進(jìn)行自動檢測和規(guī)避，保證通信的連續(xù)通暢。

2.2 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線寬帶可使用兩種工作體制［2］：

a）接入模式：一點(diǎn)至多點(diǎn)（Point to Multi-point，PMP），使用LTE技術(shù)，對終端提供接入基站的功能；接入模式下，基站之間不能互聯(lián)，終端能使用接入技術(shù)與基站連接，終端之間無法使用PMP 互聯(lián)。接入常用于基站的覆蓋，終端的隨遇接入。

b）自組網(wǎng)模式：節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)（Node to Node，NTN），使用NTN模式時(shí)，基站之間、終端之間、基站與終端之間都可以相互連接。自組網(wǎng)常用于基站間的骨干鏈路連接。

兩種模式均使用TDD 時(shí)分雙工技術(shù)，即通信時(shí)需要建立一個(gè)對時(shí)間同步要求高的特定頻寬的共同通道。

3 基于無線寬帶的通信組網(wǎng)模型

3.1 海上發(fā)射任務(wù)基本布局

海上發(fā)射任務(wù)可分近海和遠(yuǎn)海兩種方式進(jìn)行。近海發(fā)射時(shí)，發(fā)射船部署于近海合適位置，后端保障系統(tǒng)部署于岸邊；遠(yuǎn)海發(fā)射時(shí)，發(fā)射船和后端保障系統(tǒng)（保障船）一同出海至預(yù)定海域，拋錨固定后實(shí)施發(fā)射。位于遠(yuǎn)端的指控中心及近岸的指揮所通過光纖和衛(wèi)通等傳輸手段構(gòu)建的承載網(wǎng)絡(luò)完成海上發(fā)射的指揮控制和信息接收?；静季秩鐖D1所示。

圖1 海上發(fā)射基本布局Fig.1 Basic layout of marine launch

根據(jù)任務(wù)基本布局，其通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足以下條件：

a）無線通信為主。海上發(fā)射尤其是遠(yuǎn)海發(fā)射時(shí)，無法依托有線鏈路構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，必須采用以無線通信為主的通信組網(wǎng)方式。

b）高可靠性。海上發(fā)射通信網(wǎng)絡(luò)主要用于指揮、T0、數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息的傳輸，傳輸可靠性要求高，網(wǎng)絡(luò)必須有良好冗余設(shè)計(jì)。

c）高帶寬。海上發(fā)射任務(wù)中需要進(jìn)行大量語音、數(shù)據(jù)以及圖像業(yè)務(wù)傳輸，較低的帶寬不能滿足發(fā)射任務(wù)需求。

d）抗毀性。如果某通信節(jié)點(diǎn)受海況等因素影響導(dǎo)致失效，應(yīng)迅速自動采取自動路由等措施滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。

無線寬帶網(wǎng)絡(luò)特性可以充分滿足上述要求，組網(wǎng)過程中應(yīng)充分利用無線寬帶構(gòu)建傳輸鏈路。

3.2 網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)

結(jié)合海上發(fā)射布局考慮，海上發(fā)射通信組網(wǎng)使用TCP/IP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)規(guī)劃，設(shè)計(jì)雙路由傳輸鏈路，提升傳輸可靠性。其中，傳輸層用于提供承載層設(shè)備之間的傳輸通道，由光纖通信、衛(wèi)星通信、無線寬帶等系統(tǒng)組成。發(fā)射船與保障船間采用無線寬帶通信設(shè)備使用自組網(wǎng)模式構(gòu)建點(diǎn)對點(diǎn)傳輸電路；保障船節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)端和近端指揮控制中心采用衛(wèi)星通信手段完成信息傳輸。傳輸層組織示意如圖2所示。

圖2 傳輸層組織示意Fig.2 Schematic diagram of transmission layer organization

網(wǎng)絡(luò)層建立在傳輸層之上，為各類業(yè)務(wù)信息提供接入和傳輸?shù)钠脚_，由廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)組成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用靜態(tài)路由協(xié)議和動態(tài)OSPF 路由協(xié)議相結(jié)合，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持組播協(xié)議。

