艦載散射通信自主建鏈研究

李經(jīng)安，劉子龍，韓 軍，丁良輝

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，河北 石家莊 050081；2.上海交通大學(xué)，上海 200240）

0 引言

對(duì)流層散射通信是1種利用對(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(wú)線通信，可看作“依托高空對(duì)流層無(wú)源轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)的超視距通信”，是除衛(wèi)星通信、升空平臺(tái)中繼等有源轉(zhuǎn)發(fā)手段之外，唯一具備寬帶超視距通信能力的無(wú)線通信手段[1]。對(duì)流散射通信具有單跳跨距遠(yuǎn)、通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、受核爆影響小等突出優(yōu)點(diǎn)，可以跨越復(fù)雜地形（如湖泊、海灣、沼澤等）進(jìn)行全天候的可靠通信[2-3]。

散射既可以用于陸地超視距傳輸，又可用于海上傳輸，與陸上對(duì)流層散射通信相比，跨越海面的對(duì)流層散射通信具有以下優(yōu)勢(shì)：1） 無(wú)山體丘陵等突出遮擋，具有天然優(yōu)越的地形優(yōu)勢(shì)[4]；2） 海面?zhèn)鞑ピ鰪?qiáng)效應(yīng)明顯，信號(hào)衰減相對(duì)較少[5-6]；3） 海上經(jīng)常出現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)，大大降低了鏈路衰減，能夠支持高速率遠(yuǎn)距離通信[7]。

因此，國(guó)內(nèi)外散射通信逐步由固定架設(shè)、陸地機(jī)動(dòng)向海上“動(dòng)中通”應(yīng)用拓展。美國(guó)格子商品公司正在研制新型散射電臺(tái)[8]，目的是利用散射通信能力支持艦-艦、岸-艦通信，減小對(duì)衛(wèi)星通信的依賴，已于2019 年完成200 km 通信試驗(yàn)。Comtech 也正在開(kāi)展對(duì)流層散射“動(dòng)中通”技術(shù)研究，進(jìn)行了一系列海上超視距通信應(yīng)用的測(cè)試，結(jié)果證明，低功耗對(duì)流層散射是1 種在航行中提供船/岸高吞吐量通信的可行手段[9]。通過(guò)國(guó)外報(bào)道可以分析出，該艦載散射的建鏈方法仍是通過(guò)GPS 定位定向完成的散射建鏈和跟蹤[10-11]；我國(guó)早在2002 年就開(kāi)展了海上散射“動(dòng)中通”技術(shù)體制驗(yàn)證[12]，并形成樣機(jī)產(chǎn)品，經(jīng)歷了多次試驗(yàn)和驗(yàn)證[13-14]，取得了一系列成果，但同時(shí)系統(tǒng)存在一些需要克服的問(wèn)題：傳輸速率低、系統(tǒng)容量小、鏈路建立較困難等。近年來(lái)，隨著自適應(yīng)傳輸、新型分集等技術(shù)在散射通信中的逐步應(yīng)用[15]，散射通信能力得到了大幅提升，但散射自主建鏈仍是難題[16-17]。

由于散射通信鏈路的高衰減特性，需要通過(guò)高增益、窄波束方向性天線實(shí)現(xiàn)通信[18]。如何將通信雙方的窄波束互相對(duì)準(zhǔn)，是散射通信建立的前提?，F(xiàn)有艦載散射的開(kāi)通和建鏈主要依靠衛(wèi)通、短波等第三方通信手段交換通信雙方的位置信息，通過(guò)位置解算實(shí)現(xiàn)粗對(duì)準(zhǔn)。但是，在局域拒止環(huán)境下，衛(wèi)通、短波等第三方通信手段無(wú)法使用時(shí)，現(xiàn)有艦載散射通信建鏈機(jī)制將無(wú)法工作，因而迫切需要不依賴第三方通信手段的建鏈方法。通過(guò)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析，散射的建鏈方式主要通過(guò)第三方通信輔助手段完成信號(hào)的初始捕獲，再將通信信號(hào)進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)；而散射的自主建鏈尚未看到相關(guān)報(bào)道。

針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了1 種艦載散射的自主建鏈方法，通過(guò)使用不同波束寬度的散射天線，以不同旋轉(zhuǎn)角速度的旋轉(zhuǎn)來(lái)搜索目標(biāo)站臺(tái)方位，從而完成建鏈，解決位置信息無(wú)法獲得背景下的散射開(kāi)通問(wèn)題。

