具备反侦察与抗截获特性的紫外光通信体制研究＊

鲁远曙

（海军驻武汉地区通信军事代表室 武汉 430079）

1 引言

“网络中心战”思想的提出在全球范围内掀起了一场重大的军事变革，同时推动着未来作战模式由机械化向信息化模式的转变。在这场变革中，通信能力已经成为支撑信息化作战模式下作战能力的核心要素之一。但随着大量侦察、电子战兵力和武器装备用于战场，将使得军用无线通信的隐蔽性和安全性面临巨大的威胁和挑战，也对未来军用无线通信技术体制的反侦察、抗截获能力提出了更高的要求。

日盲紫外光（本文以下简称紫外光）通信技术作为一种新兴的通信手段，使用紫外光这种与传统通信系统完全不同的载波信号，能够避开传统电子战系统的侦测和干扰。同时，紫外光信号具有良好的大气吸收性，能够有效控制信号辐射范围，具有良好的反侦察和抗截获能力。因此，利用紫外光通信技术，可以有效地实现一种具有良好反侦察和抗截获能力的无线通信新体制。

美军于上世纪60年代的中后期开始展开对紫外光无线通信技术的研究，并就紫外光在大气中的散射及传输特性等具体技术细节进行了理论探讨和试验研究。2000年由美国GTE公司为美军研制了一种实用的隐蔽式紫外光无线通信系统，并已装备部队。随后至今，美军在紫外光基础器件技术方面持续投入，先后研制出紫外光光源及光电检测半导体器件，进一步降低了紫外光无线通信系统的功耗，并实现端机的小型化。

2 紫外光大气传播特性分析

日盲紫外光具体是指波长在250～275nm范围内的紫外光。根据有关研究，大气层几乎可以完全吸收由太阳发出的处于该波段范围内的紫外光辐射，且自然界中也基本不存在此类天然辐射源。因而，波长处在该范围的紫外光被称为日盲紫外光。

总体上讲，影响紫外光信号特性的主要因素包括紫外光在大气信道上的传播特性（即紫外光的大气吸收、衰减以及散射特性等）和传输特性（即紫外光在大气信道中的多径传输特性以及紫外光脉冲延迟、展宽特性等）。

其中紫外光在大气中传播特性主要受大气中气体分子和气溶胶颗粒对紫外光的吸收与散射作用的影响。大气中的多种气体分子对紫外光具有强烈地吸收作用，因而使得紫外光信号大气传播衰减速度极快，限制了信号的传播距离。紫外光在不同环境中的具体传播衰减特性在文献［1～4］中有较为详细的研究。此外，大气中的气体分子及气溶胶颗粒对紫外光还具有较强的散射作用。Mark.R.Luettgen和Jeffrey H.Shapiro在1991年首次提出紫外光的单次散射模型，其模型示意图如图1所示［5］。

图1 紫外光单次散射模型示意图

然而，紫外光的实际散射过程却更为复杂。在实际大气信道中，紫外光的散射存在两种主要散射形式，即瑞利散射和Mie散射。这两种散射过程均不发生光的色散，且基本不损失能量。引起瑞利散射的主要原因是大气分子的散射作用，而Mie散射主要是由大气中各种不同的气溶胶颗粒引起［6～7］。由于气溶胶的成份不同，导致在Mie散射过程中入射光散射方向分布不均匀。因此，Mie散射的数学模型非常复杂，一般采用经验公式来求出近似解。在不同天气条件下，大气中的主要散射颗粒尺寸不同，因而分析紫外光大气散射特性的模型也有所不同。当天气晴好时，主要的散射体为空气分子，其半径大约为10－4μm量级。由于其半径远小于紫外光波长，因而须采用瑞利散射模型描述相关散射现象。当有雾时，主要散射体为雾滴颗粒，半径约为1～10μm量级；下雨时，雨滴颗粒的半径约为102～104μm量级。此时，散射体颗粒半径与紫外光波长可比（一般指散射体颗粒直径大于波长0.03倍）［1］，则须采用Mie散射模型。由此可见，在晴好天气下紫外光的散射主要以瑞利散射为主。而恶劣天气条件下由于散射颗粒较大，主要以Mie散射为主。

如同其它无线通信系统，紫外光作为信号在大气信道中的传输同样会产生多径效应，影响其在大气信道上的传输特性。但由于紫外光本身信号传播距离较短且传播衰减效应强烈，导致与主路径路程差较大的从路径信号分量衰减严重，而路程差较小的从路径信号分量与主路径信号之间的传输时延较小。其最大多径时延大约在μs级，因而使得紫外光信号在大气信道上传输时具有一定的相干带宽。

