具備反偵察與抗截獲特性的紫外光通信體制研究＊

魯遠曙

（海軍駐武漢地區通信軍事代表室 武漢 430079）

1 引言

“網絡中心戰”思想的提出在全球范圍內掀起了一場重大的軍事變革，同時推動著未來作戰模式由機械化向信息化模式的轉變。在這場變革中，通信能力已經成為支撐信息化作戰模式下作戰能力的核心要素之一。但隨著大量偵察、電子戰兵力和武器裝備用于戰場，將使得軍用無線通信的隱蔽性和安全性面臨巨大的威脅和挑戰，也對未來軍用無線通信技術體制的反偵察、抗截獲能力提出了更高的要求。

日盲紫外光（本文以下簡稱紫外光）通信技術作為一種新興的通信手段，使用紫外光這種與傳統通信系統完全不同的載波信號，能夠避開傳統電子戰系統的偵測和干擾。同時，紫外光信號具有良好的大氣吸收性，能夠有效控制信號輻射范圍，具有良好的反偵察和抗截獲能力。因此，利用紫外光通信技術，可以有效地實現一種具有良好反偵察和抗截獲能力的無線通信新體制。

美軍于上世紀60年代的中后期開始展開對紫外光無線通信技術的研究，并就紫外光在大氣中的散射及傳輸特性等具體技術細節進行了理論探討和試驗研究。2000年由美國GTE公司為美軍研制了一種實用的隱蔽式紫外光無線通信系統，并已裝備部隊。隨后至今，美軍在紫外光基礎器件技術方面持續投入，先后研制出紫外光光源及光電檢測半導體器件，進一步降低了紫外光無線通信系統的功耗，并實現端機的小型化。

2 紫外光大氣傳播特性分析

日盲紫外光具體是指波長在250～275nm范圍內的紫外光。根據有關研究，大氣層幾乎可以完全吸收由太陽發出的處于該波段范圍內的紫外光輻射，且自然界中也基本不存在此類天然輻射源。因而，波長處在該范圍的紫外光被稱為日盲紫外光。

總體上講，影響紫外光信號特性的主要因素包括紫外光在大氣信道上的傳播特性（即紫外光的大氣吸收、衰減以及散射特性等）和傳輸特性（即紫外光在大氣信道中的多徑傳輸特性以及紫外光脈沖延遲、展寬特性等）。

其中紫外光在大氣中傳播特性主要受大氣中氣體分子和氣溶膠顆粒對紫外光的吸收與散射作用的影響。大氣中的多種氣體分子對紫外光具有強烈地吸收作用，因而使得紫外光信號大氣傳播衰減速度極快，限制了信號的傳播距離。紫外光在不同環境中的具體傳播衰減特性在文獻［1～4］中有較為詳細的研究。此外，大氣中的氣體分子及氣溶膠顆粒對紫外光還具有較強的散射作用。Mark.R.Luettgen和Jeffrey H.Shapiro在1991年首次提出紫外光的單次散射模型，其模型示意圖如圖1所示［5］。

圖1 紫外光單次散射模型示意圖

然而，紫外光的實際散射過程卻更為復雜。在實際大氣信道中，紫外光的散射存在兩種主要散射形式，即瑞利散射和Mie散射。這兩種散射過程均不發生光的色散，且基本不損失能量。引起瑞利散射的主要原因是大氣分子的散射作用，而Mie散射主要是由大氣中各種不同的氣溶膠顆粒引起［6～7］。由于氣溶膠的成份不同，導致在Mie散射過程中入射光散射方向分布不均勻。因此，Mie散射的數學模型非常復雜，一般采用經驗公式來求出近似解。在不同天氣條件下，大氣中的主要散射顆粒尺寸不同，因而分析紫外光大氣散射特性的模型也有所不同。當天氣晴好時，主要的散射體為空氣分子，其半徑大約為10－4μm量級。由于其半徑遠小于紫外光波長，因而須采用瑞利散射模型描述相關散射現象。當有霧時，主要散射體為霧滴顆粒，半徑約為1～10μm量級；下雨時，雨滴顆粒的半徑約為102～104μm量級。此時，散射體顆粒半徑與紫外光波長可比（一般指散射體顆粒直徑大于波長0.03倍）［1］，則須采用Mie散射模型。由此可見，在晴好天氣下紫外光的散射主要以瑞利散射為主。而惡劣天氣條件下由于散射顆粒較大，主要以Mie散射為主。

如同其它無線通信系統，紫外光作為信號在大氣信道中的傳輸同樣會產生多徑效應，影響其在大氣信道上的傳輸特性。但由于紫外光本身信號傳播距離較短且傳播衰減效應強烈，導致與主路徑路程差較大的從路徑信號分量衰減嚴重，而路程差較小的從路徑信號分量與主路徑信號之間的傳輸時延較小。其最大多徑時延大約在μs級，因而使得紫外光信號在大氣信道上傳輸時具有一定的相干帶寬。