1 艦載散射自主建鏈方法

1.1 建鏈方法總述

本文所設(shè)計(jì)自主建鏈方案用不同波束寬度的天線進(jìn)行建鏈。建鏈過(guò)程中，兩站以不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行目標(biāo)站點(diǎn)搜索，建鏈完成后，再使用窄波束天線進(jìn)行通信。需要建鏈的兩站點(diǎn)被劃分為主站和從站：主站采用頻分雙工的方式進(jìn)行信號(hào)收發(fā)；從站一直處于掃描偵聽(tīng)狀態(tài)。建鏈時(shí)，主站主動(dòng)發(fā)起建鏈請(qǐng)求，從站接收到建鏈請(qǐng)求后向主站發(fā)送建鏈確認(rèn)信息；主站和從站分別從收到的信息中解析出對(duì)方的位置信息，從而完成建鏈。主、從站均為移動(dòng)站的自主建鏈?zhǔn)疽鈭D，如圖1所示，其中，主站采用離散式掃描，從站采用連續(xù)式掃描。單一移動(dòng)站的情況可以看作雙移動(dòng)站中主站對(duì)1個(gè)方位進(jìn)行掃描的情況。

圖1 雙移動(dòng)站散射通信系統(tǒng)自主建鏈?zhǔn)疽鈭DFig.1 Diagram of the link auto-creation in dual mobile station sacttering communication system

設(shè)主站波束寬度為α，從站波束寬度為β，主站掃描步長(zhǎng)為Δφ，開(kāi)始通信時(shí)刻為t1，結(jié)束通信時(shí)刻為t2，主站發(fā)送時(shí)長(zhǎng)和從站發(fā)送時(shí)長(zhǎng)的和為T(mén)，從站掃描角速度為ω。為了使主站在掃描1 周后可以完成建鏈，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)做以下約束。

1） 兩站波束寬度。以典型的拋物面天線為例，天線波束寬度如下：

式（1）中：λ和D分別表示工作波長(zhǎng)和天線口徑。在指定頻率條件下，兩站之間波束寬度α和β的改變，主要是通過(guò)天線口徑的改變獲得。同時(shí)，兩站的波束寬度會(huì)共同影響通信距離，此影響將在3.1 部分詳細(xì)闡述。因此，為了能在短時(shí)間內(nèi)完成建鏈，須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行天線口徑設(shè)計(jì)和頻率選擇。當(dāng)前典型的天線口徑為0.6 m、1.5 m 和2.4 m，工作在3 GHz 時(shí)，各天線對(duì)應(yīng)的波束寬度分別為11.7°、4.7°和2.9°。

2） 主站掃描步長(zhǎng)。主站以固定步長(zhǎng)在離散的方向進(jìn)行掃描，每個(gè)方向上掃描的時(shí)間應(yīng)至少保證從站能夠轉(zhuǎn)動(dòng)1圈。為了縮減系統(tǒng)建鏈時(shí)間且保證主站能實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋，則主站掃描步長(zhǎng)如下：

3） 從站掃描角速度。為了能在順利解析主站發(fā)送建鏈請(qǐng)求信息的同時(shí)降低建鏈所需時(shí)間，各參數(shù)約束條件如下：

由于自主建鏈過(guò)程中，建鏈雙方至少有一方的方位信息是未知的，這就需要在建鏈過(guò)程中傳輸位置信息。為了能在建鏈過(guò)程中獲得建鏈兩端的位置信息，本文設(shè)計(jì)了如圖2 所示的用于建鏈的數(shù)據(jù)幀，建鏈請(qǐng)求信息（Link Request，LReq）和建鏈確認(rèn)信息（Link Response，LRes）均采用該數(shù)據(jù)幀格式。其中，同步碼用于通信同步，位置信息用于建鏈，源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息用于判定是否為通信對(duì)象。

圖2 建鏈幀格式Fig.2 Frame structure used in link creation process

開(kāi)始建鏈時(shí)，主站隨機(jī)選擇角度開(kāi)始以步長(zhǎng)Δφ進(jìn)行全方位掃描。在固定角度掃描過(guò)程中，主站持續(xù)發(fā)送LReq 直到接收到LRes 或者等待1 個(gè)完整的時(shí)隙結(jié)構(gòu)（如圖3所示），之后步進(jìn)Δφ，重復(fù)上述過(guò)程。

圖3 建鏈時(shí)隙結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of time slot in link creation process

