海島散射通信應用研究

曹 誠， 鞠茂光， 朱華進

（海軍通信應用研究所，北京 100841）

0 引言

自上世紀五十年代以來，在通信領域內最突出的成就之一就是發現了電磁波的散射傳輸現象，即通信波束在大氣層中產生了主要能量集中于前方的前向彎管超視距傳輸，其中利用通信波束在高空10～12 km以下對流層中產生的散射現象進行通信的方式稱為對流層散射通信。散射理論認為，電波在對流層中的散射傳播是湍流不相干散射傳播，由于在對流層中不斷產生大氣渦流（湍流），使溫度、濕度和氣壓產生隨機變化，引起大氣折射指數N發生變化，（各處介電常數ε不同，且隨機變化），當電磁波進入這種折射指數不斷起伏的區域（稱公共體積或者散射體），利用大氣的不均勻性產生散射，部分前向散射波落到接收天線的波束內，就形成超視距傳播。

由于散射通信工作在超短波和微波波段，單跳距離遠，通信容量大，傳播信道穩定，可靠性高，抗干擾、抗毀、抗截獲能力強等特點，已經在現代通信中廣泛應用，特別是在軍事通信和遠離大陸的海島通信中能夠發揮重要的作用。

1 海島散射通信理論依據

通過分析海島通信應用需求可知，實現海島與大陸或者海島間的通信方法很多，有海底光纜、衛星、微波通信等多種方式。采用海底光纜雖然可以實現可靠的海島間及海島對大陸間的通信，但是海底光纜建設成本昂貴，而且容易受艦船、海浪的沖擊而損毀，維護保養難度大。海島間或者海島與大陸間的通信鏈路往往為中遠距離，如果采用衛星通信既不能發揮其長距離通信的優勢，又需要占用大量通信資源，在通信距離通常小于200 km的海島通信鏈路中衛星通信并非首選。微波通信作為視距內通信，如果海島間或者海島與大陸間距離超過50 km，采用微波通信需要中繼，容易造成通信信號衰減，通信質量下降等問題。

作為中遠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。一是單跳跨距遠，通常可達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8 Mb/s以上，目前國際上已成功實現了40 Mb/s的傳輸速率；三是對流層傳播信道穩定，支持全時域、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境的影響；四是抗干擾、抗截獲能力強、抗毀性能好，是其它通信方式不可比擬的。另外，海島散射通信鏈路要經過海面上空傳播，按照瑞利分布的散射信道傳播模式進行統計，海上的散射年中值電平比陸地要高6～10 dB；海上還常常呈現規則、不規則層反射及大氣波導現象，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在海上的通信性能大大優于在陸地上的使用性能。在同樣的設備能力下，可獲得海上傳輸容量或單跳通信距離的大幅度提升；而為了實現同等容量和通信距離的信息傳輸，散射通信對設備能力(發射功率、天線口徑)等的要求顯著低于陸地傳播需求[1]。

綜上所述，由于散射通信的突出特點，在海島通信應用中，利用散射通信既能夠有效彌補使用光纜、衛星、微波、短波等通信手段帶來的不便，又可以實現超視距、高質量、變帶寬的可靠海島無線通信。

2 散射通信關鍵技術

散射傳輸系統通常由兩個通信端站組成，可實現點對點散射通信，能夠完成數據和話音的傳輸，如果海島間距離或者海島與大陸間通信距離過遠，也可通過建立中繼站的方式達成散射通信。通常一個端站設備包括用戶室內單元（復用設備一臺、散射通信低頻設備一臺）、室外單元（散射通信高頻設備兩臺）、天線及配套電纜等。散射通信系統組成框圖如圖1所示。中繼通信系統組成框圖如圖2所示。

圖1 散射通信系統組成框

圖2 中繼方式通信組成框

散射通信通常采用多重分集接收及最佳合并、BPSK調制和相干檢測、固態功率放大器、語音編解碼、自適應均衡、糾錯等先進技術，使得設備性能穩定可靠，體積小、重量輕、工耗低，通信質量高。

2.1 分集接收及最佳合并技術

在實際的散射通信系統中，信號經過散射傳播路徑后，到達接收端的信號往往是多個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隨機起伏變化，形成多徑衰落，不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會使復合信號相互抵消或者增強，導致嚴重的衰落。分集接收技術是一項主要的抗衰落技術，它可以大大提高多徑衰落信道傳輸下的可靠性。分集的基本原理是通過多個信道（時間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個副本，由于多個信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落就不會相同，接收機使用多個副本包含的信息能夠比較正確的恢復出原發信號。如果不采用分集技術，在噪聲受限的條件下，發射機必須要發送較高的功率，才能保證信道情況較差時鏈路正常連接。而采用分集方法可以降低發射功率，這在散射通信中非常重要。

