賦能通信技術(shù)原理及應(yīng)用展望

鄭相全，楊萬(wàn)君，唐秋菊

(1.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院，北京 100101; 2.北京軍代局駐石家莊軍代室，河北 石家莊 050081; 3.中國(guó)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

VHF/UHF電臺(tái)作為最常用的無(wú)線通信設(shè)備，在地面、艦船以及各類飛行器中廣泛使用，但是隨著各類應(yīng)用需求的發(fā)展，以視距傳播為主要手段的VHF/UHF電臺(tái)越來(lái)越難以適應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)超視距無(wú)線通信的要求。尤其對(duì)于艦船以及各類飛行器平臺(tái)，在執(zhí)行遠(yuǎn)離陸地及深入遠(yuǎn)海的任務(wù)中，拓展通信保障范圍的需求越來(lái)越迫切[1]。

目前應(yīng)用于艦船以及飛行器平臺(tái)的通信手段主要包括HF、VHF/UHF和衛(wèi)星通信三種方式：衛(wèi)星通信原則上通信距離不受地域限制，但由于體積、重量及信道資源等原因僅能裝備于大型空中平臺(tái)，難以在中、小型空中平臺(tái)上大量使用，且衛(wèi)星通信難以實(shí)現(xiàn)對(duì)海域的全域覆蓋；HF通信由于其通信帶寬有限，通常只能滿足話音通信的需要，且易受電離層擾動(dòng)及各類干擾的影響；VHF/UHF電臺(tái)作為目前最主要的無(wú)線通信裝備，廣泛裝備于各類大、中、小型飛行器以及艦船，可提供話音和各型數(shù)據(jù)鏈通信[2]，但由于VHF/UHF電臺(tái)僅支持視距通信，難以滿足對(duì)超視距通信保障的需求。

作為一種重要的超視距無(wú)線通信手段，對(duì)流層散射通信已廣泛用于世界主要軍事強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域，美軍更是在經(jīng)歷了伊拉克、阿富汗等戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)后，將對(duì)流層散射通信視為與衛(wèi)星通信相并列的2種超視距手段之一[3-4 ]，并強(qiáng)調(diào)在分散部署的戰(zhàn)場(chǎng)，當(dāng)兩者皆滿足使用條件時(shí)，優(yōu)先使用散射通信作為傳輸手段，以提高通信的抗偵收、抗干擾能力并節(jié)約軍用衛(wèi)星頻帶資源。

鑒于VHF/UHF電臺(tái)已大量裝備于各類平臺(tái)，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，在不改變現(xiàn)役VHF/UHF電臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)的前提下，建立賦能站和加載對(duì)流層散射通信波形，可以在VHF/UHF電臺(tái)與賦能站之間實(shí)現(xiàn)可靠的超視距通信，不但能顯著擴(kuò)展其通信保障范圍，且能有效降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)用成本[5]。

1 賦能通信原理

1.1 概念內(nèi)涵

賦能通信是指在不改變現(xiàn)役VHF/UHF機(jī)載、艦載、單兵戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)硬件形態(tài)的前提下，通過(guò)為其加載具有超視距傳輸能力的散射通信波形，并在指揮所部署具備多部大功率發(fā)射機(jī)、多面高增益天線的地面賦能站，由它賦予現(xiàn)役VHF/UHF機(jī)載、艦載、單兵戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)一定的超視距通信能力。

1.2 基本原理

1.2.1 構(gòu)建不對(duì)稱的空間分集通信鏈路

現(xiàn)役VHF/UHF電臺(tái)的硬件形態(tài)不變，地面賦能站采用多部大功率發(fā)射機(jī)和多面高增益天線。賦能站與電臺(tái)之間采用“多發(fā)一收”(下行鏈路，賦能站至電臺(tái))或“一發(fā)多收”(上行鏈路，電臺(tái)至賦能站)的配置，構(gòu)建不對(duì)稱的空間分集通信鏈路[6-7]。以4重分集為例，不對(duì)稱通信鏈路的示意圖如圖1所示。

圖1 站型不對(duì)稱的4重空間分集通信鏈路

① 賦能站→電臺(tái)

