郝英川，甘啟光，賈夢媛

(1.海軍駐石家莊地區(qū)通信軍事代表室，河北石家莊050081;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

對流層散射通信，是一種利用對流層媒質(zhì)對電磁波的前向彎管傳輸效應(yīng)的超視距通信方式。對流層散射傳播理論［1，2］認(rèn)為，在對流層中不斷產(chǎn)生大氣渦流，使得它的溫度、濕度和氣壓產(chǎn)生隨機(jī)變化，相應(yīng)的相對介電常數(shù)ε和大氣折射指數(shù)N在某個(gè)平均值附近變化;當(dāng)電磁波進(jìn)入這種折射指數(shù)不斷起伏的區(qū)域(稱散射體)，利用大氣的不均勻性產(chǎn)生散射，大部分前向散射波落在接收天線的波束內(nèi)，就形成了超視距傳輸。

散射通信由于具有單跳跨距大、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定，而且方向性強(qiáng)、保密性好，具有較強(qiáng)的抗偵收、抗干擾、抗毀和抗核爆能力等優(yōu)點(diǎn)，使其在現(xiàn)代軍事通信中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在岸島之間和遠(yuǎn)離大陸的島嶼通信中占有了重要的地位。

1 島嶼散射通信應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

作為中遠(yuǎn)程鏈路通信中的一種成本效益高的通信手段，對流層散射通信有著其突出的通信特點(diǎn)。一是單跳跨距遠(yuǎn)，通?？蛇_(dá)100～600 km，并且有明顯的“越障”能力;二是通信容量比短波、超短波通信大得多，可達(dá)8 Mb/s以上;三是對流層傳播信道穩(wěn)定，支持全時(shí)域和全天候工作，基本不受雷電、極光、磁暴和太陽黑子等惡劣自然環(huán)境的影響。另外，還具有以下優(yōu)點(diǎn):

①在島嶼應(yīng)用的散射通信站的天線面向大海，前方無地物地貌遮擋，具備天然優(yōu)越的應(yīng)用條件;

②島嶼散射通信鏈路要經(jīng)過海面上空傳播，按照瑞利分布的散射信道傳播模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，海上的散射年中值電平比陸地要高6～10 dB［3］;

③海上還常常呈現(xiàn)規(guī)則、不規(guī)則層反射及大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，造成了通信信號異于陸地的反常傳播，這使得散射通信系統(tǒng)在海上的通信性能大大優(yōu)于在陸地上的使用性能;

④在同樣的設(shè)備能力下，可獲得海上傳輸容量或單跳通信距離的大幅度提升。

綜上所述，由于散射通信的突出特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在島嶼間通信中，可以實(shí)現(xiàn)超視距、高質(zhì)量、變帶寬的可靠無線通信。

2 系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

散射通信鏈路由2個(gè)通信端站組成，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)散射通信，能夠完成數(shù)據(jù)、話音、視頻和雷情信息的傳輸，如果島嶼間距離或者島嶼與大陸間通信距離過遠(yuǎn)，超出設(shè)備單跳傳輸能力，可以通過鏈狀組網(wǎng)的方式或者建立中繼站的方式延伸通信距離。通常一個(gè)端站設(shè)備包括2面拋物面天線、2套功率放大器室外機(jī)、2套功率放大器室內(nèi)機(jī)、2套收發(fā)信機(jī)、1套調(diào)制解調(diào)器、晶振單元和集中監(jiān)控設(shè)備等配套設(shè)備。端站散射通信設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 散射通信設(shè)備組成

為實(shí)現(xiàn)島嶼間對流層散射通信網(wǎng)的可靠通信，采用的關(guān)鍵技術(shù)主要有:

①解決了承載業(yè)務(wù)需要更高通信質(zhì)量的問題。專門開發(fā)一種新波形，對多重分集接收、信道均衡［4，5］與高效糾錯(cuò)編碼［6，7］進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，使誤碼率大幅降低，通信質(zhì)量升高至優(yōu)質(zhì)鏈路(誤碼率≤1×10－7)水平;

②解決了低緯度海島地區(qū)散射通信鏈路性能較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)問題。經(jīng)過對某低緯度海島地區(qū)整年重點(diǎn)時(shí)段的散射鏈路觀測，獲得了重點(diǎn)時(shí)段的鏈路數(shù)據(jù)，可以對類似海島地區(qū)散射鏈路的傳輸損耗以及年傳播可靠度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