假設(shè)探測(cè)信號(hào)在兩站之間的傳播時(shí)間為T(mén)1、主站發(fā)送信號(hào)的時(shí)間為T(mén)2、從站發(fā)送信號(hào)的時(shí)間為T(mén)3、從站的掃描時(shí)長(zhǎng)為T(mén)4，則單個(gè)方向掃描的時(shí)隙長(zhǎng)度為2T1+T2+T3+T4。當(dāng)從站接收到LReq 之后，立即向主站發(fā)送LRes。主站和從站從LReq 和LRes 中分別解析出對(duì)端的位置信息，結(jié)合自身位置信息和姿態(tài)信息，通過(guò)計(jì)算可以獲得通信方位，從而完成建鏈。通信方位的計(jì)算[2]如圖4 所示。本站通過(guò)和目標(biāo)站的位置信息可以計(jì)算通信指向，并獲得該指向與真北方向的夾角θ。設(shè)天線當(dāng)前指向與真北方向的夾角為γ，則艦載散射天線須向通信方位旋轉(zhuǎn)角度Φ=θ-γ。

圖4 通信方位計(jì)算示意圖Fig.4 Diagram of communication bearing calculation

1.2 岸-艦散射通信自主建鏈

岸-艦散射通信指的是艦載“動(dòng)中通”散射通信站與1臺(tái)岸基固定散射站或多臺(tái)岸基固定散射站組成的通信網(wǎng)之間的通信。岸基站作為固定站點(diǎn)，其位置可以作為已知信息存入艦載“動(dòng)中通”散射站。岸-艦散射通信系統(tǒng)自主建鏈的示意圖如圖5 所示，這是雙移動(dòng)站的1種特殊情況，艦載站作為主站，岸基站作為從站。開(kāi)始建鏈時(shí)，由艦載站根據(jù)岸基站的位置選擇最佳岸基通信站點(diǎn)，計(jì)算通信方位。艦載站天線轉(zhuǎn)向通信方位后持續(xù)發(fā)送LReq 信號(hào)，等待岸基回復(fù)LRes。岸基站一直處于偵聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)接收到艦載站的LReq之后，岸基站根據(jù)LReq 中的位置信息計(jì)算通信方位，將窄波束天線指向通信方位，從而完成建鏈。

圖5 岸-艦散射通信系統(tǒng)自主建鏈?zhǔn)疽鈭DFig.5 Diagram of the link auto-creation in shore-to-ship system

建鏈流程分解如下。

1） 艦載站計(jì)算通信方位。艦載站獲取自身位置信息和姿態(tài)信息，根據(jù)已知的岸基站位置進(jìn)行通信方位計(jì)算。艦載站通過(guò)自身和岸基站位置信息可以計(jì)算通信指向。

2） 艦載站計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)計(jì)算出的通信方位和自身天線方位信息，將天線轉(zhuǎn)向通信方位。在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，艦載天線伺服或相控陣列需實(shí)時(shí)補(bǔ)償艦載站自身姿態(tài)變化的影響。

3） 艦載站發(fā)送建鏈請(qǐng)求。艦載站將波束指向岸基站，選擇合適的速率發(fā)送LReq。

4） 岸基站響應(yīng)建鏈請(qǐng)求。由于散射通信的窄波束特性，岸基固定散射站需要通過(guò)波束調(diào)整實(shí)現(xiàn)大范圍海域的覆蓋。在空閑時(shí)，岸基固定站按照預(yù)設(shè)的規(guī)則在規(guī)劃的覆蓋區(qū)域內(nèi)進(jìn)行波束掃描，接收散射通信信號(hào)。當(dāng)岸基站偵聽(tīng)到LReq 信號(hào)后，在接下來(lái)的時(shí)間T3內(nèi)發(fā)送LRes信號(hào)。

5） 完成建鏈。岸基站接收到LRes 信號(hào)后，根據(jù)LRes中的位置信息計(jì)算通信方位，兩站之間建立起通信鏈路。之后兩站便可以使用窄波束天線進(jìn)行通信和方位追蹤，從而完成建鏈。

1.3 艦-艦散射通信自主建鏈

2 艘艦艇在雙方均未知對(duì)方端位置的前提下，通過(guò)各自固有的窄波束定向天線掃描，接收到對(duì)端信號(hào)的概率極小，導(dǎo)致幾乎不可能實(shí)現(xiàn)超視距散射通信建鏈，存在耗時(shí)長(zhǎng)、建鏈成功率低的問(wèn)題。隨著相控陣列天線在艦船上的廣泛應(yīng)用，通過(guò)調(diào)整散射通信波束成為可能，可以使用寬天線波束、低通信速率實(shí)現(xiàn)建鏈，再通過(guò)窄天線波束實(shí)現(xiàn)高速通信。

設(shè)艦載站A、B 需要建立散射通信鏈路，兩站之間的主從關(guān)系需事先設(shè)定。此時(shí)兩站之間建立鏈路時(shí)典型的雙移動(dòng)站的自主建鏈流程可以分解如下。