3 紫外光通信技術體制

紫外光通信技術體制的基本思想是利用紫外光信號取代傳統的射頻電磁波信號作為通信系統的載波，承載話音、數據等不同類型業務。紫外光通信系統的基本結構框圖如圖2所示。

圖2 紫外光通信系統基本結構框圖

從圖中可以看出，紫外光通信技術體制與傳統射頻通信技術體制基本相似，主要差別在于紫外光調制解調將信息調制到紫外光載波上完成通信過程。其中，紫外光調制解調、信道編解碼是技術體制中關鍵環節。

3.1 紫外光通信調制解調體制

應用于無線通信系統中的調制方式有很多種，如開關鍵控（OOK），頻率調制（FSK）、相位調制（PSK）、正交幅度調制（QAM）等。

但與傳統射頻載波信號相比，紫外光作為調制載波有其自身特點。首先，由于紫外光載波只能產生單極性信號，因而傳統的正弦載波調制方法不宜用于調制紫外光載波信號。其次，紫外光光源器件的物理特性也決定其不適宜長時間連續工作。因而紫外光調制體制應選用光通信技術中所普遍采用的脈沖位置調制技術（PPM）［8］。紫外光PPM調制原理框圖如圖3所示。

圖3 紫外光PPM調制原理框圖

對于一個L進制的PPM調制信號，其每個符號需占用L個脈沖時隙，設每個脈沖時隙為Tp。每個L進制的PPM符號可以攜帶的信息量為

該L進制的PPM信號的占空比為

信息傳輸速率為

根據式（2），當PPM信號進制數L增加時，其信號占空比會下降，有利于降低發射功耗。但根據式（3），當Tp一定時，信息傳輸速率R也會隨進制數L的增加而下降。因此，在選擇進制數L時需要在占空比與信息傳輸速率之間進行權衡。一般情況下，我們選擇4PPM或8PPM作為紫外光通信的主要調制體制。

在收端，通過紫外光信號檢測器將紫外光載波信號轉換為基帶電信號進行處理。L進制的PPM的基帶符號相互正交，可采用匹配濾波的方式進行正交解調，并采用軟解調算法提取接收符號的軟信息，配合信道編碼技術進一步提高信號接收性能。

3.2 紫外光通信信道編碼體制

為克服紫外光大氣信道傳輸特性和接收機背景噪聲對紫外光信號接收帶來的影響，需結合前向糾錯編碼和最大似然譯碼技術來提高紫外光通信的抗噪聲能力。根據文獻［9～10］的相關研究，相對于RS碼而言，卷積碼與PPM相結合可以獲得更好的誤碼率性能。因此，紫外光通信信道編碼體制主要使用卷積碼技術。同時，作為一類特殊并行卷積碼的Turbo碼也可以應用于紫外光通信技術體制中。

對卷積碼而言，不同的編碼約束深度將直接影響其碼字的碼間距和編碼增益。然而過大的編碼約束深度同時也會使譯碼復雜度和譯碼延遲大大增加。目前在無線通信系統中所普遍使用的一種卷積編碼體制是一種（2，1，7）卷積編碼。該卷積碼約束深度適中，結合維特比軟譯碼技術其編碼增益可以達到5.2dB。其編碼器結構如圖4所示。

圖4 （2，1，7）卷積碼編碼器結構圖

同時，表1也給出了其它不同深度的（2，1，X）卷積編碼的編碼矩陣及其相應的編碼增益。

表1 其它（2，1，X）卷積碼參數

此外，在紫外光通信信道編碼體制的設計中還可以進一步考慮 Ungerbock在文獻［11］中提出的編碼與調制相結合的思想，采用網格編碼調制技術，進行卷積編碼與L進制PPM調制的聯合設計。采用網格編碼調制技術后可在原有級聯系統的基礎上進一步提高紫外光通信技術體制的抗干擾性能。

從譯碼算法角度考慮，卷積碼一般采用基于最大似然概率技術的維特比譯碼算法（Viterbi），Turbo碼則采用基于最大后驗概率的MAP迭代譯碼算法。其中，MAP迭代譯碼算法結構復雜，且需要對整幀數據進行往復迭代譯碼，導致譯碼時延較大。而卷積碼所使用的維特比譯碼算法相對于MAP迭代譯碼算法而言復雜度較低，且可以進行基于數據流的連續譯碼，其譯碼結果可以連續輸出，譯碼時延較MAP迭代譯碼算法較小。因此，在使用紫外光通信系統承載如作戰指令、各種戰術信息等數據類業務時，可以采用Turbo碼和MAP迭代譯碼算法的技術體制，以保證相關數據的可靠傳輸。而當系統承載實時話音或視頻等基于流的實時業務時，應采用卷積碼結合維特比譯碼算法的技術體制，以提高通信的實時性。