2．1 新波形及其性能分析

信號經(jīng)過散射傳播路徑后，到達(dá)接收端的信號往往是多個(gè)幅度和相位各不相同的信號的疊加，使接收到的信號幅度出現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，形成多徑衰落，不同路徑的信號分量具有不同的傳播時(shí)延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會(huì)使復(fù)合信號相互抵消或者增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。常用的抗多徑技術(shù)手段有失真自適應(yīng)(DAR)和自適應(yīng)均衡(AE)。

DAR要求發(fā)送信號基帶碼元留有抗碼間干擾保護(hù)間隔，基帶符號成型必須是完全響應(yīng)而不能是部分響應(yīng)。收發(fā)通道上的各種失真如濾波器帶內(nèi)不平造成的接收符號展寬，若不超過保護(hù)間隔，DAR接收機(jī)仍可正常工作。但是，DAR接收機(jī)的抗碼間干擾保護(hù)間隔不可能大于1個(gè)符號，而且，大的發(fā)收通道幅頻特性畸變將嚴(yán)重影響接收性能。而對于AE來說，AE的抗碼間干擾能力很容易達(dá)到4～8個(gè)符號，僅收發(fā)通道幅頻畸變引起的碼元擴(kuò)展不會(huì)高于2個(gè)符號;因此，收發(fā)通道硬件設(shè)計(jì)上的瑕疵對AE接收機(jī)基本無影響。

2.1.1 新波形的實(shí)現(xiàn)

新波形對現(xiàn)有DAR和AE體制進(jìn)行了綜合:在發(fā)送端仍然采用帶內(nèi)兩頻，兩頻發(fā)送相同信息構(gòu)成2重頻率分集;接收端采用8通道AE解調(diào)，同時(shí)在傳輸碼流中插入訓(xùn)練信息使均衡器穩(wěn)定地收斂于絕對相位;在此基礎(chǔ)上引入一種3/4碼率的LDPC幾何碼作為信道糾錯(cuò)編碼。

發(fā)送波形采用帶內(nèi)兩頻交疊升余弦方式，兩頻中心頻點(diǎn)間隔7 MHz。原始信息速率2 304 kb/s，使用 3/4 LDPC［8］編碼后速率為 3 072 kb/s，發(fā)送信號頻譜如圖2所示。

圖2 發(fā)送信號頻譜

2.1.2 新波形性能分析

為測試及分析新波形在變參信道下的性能，采用搭建室內(nèi)測試平臺(tái)的方法對新波形的性能進(jìn)行測試。其中用2臺(tái)Spirent公司的SR5500仿真器來模擬四重顯分集不同信噪比、不同衰落模型下的信道。為了使測試環(huán)境逼近設(shè)備真實(shí)的工作狀態(tài)，SR5500仿真器的收發(fā)接口的頻率段覆蓋4．4～5 GHz。

此外，信道使用等延遲多徑瑞利衰落模型來初步模擬非反常傳播情況下的實(shí)際信道。多徑數(shù)隨多徑展寬而增多，為7～14個(gè)，衰落速率5 Hz。以7徑模型為例，各徑延遲及相對衰減如圖3所示。

圖3 7徑信道模型

測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 四重顯分集下新波形有糾錯(cuò)誤碼性能

根據(jù)圖4的測試結(jié)果，可分析得出:

①新波形在2σ/T=0．25時(shí)就已獲得了較好的隱分集性能，在2σ/T≥0．5時(shí)，可以達(dá)到4重空間分集+2重帶內(nèi)頻率分集的理論性能，減少了大突發(fā)誤碼出現(xiàn)的概率;

②新波形在多徑瑞利信道下位同步能力很好，當(dāng)2σ/T≥0．25、Eb/N0=0 dB 時(shí)保持時(shí)間大于5 min;

③新波形對不同氣候條件、不同通信距離引起的多徑彌散寬度變化有更好的適應(yīng)能力，可適應(yīng)不同地區(qū)不同距離的應(yīng)用場合。

④群路糾錯(cuò)編碼對于改善系統(tǒng)性能具有明顯效果，在2σ/T≥0．25、BER=1 ×10－6時(shí)編碼增益可達(dá)5～6 dB。

根據(jù)通信設(shè)備在某島嶼地區(qū)的實(shí)際工作表現(xiàn)，新波形能更好地適應(yīng)不同的信道傳輸模型，并能對窄帶干擾進(jìn)行有效抑制，有效改善了信道傳輸質(zhì)量。

2．2 海上信道傳播特性分析

按照一般規(guī)律，島嶼散射通信鏈路在經(jīng)過海面上空傳播，依瑞利分布的散射信道傳播模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，海上的散射年中值電平比同緯度的陸地要高6～10 dB;而且海上還常常呈現(xiàn)規(guī)則、不規(guī)則層反射及大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，這使得散射通信系統(tǒng)在海上的通信性能大大優(yōu)于在陸地上的使用性能。但是這些只是理論上的推算和假設(shè)，還沒有與實(shí)際的散射通信鏈路去檢驗(yàn)、驗(yàn)證，更沒有進(jìn)行實(shí)際的鏈路電測。