在散射通信系統中，當信號接收端取得若干條相互獨立的支路信號以后，可以通過合并技術來得到分集增益。從合并所處的位置來看，合并可以在檢測器以前，即在中頻和射頻上進行合并，且多半是在中頻上合并，合并也可以在檢測器以后，即在基帶上進行合并。合并時采用的準則與方式主要分為最大比值合并（MRC）、等增益合并(EGC)，選擇式合并(SC)和切換合并[2]。由于最大比值合并的性能最好，在散射通信系統中通常采用最大比值合并技術。

2.2 自適應均衡技術

散射通信設備除具有接收信號微弱且時變的特點之外，因其傳輸速率較高，所占據的信號帶寬很寬，經由對流層散射信道傳輸時，受到頻率選擇性衰落的影響嚴重，導致接收信號頻譜產生失真。這時，由多徑傳播引入的雙邊多徑時延展寬與傳輸符號寬度的比值（2/Tσ）會很大，在時域上就表現為十分嚴重的符號間干擾，從而使系統引入不可減小誤碼，嚴重時系統無法實現正確判決。因此，符號間干擾是散射信號傳輸中所遇到的首要問題，在信號的接收端必須采取有效措施來消除這種符號間的相互干擾。

自適應均衡技術的基本原理是對信號在不同時延上乘以自適應于信道狀態的復數加權值，然后予以合并。一般散射通信設備的調制解調器采用抽頭延遲線濾波器實現自適應均衡，濾波器的加權系數與信道自適應，以去除信道時延展寬引入的符號間干擾。自適應均衡使用的最佳化準則為最小均方誤差（MMSE）準則。在MMSE準則下，均衡器自動調整加權系數向量，使輸出誤差的均方值達到最小。用來尋找使誤差性能函數最小的最佳權矢量的算法采用最小均方（LMS）自適應算法。LMS算法的優勢在于它的簡易性和有效性，由于對流層散射信道的時變速率比信息傳輸速率要慢得多，所以，采用LMS算法的自適應均衡器能夠跟蹤信道的響應[3]。

3 海島散射通信端站建設要求

由于海島屬高溫、高鹽、潮濕的海洋性氣候環境，雷電和臺風較多，雨季時間較長，對通信設備特別是室外通信設備的材質、安裝要求較高。同時，由于散射通信本身對地域和空域的特殊要求，在海島上建設散射通信端站有別與其它通信設備之處。特殊要求有：

①散射通信是利用10～12 km以下的對流層產生散射現象進行通信的，由于發生散射現象空域離地面較近，為避免地面建設物或者高山、樹木等對信號傳播遮擋造成的影響，必然確保在信號傳播前言至少2 km范圍內無高大的建筑物或者自然遮擋物；

②為防止高溫、鹽霧等對海島散射通信設備造成的腐蝕、鹽蝕等損害，海島散射通信室外單元，特別是天線等設備必須做好“三防”，在臺風較多地帶要加裝必要的防風罩；

③為防止由于信號衰減造成通信質量下降等問題，散射通信室外單元與室內單元相隔不應太遠，一般確保在20 m距離范圍內，天線與室外單元距離在3 m范圍內為佳。

4 結語

散射通信是利用對流層產生的散射現象達成通信的，由于其傳播距離，傳播速率快，傳輸容量大，可靠穩定等優點，已廣泛應用在中遠距離的無線通信和軍事通信中。由于海島地理環境和氣候環境的特殊要求，同采用其它通信手段相比，采用散射通信手段達成海島間或者海島與大陸間的通信是一種既便宜有可靠的通信方法。近年來，隨著對散射通信技術的不斷深入研究，散射通信的使用范圍在不斷在擴大，在無線通信中發揮的作用越來越大。

[1] 王曉春,秦建存.散射通信海上應用研究[J].工程實踐與應用技術,2008,34(03)：62-64.

[2] 陳志元,任欣.對流層散射通信新技術及其軍事應用[EB/OL].（2009-07-01） [2010-05-1O]. http：//wenku.baidu.com/view/7c5a6a4ac850ad02de8041fe.html.

[3] 葉朝天.DTR91散射通信設備在島嶼通信中的應用研究[J].工程實踐與應用技術,2010,36(01)：58-60.