復雜戰場環境下無線實時傳輸網絡基站功能設計及技術探討

范彬

摘要：圍繞復雜戰場環境下的無線實時傳輸網絡基站的功能設計、基站中頻域均衡算法、基于訓練數據的信道估計方法、天線分集接收等技術進行了探討。

關鍵詞：無線實時傳輸網絡；基站；頻域均衡器、信道估計算法；分集接收技術

0引言

軍事訓練演習的質量和效果，需要通過考核評估來實現。無線實時傳輸網絡作為前端數據采集設備和后臺指揮中心考核評估系統之間的橋梁，其功能設計顯得尤為重要。無線傳輸網絡包括衛星通信網絡、移動通信網絡等，隨著科學技術的發展，通用無線傳輸網絡趨于完善，基本實現了國內全覆蓋。但是某些情況下，仍然需要搭建專用無線傳輸網絡。在部隊訓練演習期間，由于保密、成本等原因，需要搭建臨時專用的無線實時傳輸網絡，將移動車載前端采集的數據、戰場環境數據、視頻數據等實時回傳到指揮中心，為指揮控制人員提供現場環境實時數據。本文圍繞復雜戰場環境下的無線實時傳輸網絡基站的功能設計、基站中頻域均衡算法、基于訓練數據的信道估計方法、天線分集接收等技術進行了探討。

1 無線實時傳輸網絡基站功能設計

1.1廣域覆蓋

根據部隊演習、訓練場所的一般范圍、電磁特性，設計范圍半徑3～5Km。選型基站的工作頻段為300MHz～1GHz，這個頻段的無線實時傳輸網絡基站可達到10Km的覆蓋半徑，滿足部隊一般演習和訓練的需求。

為了保證通信基站有效的通信范圍，提高通信效率，無線實時傳輸網絡基站采用雙天線分集接收技術，以充分利用空間分集能力。傳統的無線網絡接入技術（如Wi-Fi、藍牙等），只是單純的熱點接入與覆蓋，而不能稱之為局域網。本文探討的無線實時傳輸網絡定位更容易組成局域網，使得無線實時傳輸網絡有效覆蓋范圍內通信設備之間享受獨立的、快速的數據傳輸服務[1]。

1.2高速數據傳輸

本文描述的無線實時傳輸網絡單基站系統，設計在4M帶寬下提供高達4.2Mbps的凈數據吞吐量。因此集成了無線通信新技術，比如采用雙天線接收結構、CDMA、單載波頻域均衡傳輸等技術，使基站能夠在有限帶寬下提供相對高速的數據傳輸服務。

1.3支持同頻組網

無線實時傳輸網絡基站支持同頻組網。為了在有限頻率資源的條件下，使傳輸基站及網內覆蓋范圍的數據傳輸設備，在通信時具有良好的抗同頻干擾能力，無線實時傳輸基站可采用動態信道分配等新技術。而應用其他信道分配技術的無線實時傳輸網絡系統在同頻組網性能指標方面具有一定的劣勢[1]。

1.4支持非視距傳輸

無線實時傳輸網絡基站與網絡有效覆蓋范圍內的數據傳輸設備，在數據通信時需具備良好的非視距傳輸能力，網絡可同時對空曠場所和有遮擋物場所具有良好的通信覆蓋。由于在復雜戰場環境中，無線接入的很多應用場景在室內或者有遮擋物，因此非視距傳輸能力是衡量一個無線實時傳輸網絡的重要指標。

1.5支持大量用戶并發

部隊演訓場地通信設備眾多，對無線實時傳輸網絡系統的并發容量提出很高要求。多設備可能會同時通過無線實時傳輸網絡基站傳輸數據。數據格式包括：圖像、語音、文本等，同時，演習、訓練的時間可能會相對比較長，這就帶來了通過無線實時傳輸網絡進行數據通信時單位時間內的通傳數據量大的問題，也就是通信鏈路的數傳容量會很大。基于這一需求，復雜戰場環境下無線實時傳輸網絡基站設備，采用TDMA時分多址進行帶寬的動態分配，同時支持雙向255個并發信道，滿足了通信要求。

1.6支持移動性

通過無線實時傳輸網絡進行的數據通信傳輸的終端、數據采集裝置等通常被安裝在移動車輛（步戰車、指揮車等）上，因此針對戰場這一特殊環境，對無線實時傳輸網絡基站的選型、設計需要考慮無線實時傳輸終端的移動性，需滿足移動環境下的寬帶無線接入需求。

2 無線實時傳輸網絡基站主要技術

2.1收發模塊

無線實時傳輸網絡基站收發模塊主要功能包括基站下行數據和上行數據的發送和接收。接收數據時，信號從兩根天線接入，分別進行濾波、放大、混頻、模數轉換等操作。

射頻前端模塊接收通道采用兩次變頻來完成的。兩次變頻的中頻信號都設計成相近頻率，這樣可以采用相同的元器件，以保證設計的一致性。每個信道在設計時考慮射頻通道的寬頻點、可配置性、可擴展性等功能，按照信號的最大傳輸帶寬設置濾波器，使用寬帶的混頻器和頻率綜合器等模擬器件，用戶只需要更改頻率綜合器的頻率控制字，就可以產生所需信道的本振信號，頻率控制字由單片機控制輸入，原理框圖見圖1。這樣可以接收到寬頻模擬信號，體現了系統的靈活性和可配置性。