4 紫外光通信技術體制的主要適用場景及發展趨勢

4.1 紫外光通信技術體制的主要適用場景

由于紫外光本身具有較強的大氣散射和吸收特性，能夠有效控制紫外光信號的傳播范圍，使得紫外光信號不易被監測和截收，具有極好的反偵察和抗截獲能力。因此，紫外光通信體制很適合在一定距離范圍內的隱蔽及保密通信場合使用。例如，特種戰術分隊在進行協同攻擊時使用紫外光通信體制進行戰術通信，可以完全避開敵方電子偵查系統的偵測，防止因通信信號造成的暴露。在海軍艦艇編隊航行中，配合平行紫外光源，采用定向發射方式，可有效擴展紫外光技術體制的通信距離，以取代傳統的信號燈和旗語通信方式，實現在編隊無線電靜默狀態下編隊成員間高速率的可靠通信。

其次紫外光有較強的繞射能力，可以實現在一定距離范圍內的非直視通信，該特性使其在結構復雜的地下工事、坑道、洞窟倉庫以及大型水面艦艇甲板、艙內的通信中有著廣泛的用途。例如，在航空母艦甲板通信中，紫外光通信與飛行甲板上其它復雜的電子系統之間具有良好的電磁兼容性，且能夠有效繞過飛行甲板上大型設備及飛機對通信的遮擋，為甲板操作人員提供可靠的通信保障。同時，也可有效避免甲板通信信號外泄導致被敵方電子戰飛機或衛星偵測、截獲甚至是定位。

4.2 紫外光通信技術體制的發展趨勢

目前，限制紫外光通信技術發展的主要瓶頸在于紫外光源及其檢測器件的水平。雖然市場上已經可以采購到紫外光源LED及其光電檢測器件，但種類與性能還不能滿足應用的需求。

隨著相關技術的發展，未來紫外光源及檢測等主要器件將對紫外光技術體制形成更有力的支撐：

1）具有多種不同波長紫外光的發射與檢測能力，幫助紫外光通信技術擴展紫外光信道個數，形成波分復用系統。

2）具備更強的發射功率和完善的功率控制功能，能夠有效擴展紫外光的有效通信距離并實現對紫外光信號覆蓋范圍的精確控制，保證紫外光技術體制的反偵察和抗截獲能力。

3）具有更快地響應速度和檢測靈敏度，提高紫外光調制發射與接收解調性能，進一步提高紫外光通信技術體制的符號傳輸速率。

同時，紫外光通信技術體制還將引入Ad Hoc相關組網關鍵技術，實現針對紫外光信號特點的多跳自組織網絡技術體制，進一步增強其組網通信能力，以適應更加復雜的應用場合。

5 結語

紫外光的大氣傳輸特性決定其能夠有效控制信號的覆蓋范圍，并具有良好的繞射能力，是一種有效的反偵察、抗截獲通信技術體制。未來隨著紫外光相關技術的發展與其通信技術體制的不斷完善，紫外光通信技術在隱蔽與保密通信領域中必將有著更為廣泛的應用。

［1］徐智勇，沈連豐，汪井源，等.無線光通信中紫外散射傳播特性的研究［J］.無線光通信，2009（11）：56～59

［2］倪國強，鐘生東，劉榴綈.自由大氣紫外光學通信的研究［J］.光學技術，2000，26：297～303

［3］向平.日盲紫外語音通信解調與解碼研究［C］.重慶大學光電工程學院碩士論文集，重慶：重慶大學.2009

［4］藍天，倪國強.紫外通信的大氣傳輸特性模擬研究［J］.北京理工大學學報，2003，23：419～423

［5］MARK.R.Luettgen，JEFFREY.H.Shapiro.Nonline-of-sight single-scat-ter propagation model［J］.Journal Optic Society of America，1991（8）：1964～1972

［6］李亦軍.單分散系微粒的 Mie散射計算［J］.應用光學，2005，26：9～11

［7］朱孟真，張海良，賈紅輝.基于Mie散射理論的紫外光散射相函數研究［J］.光散射學報，2007，19：225～229

［8］Aaron.Michael.Stark.Ultraviolet Non-Line of Site Digital Communications［J］.Electrical Engineering，vol.Master of Science.New Hampshire：University of New Hampshire，2003

［9］G.E.Atkin，H.P.Corrales.Orthogonal Convolutional Coding for the PPM Optical Channel［J］.Journal of Lightwave Technology，1989，7

［10］E.Forestieri，R.Gangopadhyay.Performance of Convolutional Codes in a Direct-Detection Optical PPM Channel［J］.IEEE Trans.On Communications，1989，37

［11］G.Ungerboeck.Channel coding with multilevel／phase signals［J］.IEEE Trans.on Inf.Theory，1982，28：55～67