電臺(tái)接收信號(hào)功率為：

式中，PR為電臺(tái)接收信號(hào)功率，PT為賦能站發(fā)射功率，GT、GR分別為發(fā)射和接收天線增益，L(i)為路徑中值傳輸損耗。

電臺(tái)超視距通信情況下，L(i)變大，電臺(tái)硬件形態(tài)不變，為克服傳輸損耗的增加，需加大賦能站發(fā)射機(jī)的功率PT和天線的增益GT，并采用4面發(fā)射天線(發(fā)射頻率分別為f1～f4)，使電臺(tái)可接收多路空間分集信號(hào)，以此平滑信號(hào)的快衰落，使信號(hào)平穩(wěn)被接收。

② 電臺(tái)→賦能站

賦能站接收信號(hào)功率：

式中，PR為賦能站接收信號(hào)功率，PT為電臺(tái)發(fā)射功率，GT、GR分別為發(fā)射和接收天線增益，L(i)為路徑中值傳輸損耗。

電臺(tái)超視距通信情況下，L(i)同樣變大，由于不改動(dòng)電臺(tái)硬件，其發(fā)射功率及天線數(shù)量均保持不變。通過(guò)增加賦能站的天線增益和天線數(shù)量，電臺(tái)發(fā)射信號(hào)(頻率為f5)同時(shí)可被賦能站4部天線接收，不但增加接收能量，也能抵消信號(hào)的快衰落，使信號(hào)平穩(wěn)接收[8]。

1.2.2 超視距波形的設(shè)計(jì)

超視距波形的設(shè)計(jì)需采用分集通道合并接收技術(shù)克服電臺(tái)與賦能站之間在超視距通信時(shí)存在的接收信號(hào)快衰落問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電臺(tái)與賦能站的趨恒接收[9]。

此外，各類電臺(tái)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，也需針對(duì)其具體問(wèn)題采用差異性的技術(shù)措施：例如采用大動(dòng)態(tài)、多普勒頻移的快速估計(jì)技術(shù)克服地空賦能通信系統(tǒng)中由于通信一方快速運(yùn)動(dòng)而造成的接收信號(hào)存在的多普勒頻移；采用低門限、高精度調(diào)制解調(diào)技術(shù)解決低速、遠(yuǎn)距賦能通信系統(tǒng)低電平信號(hào)的有效接收問(wèn)題等。

1.3 系統(tǒng)組成

賦能通信系統(tǒng)由賦能站和VHF/UHF電臺(tái)兩部分組成：賦能通信站配備1個(gè)信號(hào)處理終端、多臺(tái)射頻單元和多副天線(數(shù)量可根據(jù)需求靈活配置)；VHF/UHF電臺(tái)可以為現(xiàn)役機(jī)載、艦載或地面電臺(tái)，通過(guò)加載散射波形的方式實(shí)現(xiàn)話音和數(shù)據(jù)的超視距傳輸。組成示意圖如圖2所示。

圖2 賦能通信系統(tǒng)組成

2 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

2.1 賦能通信信道傳播特性測(cè)試

為深入開(kāi)展賦能通信技術(shù)研究，必須對(duì)賦能站至電臺(tái)之間的超視距傳輸信道特性進(jìn)行探索研究，建立理論模型，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，為賦能通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供充分的理論依據(jù)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)相關(guān)單位構(gòu)建賦能通信信道測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)單端采用高增益定向天線模擬賦能站，另一端采用全向天線模擬VHF/UHF電臺(tái)，先后開(kāi)展了多次VHF/UHF頻段信道特性測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)距離最遠(yuǎn)達(dá)300 km，并且涵蓋了平原、山地等多種地形[10]。以2012年12月在華北地區(qū)開(kāi)展的多條超視距線路的測(cè)試情況為例，其接收電平的統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同距離的VHF/UHF電波接收電平統(tǒng)計(jì)分布

根據(jù)在多條超視距線路上VHF/UHF頻段電波的接收電平統(tǒng)計(jì)分布特征可以初步看出：所有線路上的接收電平均存在瑞利衰落、典型萊斯衰落和準(zhǔn)恒參等3種分布類型[11-12]，即分別對(duì)應(yīng)于湍流體散射、層反射和大氣波導(dǎo)超折射等3類電波超視距傳播方式；隨著距離的增加，瑞利衰落所占的分布比例呈顯著提高趨勢(shì)，即對(duì)流層散射傳播模式所占的分布比例顯著增加，符合對(duì)流層散射信道的電平分布特征，可采用不對(duì)稱空間分集措施開(kāi)發(fā)散射通信波形有效克服信號(hào)快衰落，使信號(hào)平穩(wěn)接收[13]。