2.2 處理模塊

無線實時傳輸網絡處理模塊完成雙向數據組織、數據發送接收以及協議棧運行。本文采用單載波頻域均衡技術進行上行幀的發送和下行幀的接收。

2.2.1數據發送

數據發送原理如圖2所示。

無線實時傳輸網絡處理模塊的發射過程簡單描述為：首先是信道編碼，即信號信息在輸入端完成二進制轉換，編譯成適合信道傳輸的信號；經過信道編碼后的信號通過映射包括插入保護間隔，再經過脈沖整形，D/A變換完成由最初的數字信號到模擬信號的轉變，最后調制包括變頻到射頻信號。

2.2.2數據接收

數據接收原理如圖3所示。

天線是無線實時傳輸網絡基站的最后發射端和最初接收端，無線射頻信號經過天線的接收并通過下變頻變換成中頻模擬信號。而基站內部只能對數字信號進行處理，因此，基站接收到的數據還需要經過A/D轉換成處理板能夠處理的數字信號。與發射過程相反，模數轉換后的數據通過時間、頻率同步、信道估計等操作，通過傅里葉逆變換、解映射、解碼等過程，完成由最初的射頻信號到二進制數據的轉換。

2.3頻域均衡算法

在信號處理的過程中不可避免地會產生符號間干擾，但是如何消除或者是減輕這些干擾尤為重要。無論是時域還是頻域均衡最終的目的是為了消除或者減輕符號間干擾[2]。

本文的無線實時傳輸網絡基站探討的使用頻域均衡器來消除符號間干擾。頻域均衡器主要是在頻域的范圍內進行信號的均衡補償。在這個過程中首先需要將時域信號通過傅里葉變換成頻域信號，在頻域完成均衡后再通過反傅里葉變換成時域信號。在這一系列過程中，大多計算處理集中在傅里葉和反傅里葉計算過程中。這種均衡方法就是使用一些濾波器的頻率特性去補償衰減的基帶系統的頻率。最終使得基帶系統基本保持不失真[2]。

為了在均衡時保證噪聲功率不會被放大，根據最小均方誤差準則可以得到最小將均方誤差頻域均衡的均衡器系數為：

式中：為信道傳輸函數，SNR 為信噪比。信號通過頻域均衡器后可以表示為：

2.4信道估計算法

目前針對信道估計算法通常有：（1）基于訓練序列（導頻）的估計；（2）盲估計。基于訓練序列的估計和盲估計兩種算法各有優缺點。基于訓練序列的估計在發送端定時發送特定格式的序列，這個序列也稱為訓練序列，而接收端則根據序列通過信道的變化計算出信道的反應。基于訓練序列的估計算法優點是結果準確可靠，估計過程迅速，缺點是由于發送端不停地周期性發送序列，導致浪費了部分帶寬資源。而盲估計不需要發送訓練序列，因此也不會浪費帶寬資源，盲估計是根據信號的統計特性完成信道參數的估計。缺點是盲估計算法復雜度高[3]。

本文描述的是基于訓練數據的信道估計方法。關鍵是產生訓練序列，訓練序列采用固定結構的幀頭。單載波頻域均衡系統在傳輸數據的首尾插入相同長度的訓練序列，每一段傳輸數據與后面的訓練序列組成一個數據塊，訓練序列的插入使得傳輸數據塊具有理想的周期性的自相關特性。每一個數據塊前面的訓練序列可以克服前一幀數據對該幀數據的干擾[3]。

如果已知訓練序列頻域 X （k）的值，一種簡單的想法是利用LS進行頻域信道估計。

式中：Y （k），k = 0，1，2…N-1為接收信號的頻域形式， H （k），k= 0，1，2，…N-1為信道頻率響應的實際值。

這種信道估計方法稱為最小二乘（LS）信道估計方法，其特點是運算簡單，當合理選擇訓練序列x（n）時能夠達到工程上可接受的估計精度。

2.5天線分集接收

分集接收技術是移動通信的一種抗衰落技術。簡單來說，分集接收技術就是采用多副接收天線來接收信號，然后進行合并。在某一接收天線所對應的無線傳播路徑中經歷了深度衰落時，其他天線的接收信號中仍可能包含著較強的有用信號，因此可以對多路接收信號進行合并，這樣就有效降低了信道衰落的影響，改善了傳輸的可靠性。

分集接收技術在不增加發射功率或犧牲通信帶寬的情況下提高了傳輸的可靠性和穩定性，為實時圖像傳輸提供了強有力的保障。

本文描述的最大比合并分集接收算法，是將兩個天線信號相位進行旋轉對齊后再進行處理，也就是說通過兩個天線信號產生各自的輸出信噪比，將兩路信噪比合并為最終的輸出信噪比。當其中某路天線信號產生偏離或者不可用時，最大比合并算法依然可以通過另一路的天線信號合并成一個符合要求的輸出信噪比信號。

2.6協議棧

軟件協議程序貯存在硬盤上，運行時調入內存執行。主要分為注冊、同步、尋呼等過程。

3結語

由于戰場環境復雜、使用通信設備眾多等特點，在設計無線實時傳輸網絡時需要考慮網絡覆蓋范圍大、多用戶并發接入、抗震性高等功能性能指標。演習、訓練場地頻繁轉換，導致無線實時傳輸網絡設備具有可快拆裝、便攜等特點。在無線實時傳輸基站設計過程中頻域均衡器、信道估計算法的選擇尤為重要，同時分集接收技術是一種用相對較低廉的投資就可以大幅度改進無線鏈路性能的強有力的技術。

參考文獻：

[1] 柏均，李永志，閆鵬.McWiLL系統在應急通信中的應用分析[J].無線通信技術，2008（2）：39-42.

[2] 郭友波.單載波傳輸系統自適應頻域均衡研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2005.

[3] 李慶忠.單載波頻域均衡技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

（作者單位：陸軍裝備部駐上海地區航空軍事代表室）