分析以上網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)和信息傳輸模式，雖然能夠基本滿足海上發(fā)射中的信息傳輸保障，但依然存在以下不足：

a）抗毀性不足。雖然在傳輸層構(gòu)建了雙平面的傳輸路由，但是發(fā)射船火箭產(chǎn)生的關(guān)鍵信息只能通過2 路無線寬帶鏈路點(diǎn)對點(diǎn)傳輸至保障船節(jié)點(diǎn)。其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障或受干擾失效即造成一條鏈路中斷，如果因帶寬影響，業(yè)務(wù)無法實(shí)現(xiàn)雙路由備份傳輸，將會有造成相關(guān)業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

b）鏈路集中監(jiān)控缺乏。當(dāng)前無線通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控手段主要針對網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，對于傳輸層尤其是無線寬帶系統(tǒng)只采取點(diǎn)對點(diǎn)通信模式而未形成網(wǎng)絡(luò)，缺乏集中監(jiān)控手段。

3.3 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，提升抗毀性和管理性，以無線寬帶為基礎(chǔ)，構(gòu)建海上發(fā)射Mesh 組網(wǎng)模型。其中，規(guī)劃各船只上部署的無線寬帶設(shè)備，形成骨干節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建骨干Mesh 網(wǎng)絡(luò)，其他設(shè)備作為邊緣節(jié)點(diǎn)接入骨干網(wǎng)絡(luò)，形成骨干+接入的Mesh網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)通，如圖3所示。

圖3 基于Mesh的通信組網(wǎng)模型Fig.3 A Mesh based communication networking model

考慮到實(shí)際海上發(fā)射任務(wù)中負(fù)責(zé)各類保障任務(wù)的船只不固定，可根據(jù)實(shí)際參試船只構(gòu)建相應(yīng)的骨干節(jié)點(diǎn)。具體應(yīng)用來說，可以在原基礎(chǔ)上重新部署無線寬帶設(shè)備，設(shè)備可部署在同一保障船或其他保障警戒船只上，使用無線寬帶自組織模式與發(fā)射船之間構(gòu)建形成雙路由自組織Mesh 骨干網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅可以接受和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而且可以與一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信［3］。構(gòu)建形成的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)，不存在中心控制節(jié)點(diǎn)，由一組可以自由移動的節(jié)點(diǎn)組成，可以通過節(jié)點(diǎn)間的自我組織，隨時(shí)隨地自由形成一個(gè)移動的通信網(wǎng)［4］，信息自行選路傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性，確保了信息傳輸?shù)目煽俊?/p>

網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建過程中，分別在保障船節(jié)點(diǎn)和發(fā)射船節(jié)點(diǎn)部署路由器或交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，構(gòu)建各節(jié)點(diǎn)的雙路由局域網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)，保障船節(jié)點(diǎn)通過衛(wèi)星通信設(shè)備與遠(yuǎn)端或近端的指揮中心構(gòu)建雙路由鏈路，以遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的方式接入指控中心雙路由廣域網(wǎng)?？紤]保密通信要求，可以部署相應(yīng)的終端網(wǎng)絡(luò)加密設(shè)備或信道加密設(shè)備。雙路由選路策略由路由器或交換機(jī)采取靜態(tài)路由和OSPF 動態(tài)路由協(xié)議完成?；揪W(wǎng)絡(luò)組織關(guān)系如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)組織關(guān)系Fig.4 Network organization diagram

無線寬帶Mesh 自組織網(wǎng)絡(luò)可以部署統(tǒng)一的網(wǎng)管平臺，實(shí)施集中管控，完成拓?fù)涔芾怼顟B(tài)跟蹤、告警、流量監(jiān)控等功能管理，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)控Fig.5 Network topology monitoring

4 干擾分析及應(yīng)對措施

無線通信容易受到電磁干擾，也就是有用信號在接收過程中，由于其他無用信號通過直接耦合或間接耦合的方式進(jìn)入有用信號接收機(jī)而造成有用信號接收質(zhì)量下降、接收信息誤碼增加或丟包從而導(dǎo)致通信性能下降甚至通信障礙的狀態(tài)［5］。

根據(jù)無用信號與有用信號的關(guān)系，電磁干擾分為同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾及其他干擾。其中，同頻干擾包括寬帶和窄帶同頻干擾，是同頻率的無用信號進(jìn)入有用信號接收機(jī)而產(chǎn)生的干擾，一般無法通過濾波器去除，在無線寬帶組網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中較為常見，也較難消除。