1） 建鏈發(fā)起。艦載站A、B 以事先設(shè)定的主從關(guān)系開(kāi)始建鏈。主站以離散掃描的方式發(fā)起建鏈請(qǐng)求，從站以連續(xù)掃描的形式持續(xù)偵聽(tīng)主站的信息。

2） 建鏈請(qǐng)求信息發(fā)送。主站隨機(jī)選擇1 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，從絕對(duì)0°指向開(kāi)始，以波束寬度α持續(xù)發(fā)射LReq信號(hào)并等待從站的回復(fù)。若在時(shí)間2T1+T2+T3+T4內(nèi)收到建鏈請(qǐng)求回復(fù)，則建鏈成功；否則，旋轉(zhuǎn)角度Δφ，繼續(xù)執(zhí)行上述過(guò)程。

3） 建鏈請(qǐng)求信息回復(fù)。從站隨機(jī)選擇1 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，從絕對(duì)0°指向開(kāi)始，以波束寬度β，掃描角速度ω持續(xù)掃描偵聽(tīng)LReq 信號(hào)。若在接收時(shí)間內(nèi)收到LReq，則立刻發(fā)送LRes；否則，繼續(xù)執(zhí)行上述過(guò)程。

4） 計(jì)算通信方位。主、從站通過(guò)解析LReq 和LRes獲得對(duì)方的位置信息，然后進(jìn)行通信方位計(jì)算。

5） 完成建鏈。兩站轉(zhuǎn)向通信方位，并在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中補(bǔ)償自身姿態(tài)變化所產(chǎn)生的影響，完成建鏈。

2 岸-艦、艦-艦散射通信自主建鏈性能分析

在散射通信建鏈過(guò)程中，比較重要的2 個(gè)參數(shù)是可以進(jìn)行通信的距離以及建鏈所需花費(fèi)的時(shí)間。本節(jié)將著重分析主、從站的波束寬度和建鏈請(qǐng)求信息發(fā)送時(shí)隙T2對(duì)自主建鏈系統(tǒng)的性能影響，為系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中提供參考。

2.1 通信距離

在移動(dòng)通信中，通信距離是1個(gè)非常重要的指標(biāo)，其與天線波束寬度密切相關(guān)。在相同發(fā)射功率情況下，窄波束天線由于具有更好的方向性，在特定方向上具有更高的發(fā)射增益，能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信。以拋物面天為例，其增益G為：

設(shè)天線的發(fā)射功率和接收靈敏度分別為Pt和Pr，dBm；發(fā)送端天線增益和接收端天線增益分別為Gt和Gr，dBi；路徑損耗為L(zhǎng)，dB。所設(shè)參量之間的關(guān)系為：

其中，路徑損耗根據(jù)L.P.Yeh公式[19]可以表示為：

式（6）中：f表示鏈路使用頻率，MHz；d為收發(fā)天線大圓弧弧線距離，km；θ0為散射角，( °) ；Ns為鏈路大氣折射指數(shù)；Le為天線介質(zhì)耦合損耗，dB。Le可以表示為：

設(shè)Pt=56 dBm、Pr=-120 dBm、f=3 GHz、θ0=1°、Ns=310，則結(jié)合式（1）和（4）～（7），可以獲得如圖6所示的通信距離d隨波束寬度α和β的變化曲線。

圖6 系統(tǒng)通信距離隨波束寬度變化曲線Fig.6 Communication distance of different aperture antennas

該圖假設(shè)從站使用的是典型的3 種天線，口徑分別為0.6 m、1.5 m 和2.4 m，工作頻率為3 GHz，即β分別等于11.7°、4.7°和2.9°。從圖6 可以看出，當(dāng)β一定時(shí)，通信距離會(huì)隨α的增大而減小，對(duì)于固定的α，通信距離也會(huì)隨β的增大而減小。當(dāng)主站和從站均使用2.4 m 天線時(shí)，通信距離可以達(dá)到200 km；當(dāng)二者同時(shí)使用0.6 m天線時(shí)，通信距離會(huì)大幅減少到50 km。

2.2 建鏈時(shí)間

為了應(yīng)對(duì)瞬息多變的場(chǎng)景，散射通信系統(tǒng)自主建鏈的另一個(gè)非常重要的指標(biāo)為建鏈時(shí)間，它能在較短時(shí)間內(nèi)完成建鏈，以實(shí)現(xiàn)為戰(zhàn)場(chǎng)提供更及時(shí)有效的通信保障。本節(jié)將著重分析岸-艦散射通信自主建鏈和艦-艦散射通信自主建鏈所需時(shí)間的影響因素，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