2.2 地空賦能通信演示試驗(yàn)

為驗(yàn)證VHF/UHF賦能通信的技術(shù)可行性及通信效能，基于VHF/UHF機(jī)載電臺(tái)構(gòu)建了地空賦能通信演示系統(tǒng)，其中包括具備4部大功率發(fā)射機(jī)、4面高增益天線的地面賦能站的研制和一個(gè)VHF/UHF電臺(tái)的散射通信波形的增補(bǔ)。該演示系統(tǒng)經(jīng)超視距野外試驗(yàn)測(cè)試，可支持地面賦能站與機(jī)載站之間的話音或數(shù)據(jù)信息的超視距傳輸，通信距離為原視距傳輸模式的數(shù)倍(視機(jī)載站高度而定)。

3 應(yīng)用前景

在賦能技術(shù)的引領(lǐng)下，現(xiàn)役VHF/UHF機(jī)載、艦載、單兵戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)與賦能站間可實(shí)現(xiàn)超視距通信，從而大幅提升現(xiàn)役VHF/UHF電臺(tái)的通信保障范圍。

3.1 地空賦能通信

以一個(gè)VHF/UHF機(jī)載電臺(tái)與地面賦能站構(gòu)建的地空賦能通信演示系統(tǒng)為例，該演示系統(tǒng)的地面賦能站配備1個(gè)信號(hào)處理終端、4臺(tái)發(fā)射功率100 W的射頻單元和4副四單元對(duì)數(shù)周期拼陣天線，可與機(jī)載站之間構(gòu)成4重分集發(fā)射/接收的信號(hào)傳輸體制[14]。當(dāng)機(jī)載站的飛行高度為100 m時(shí)，地面賦能站可與機(jī)載站在300 km的距離上實(shí)現(xiàn)話音或數(shù)據(jù)通信；當(dāng)機(jī)載站飛行高度為10 000 m時(shí)，通信距離可進(jìn)一步擴(kuò)展至600 km以上，顯著擴(kuò)展了戰(zhàn)機(jī)在海上巡航的通信保障范圍。

3.2 地面賦能通信

假設(shè)在一個(gè)VHF戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)(發(fā)射功率2 W)中嵌入對(duì)流層散射傳輸波形，并與配備1個(gè)信號(hào)處理終端、4臺(tái)100 W射頻單元和4副四單元對(duì)數(shù)周期拼陣天線的賦能站構(gòu)成地面賦能通信系統(tǒng)，則電臺(tái)可與賦能站之間實(shí)現(xiàn)100 km以上的話音和數(shù)據(jù)通信。

3.3 岸船賦能通信

假設(shè)在一個(gè)UHF艦載電臺(tái)(發(fā)射功率50 W)中嵌入對(duì)流層散射傳輸波形，并與配備1個(gè)信號(hào)處理終端、4臺(tái)100 W射頻單元和4付四單元對(duì)數(shù)周期拼陣天線的賦能站構(gòu)成岸船賦能通信系統(tǒng)，則可為艦船在距陸地或島嶼100 km距離內(nèi)提供兆比特量級(jí)的數(shù)據(jù)通信服務(wù)[15]，或在200 km以遠(yuǎn)距離上提供話音或低速數(shù)據(jù)的通信保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)賦能通信信道傳播特性試驗(yàn)驗(yàn)證和理論研究，該信道具備散射信道特征，可通過(guò)建立賦能站和引入具有空間分集特征的散射通信波形，使得電臺(tái)在保留設(shè)備硬件和結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上具備分集信號(hào)接收能力，有效抑制信號(hào)的衰落。作為一種在不改變現(xiàn)役VHF/UHF電臺(tái)硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上提升其通信能力的理念創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，基于對(duì)流層散射的賦能通信技術(shù)可將VHF/UHF機(jī)載、艦載或戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的通信保障范圍由視距擴(kuò)展到超視距，可提升通信距離1～3倍，具有廣闊的應(yīng)用前景。