某次近海發(fā)射任務(wù)時(shí)，在發(fā)射船?？扛劭谶M(jìn)行射前測試過程中，以無線寬帶設(shè)備為傳輸層鏈路構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)嚴(yán)重丟包，在單獨(dú)測試無線寬帶設(shè)備無異常的情況下，懷疑無線寬帶設(shè)備受到電磁干擾。使用頻譜監(jiān)測設(shè)備掃描周圍信號時(shí)，在發(fā)射船?？康母劭诜较虬l(fā)現(xiàn)無線寬帶同頻段的干擾信號，如圖6所示。使用便攜式頻譜監(jiān)測設(shè)備和頻譜監(jiān)測車針對該同頻干擾信號進(jìn)行測向和交叉定位，發(fā)現(xiàn)信號位于港口附近但無法確定精確位置。

圖6 干擾信號頻譜圖Fig.6 Interference signal spectrum diagram

多次監(jiān)測干擾信號，發(fā)現(xiàn)信號完全分布在無線寬帶設(shè)備使用的頻率寬度內(nèi)，但頻率和帶寬并不固定。使用頻譜監(jiān)測設(shè)備針對港口附近進(jìn)一步掃描其他頻段用頻設(shè)備的干擾信號，發(fā)現(xiàn)干擾信號頻率均分布在無線寬帶、超短波等用頻設(shè)備頻寬范圍內(nèi)（200～1 500 MHz），且設(shè)備開機(jī)時(shí)相關(guān)同頻干擾信號才出現(xiàn)。綜合分析上述現(xiàn)象可排除主動干擾源，應(yīng)為己方用頻設(shè)備多、港口環(huán)境復(fù)雜造成的未知寬帶同頻干擾。

針對寬帶同頻干擾，一般可采用監(jiān)測定位同頻干擾源，并采取直接管控的方式消除，使任務(wù)中無線通信設(shè)備不受同頻電磁干擾，確保信息傳輸不受影響。但針對上述同頻干擾，無法通過管控的方式消除。主要應(yīng)對措施包括：

a）架高天線。無線寬帶收發(fā)兩端同時(shí)架高天線，當(dāng)架高3 m左右時(shí)，在3 km通信范圍內(nèi)觀察干擾有所降低。

b）更換定向天線。原全向天線輻射范圍大，無法防止反射、折射后的無用信號的再次接收，更換為定向天線后，一定程度上規(guī)避了無用信號。

c）調(diào)整功率。通過調(diào)整兩端功率來增加信噪比，觀察發(fā)現(xiàn)信噪比提升時(shí)，干擾功率有所降低。

通過上述調(diào)整后，干擾信號有所下降，但并未完全消除，如圖7所示。直到發(fā)射船離港脫離電磁干擾環(huán)境后，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)干擾信號消失。

圖7 干擾信號頻譜圖Fig.7 Interference signal spectrum diagram

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，干擾信號還有可能采用窄帶信號發(fā)送。針對窄帶同頻干擾，Mesh 自組網(wǎng)系統(tǒng)通過感知偵測干擾頻率范圍，重新排布無干擾的頻譜資源，可有效避讓惡意干擾。系統(tǒng)具有識別并避讓帶內(nèi)任意位置、信干比不大于-10 dBc 的窄帶干擾，對于總累計(jì)帶寬小于工作帶寬60%的形式為單音、多音、多個(gè)窄帶，也具有明顯的抑制效果［6］。

針對鄰頻干擾、交調(diào)干擾及其他干擾，在設(shè)備中集成了濾波器部署了相應(yīng)算法軟件，可自動檢測并規(guī)避非工作頻段干擾。

5 結(jié)論

海上發(fā)射任務(wù)中，無線寬帶基于帶寬大、覆蓋廣、自組織、抗干擾等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。雙路由傳輸鏈路采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸電路，存在抗毀性和鏈路監(jiān)控不足等問題。基于無線寬帶構(gòu)建了Mesh 骨干網(wǎng)，改進(jìn)了海上發(fā)射通信組網(wǎng)模式。分析了實(shí)際發(fā)射任務(wù)中無線寬帶網(wǎng)絡(luò)受到干擾的情況，提出應(yīng)對措施，降低了干擾，為日后海上發(fā)射通信組網(wǎng)打下良好基礎(chǔ)。