2.2.1 岸-艦散射通信自主建鏈時(shí)間

在岸-艦散射通信系統(tǒng)中，岸基站為固定站，所以主站僅需通過(guò)計(jì)算即可獲得從站的通信方位。因而整個(gè)建鏈過(guò)程所需的時(shí)間Tc僅與從站的掃描時(shí)間相關(guān)，最大為2πω。由式（2）可得ω與從站波束寬度β和主站發(fā)送信號(hào)時(shí)隙T2的關(guān)系為：

從而可以獲得建鏈時(shí)間為：

最終可以獲得建鏈時(shí)間Tc與從站波束寬度β和消息發(fā)送時(shí)間T之間的關(guān)系如圖7 所示，圖中標(biāo)識(shí)了從站使用典型散射天線時(shí)的建鏈時(shí)長(zhǎng)。

圖7 不同參數(shù)情況下岸-艦散射系統(tǒng)建鏈時(shí)間變化曲線Fig.7 Curve of link creation time of shore-ship system under different parameters

從圖7 中可以看出，岸-艦系統(tǒng)自主建鏈過(guò)程可以在秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成，Tc與β、T之間的關(guān)系存在著以下規(guī)律。

1） 在相同的消息發(fā)送時(shí)間條件下：建鏈時(shí)間會(huì)隨著從站波束寬度β的增大而減少；但變化速率會(huì)隨著從站波束寬度的增大而逐漸變小。

2） 在相同的從站波束寬度條件下，建鏈時(shí)間會(huì)隨著消息發(fā)送時(shí)間的增大而增大。

2.2.2 艦-艦散射通信自主建鏈時(shí)間

相對(duì)于岸-艦系統(tǒng)而言，艦-艦系統(tǒng)的主站也需要進(jìn)行掃描，因而需要花費(fèi)更多的時(shí)間。艦-艦散射通信自主建鏈過(guò)程可以分解為多個(gè)岸-艦散射通信系統(tǒng)建鏈過(guò)程，數(shù)量為式（2）中的N，其余的推導(dǎo)均和岸-艦散射通信系統(tǒng)相同。故結(jié)合式（2）（9）可以獲得艦-艦系統(tǒng)建鏈所需時(shí)間為：

通過(guò)式（10）可以發(fā)現(xiàn)，與岸-艦系統(tǒng)所不同的是，主站波束寬度不僅影響系統(tǒng)的通信距離，也影響系統(tǒng)建立鏈接的時(shí)間。圖8 展示了信息發(fā)送時(shí)間T=100 ms時(shí)，不同從站波束寬度情況下，艦-艦散射通信系統(tǒng)建鏈時(shí)間隨主站波束寬度α變化的曲線。從站依舊選用典型的拋物面天線。

圖8 不同參數(shù)情況下艦-艦散射系統(tǒng)建鏈時(shí)間變化曲線Fig.8 Curve of link creation time of ship-to-ship system under different parameters

從圖8 中可以看出，艦-艦系統(tǒng)建鏈時(shí)間與α、β之間存在以下規(guī)律。

1） 從站波束寬度β和信息發(fā)送時(shí)間T相同的情況下，建鏈時(shí)間隨著主站波束寬度α的增大而減小。當(dāng)T=100 ms、α=2.9°、β=2.9°時(shí)，艦-艦系統(tǒng)需要花費(fèi)幾十分鐘完成建鏈。當(dāng)主、從站均采用0.5 m 天線，即波束寬度均為11.7°時(shí)，系統(tǒng)可以在2 min內(nèi)完成建鏈。

2） 從站波束寬度β對(duì)艦-艦系統(tǒng)建鏈時(shí)間的影響和對(duì)岸-艦系統(tǒng)的影響相同。如圖中相同的圖標(biāo)標(biāo)注所示，在α不變的情況下，隨著β的增大，系統(tǒng)建鏈所需時(shí)間會(huì)逐漸減少。

3 結(jié)論

目前，散射通信的建鏈主要依靠北斗及短波，或者預(yù)設(shè)陣地，散射通信尚未有合適的自主建鏈方法。本文提出的自主建鏈系統(tǒng)在理論上證明了散射通信系統(tǒng)自主建鏈的可行性。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是岸-艦系統(tǒng)還是艦-艦系統(tǒng)，在滿足通信距離和天線波束寬度要求的前提下，都可以通過(guò)此方案在分鐘級(jí)時(shí)間內(nèi)完成建鏈。同時(shí)，該方法也可用于現(xiàn)有地面散射通信系統(tǒng)，在局域拒止環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)散射的快速建鏈。