散射通信在島嶼中的應用及傳播特性分析

郝英川，甘啟光，賈夢媛

(1.海軍駐石家莊地區通信軍事代表室，河北石家莊050081;2.中國電子科技集團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對電磁波的前向彎管傳輸效應的超視距通信方式。對流層散射傳播理論［1，2］認為，在對流層中不斷產生大氣渦流，使得它的溫度、濕度和氣壓產生隨機變化，相應的相對介電常數ε和大氣折射指數N在某個平均值附近變化;當電磁波進入這種折射指數不斷起伏的區域(稱散射體)，利用大氣的不均勻性產生散射，大部分前向散射波落在接收天線的波束內，就形成了超視距傳輸。

散射通信由于具有單跳跨距大、傳輸質量穩定，而且方向性強、保密性好，具有較強的抗偵收、抗干擾、抗毀和抗核爆能力等優點，使其在現代軍事通信中得到了廣泛的應用，特別是在岸島之間和遠離大陸的島嶼通信中占有了重要的地位。

1 島嶼散射通信應用優點

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;三是對流層傳播信道穩定，支持全時域和全天候工作，基本不受雷電、極光、磁暴和太陽黑子等惡劣自然環境的影響。另外，還具有以下優點:

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

②島嶼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［3］;

③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;

④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。

綜上所述，由于散射通信的突出特點，非常適合應用在島嶼間通信中，可以實現超視距、高質量、變帶寬的可靠無線通信。

2 系統組成及關鍵技術

散射通信鏈路由2個通信端站組成，實現點對點散射通信，能夠完成數據、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，超出設備單跳傳輸能力，可以通過鏈狀組網的方式或者建立中繼站的方式延伸通信距離。通常一個端站設備包括2面拋物面天線、2套功率放大器室外機、2套功率放大器室內機、2套收發信機、1套調制解調器、晶振單元和集中監控設備等配套設備。端站散射通信設備組成如圖1所示。

圖1 散射通信設備組成

為實現島嶼間對流層散射通信網的可靠通信，采用的關鍵技術主要有:

①解決了承載業務需要更高通信質量的問題。專門開發一種新波形，對多重分集接收、信道均衡［4，5］與高效糾錯編碼［6，7］進行了聯合優化設計，使誤碼率大幅降低，通信質量升高至優質鏈路(誤碼率≤1×10－7)水平;

②解決了低緯度海島地區散射通信鏈路性能較準確的預報問題。經過對某低緯度海島地區整年重點時段的散射鏈路觀測，獲得了重點時段的鏈路數據，可以對類似海島地區散射鏈路的傳輸損耗以及年傳播可靠度進行較為準確的預報。

2．1 新波形及其性能分析

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。常用的抗多徑技術手段有失真自適應(DAR)和自適應均衡(AE)。

DAR要求發送信號基帶碼元留有抗碼間干擾保護間隔，基帶符號成型必須是完全響應而不能是部分響應。收發通道上的各種失真如濾波器帶內不平造成的接收符號展寬，若不超過保護間隔，DAR接收機仍可正常工作。但是，DAR接收機的抗碼間干擾保護間隔不可能大于1個符號，而且，大的發收通道幅頻特性畸變將嚴重影響接收性能。而對于AE來說，AE的抗碼間干擾能力很容易達到4～8個符號，僅收發通道幅頻畸變引起的碼元擴展不會高于2個符號;因此，收發通道硬件設計上的瑕疵對AE接收機基本無影響。

2.1.1 新波形的實現

新波形對現有DAR和AE體制進行了綜合:在發送端仍然采用帶內兩頻，兩頻發送相同信息構成2重頻率分集;接收端采用8通道AE解調，同時在傳輸碼流中插入訓練信息使均衡器穩定地收斂于絕對相位;在此基礎上引入一種3/4碼率的LDPC幾何碼作為信道糾錯編碼。

發送波形采用帶內兩頻交疊升余弦方式，兩頻中心頻點間隔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，發送信號頻譜如圖2所示。

圖2 發送信號頻譜

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，采用搭建室內測試平臺的方法對新波形的性能進行測試。其中用2臺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。為了使測試環境逼近設備真實的工作狀態，SR5500仿真器的收發接口的頻率段覆蓋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際信道。多徑數隨多徑展寬而增多，為7～14個，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

測試結果如圖4所示。

圖4 四重顯分集下新波形有糾錯誤碼性能

根據圖4的測試結果，可分析得出:

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

②新波形在多徑瑞利信道下位同步能力很好，當2σ/T≥0．25、Eb/N0=0 dB 時保持時間大于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能力，可適應不同地區不同距離的應用場合。

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

根據通信設備在某島嶼地區的實際工作表現，新波形能更好地適應不同的信道傳輸模型，并能對窄帶干擾進行有效抑制，有效改善了信道傳輸質量。

2．2 海上信道傳播特性分析

按照一般規律，島嶼散射通信鏈路在經過海面上空傳播，依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同緯度的陸地要高6～10 dB;而且海上還常常呈現規則、不規則層反射及大氣波導現象，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。但是這些只是理論上的推算和假設，還沒有與實際的散射通信鏈路去檢驗、驗證，更沒有進行實際的鏈路電測。

利用某低緯度島嶼已經建成的散射通信鏈路，通過特殊的測試設備，對不同的散射通信鏈路的傳播特性進行了實地測試［8］。根據近半年的時間的測試結果，對位于低緯度島嶼地區的散射信道傳播特性有了更準確的理解，典型的測試結果如圖5所示。

圖5 鏈路測試結果

根據測試結果，可以得出如下結論:

①實際的測試結果比根據《ITU-R P．617》的預測結果要好;

②在較大區域內，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，而且持續時間較短。

3 站點建設要求

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

①島嶼上一般具有多種電子設備，覆蓋了很寬的頻段，而且還有其他的強電磁輻射源，因此對站點的頻譜電測非常重要，因此，根據電測結果要對散射通信設備的安裝位置和電磁兼容進行針對性的設計和處理;

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

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

4 結束語

對流層散射通信作為遠程骨干網和超視距地域網中的重要傳輸手段，具有良好的技術基礎與使用經驗，而且還在不斷地擴展和豐富應用范圍。根據已有散射通信鏈路傳播特性進行了分析［10］，不僅可以為現有通信鏈路的改造升級提供了準確的理論依據和技術支持，還為未來島嶼間及相似地域的散射通信鏈路建設提供了更為真實、準確的理論支撐。

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

［2］ 張明高．對流層散射傳播［M］．北京：電子工業出版社，2004．

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

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

［5］ 刁樹林，鐘劍波．時域自適應均衡技術的分析與應用［J］．無線電工程，2009，39(9)：44 －47．

［6］ 韓明鑰，徐松毅，賈偉．LDPC碼在對流層散射通信中的性能分析［J］．無線電通信技術，2008，34(4)：16 －18．

［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的設計與實現［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計［S］．

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