利用某低緯度島嶼已經(jīng)建成的散射通信鏈路，通過特殊的測試設(shè)備，對不同的散射通信鏈路的傳播特性進(jìn)行了實(shí)地測試［8］。根據(jù)近半年的時(shí)間的測試結(jié)果，對位于低緯度島嶼地區(qū)的散射信道傳播特性有了更準(zhǔn)確的理解，典型的測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 鏈路測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，可以得出如下結(jié)論:

①實(shí)際的測試結(jié)果比根據(jù)《ITU-R P．617》的預(yù)測結(jié)果要好;

②在較大區(qū)域內(nèi)，長期的鏈路傳播特性具有相似性;

③通過測試并觀察，在一條鏈路上其傳播特性變化比較劇烈，而且持續(xù)時(shí)間較短。

3 站點(diǎn)建設(shè)要求

島嶼屬于高溫、高鹽、高濕的海洋性氣候環(huán)境，雷電和臺(tái)風(fēng)較多，下雨過程比較頻繁，對散射通信設(shè)備特別是室外部分的通信設(shè)備材質(zhì)、防腐處理、防雷設(shè)計(jì)和安裝要求較高。同時(shí)，由于散射通信本身的設(shè)備特點(diǎn)及在島嶼上特殊的地理環(huán)境、使用環(huán)境限制，建設(shè)散射通信站點(diǎn)［9］有別與其他通信設(shè)備之處，特殊要求有:

①島嶼上一般具有多種電子設(shè)備，覆蓋了很寬的頻段，而且還有其他的強(qiáng)電磁輻射源，因此對站點(diǎn)的頻譜電測非常重要，因此，根據(jù)電測結(jié)果要對散射通信設(shè)備的安裝位置和電磁兼容進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)和處理;

②為防止高溫、鹽霧等對島嶼散射通信設(shè)備造成的腐蝕、鹽蝕等損害，島嶼散射通信室外設(shè)備，特別是天線等設(shè)備必須做好“三防”處理;在波導(dǎo)、電纜連接處要做好防水處理，以防雨水進(jìn)入導(dǎo)致鏈路通信質(zhì)量下降甚至中斷;

③散射通信設(shè)備一般配置有大功率的發(fā)射機(jī)，而且工作在微波頻段，因此要在天線的近場區(qū)安裝圍欄或者設(shè)置警示牌，畫出警戒線，以防人員進(jìn)入和駐留。

4 結(jié)束語

對流層散射通信作為遠(yuǎn)程骨干網(wǎng)和超視距地域網(wǎng)中的重要傳輸手段，具有良好的技術(shù)基礎(chǔ)與使用經(jīng)驗(yàn)，而且還在不斷地?cái)U(kuò)展和豐富應(yīng)用范圍。根據(jù)已有散射通信鏈路傳播特性進(jìn)行了分析［10］，不僅可以為現(xiàn)有通信鏈路的改造升級提供了準(zhǔn)確的理論依據(jù)和技術(shù)支持，還為未來島嶼間及相似地域的散射通信鏈路建設(shè)提供了更為真實(shí)、準(zhǔn)確的理論支撐。

［1］ 劉圣民，熊兆飛．對流層散射通信技術(shù)［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1981．

［2］ 張明高．對流層散射傳播［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

［3］ 葉天朝．DTR91散射通信設(shè)備在島嶼通信中的應(yīng)用研究［J］．無線電通信技術(shù)，2010，36(1)：58 －60．

［4］ 高自新，吳新華，吳慧．大容量散射調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究［J］．無線電工程，2008，38(6)：53 －55．

［5］ 刁樹林，鐘劍波．時(shí)域自適應(yīng)均衡技術(shù)的分析與應(yīng)用［J］．無線電工程，2009，39(9)：44 －47．

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［7］ WEI Wu，HONG Sang-jin，YOO Do-Sk．Block Length of LDPC Codes in Fading Channels［C］//USA：Vehicular Technology Conferance，the 57 th IEEE Semiannual，2003(3)：1876 －1888．

［8］ 劉麗哲．新型散射信道測試機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．無線電工程，2012，42(11)：48 －50．

［9］ MIL-HDBK-417．美國軍用手冊－對流層散射的簡便設(shè)計(jì)［S］．

［10］趙玉超，秦建存，劉麗哲．對流層散射通信傳輸損耗預(yù)計(jì)方法分析［J］．無線電工程，2013，43(03)：62 －64．