3 紫外光通信技术体制

紫外光通信技术体制的基本思想是利用紫外光信号取代传统的射频电磁波信号作为通信系统的载波，承载话音、数据等不同类型业务。紫外光通信系统的基本结构框图如图2所示。

图2 紫外光通信系统基本结构框图

从图中可以看出，紫外光通信技术体制与传统射频通信技术体制基本相似，主要差别在于紫外光调制解调将信息调制到紫外光载波上完成通信过程。其中，紫外光调制解调、信道编解码是技术体制中关键环节。

3.1 紫外光通信调制解调体制

应用于无线通信系统中的调制方式有很多种，如开关键控（OOK），频率调制（FSK）、相位调制（PSK）、正交幅度调制（QAM）等。

但与传统射频载波信号相比，紫外光作为调制载波有其自身特点。首先，由于紫外光载波只能产生单极性信号，因而传统的正弦载波调制方法不宜用于调制紫外光载波信号。其次，紫外光光源器件的物理特性也决定其不适宜长时间连续工作。因而紫外光调制体制应选用光通信技术中所普遍采用的脉冲位置调制技术（PPM）［8］。紫外光PPM调制原理框图如图3所示。

图3 紫外光PPM调制原理框图

对于一个L进制的PPM调制信号，其每个符号需占用L个脉冲时隙，设每个脉冲时隙为Tp。每个L进制的PPM符号可以携带的信息量为

该L进制的PPM信号的占空比为

信息传输速率为

根据式（2），当PPM信号进制数L增加时，其信号占空比会下降，有利于降低发射功耗。但根据式（3），当Tp一定时，信息传输速率R也会随进制数L的增加而下降。因此，在选择进制数L时需要在占空比与信息传输速率之间进行权衡。一般情况下，我们选择4PPM或8PPM作为紫外光通信的主要调制体制。

在收端，通过紫外光信号检测器将紫外光载波信号转换为基带电信号进行处理。L进制的PPM的基带符号相互正交，可采用匹配滤波的方式进行正交解调，并采用软解调算法提取接收符号的软信息，配合信道编码技术进一步提高信号接收性能。

3.2 紫外光通信信道编码体制

为克服紫外光大气信道传输特性和接收机背景噪声对紫外光信号接收带来的影响，需结合前向纠错编码和最大似然译码技术来提高紫外光通信的抗噪声能力。根据文献［9～10］的相关研究，相对于RS码而言，卷积码与PPM相结合可以获得更好的误码率性能。因此，紫外光通信信道编码体制主要使用卷积码技术。同时，作为一类特殊并行卷积码的Turbo码也可以应用于紫外光通信技术体制中。

对卷积码而言，不同的编码约束深度将直接影响其码字的码间距和编码增益。然而过大的编码约束深度同时也会使译码复杂度和译码延迟大大增加。目前在无线通信系统中所普遍使用的一种卷积编码体制是一种（2，1，7）卷积编码。该卷积码约束深度适中，结合维特比软译码技术其编码增益可以达到5.2dB。其编码器结构如图4所示。

图4 （2，1，7）卷积码编码器结构图

同时，表1也给出了其它不同深度的（2，1，X）卷积编码的编码矩阵及其相应的编码增益。

表1 其它（2，1，X）卷积码参数

此外，在紫外光通信信道编码体制的设计中还可以进一步考虑 Ungerbock在文献［11］中提出的编码与调制相结合的思想，采用网格编码调制技术，进行卷积编码与L进制PPM调制的联合设计。采用网格编码调制技术后可在原有级联系统的基础上进一步提高紫外光通信技术体制的抗干扰性能。

从译码算法角度考虑，卷积码一般采用基于最大似然概率技术的维特比译码算法（Viterbi），Turbo码则采用基于最大后验概率的MAP迭代译码算法。其中，MAP迭代译码算法结构复杂，且需要对整帧数据进行往复迭代译码，导致译码时延较大。而卷积码所使用的维特比译码算法相对于MAP迭代译码算法而言复杂度较低，且可以进行基于数据流的连续译码，其译码结果可以连续输出，译码时延较MAP迭代译码算法较小。因此，在使用紫外光通信系统承载如作战指令、各种战术信息等数据类业务时，可以采用Turbo码和MAP迭代译码算法的技术体制，以保证相关数据的可靠传输。而当系统承载实时话音或视频等基于流的实时业务时，应采用卷积码结合维特比译码算法的技术体制，以提高通信的实时性。

4 紫外光通信技术体制的主要适用场景及发展趋势

4.1 紫外光通信技术体制的主要适用场景

由于紫外光本身具有较强的大气散射和吸收特性，能够有效控制紫外光信号的传播范围，使得紫外光信号不易被监测和截收，具有极好的反侦察和抗截获能力。因此，紫外光通信体制很适合在一定距离范围内的隐蔽及保密通信场合使用。例如，特种战术分队在进行协同攻击时使用紫外光通信体制进行战术通信，可以完全避开敌方电子侦查系统的侦测，防止因通信信号造成的暴露。在海军舰艇编队航行中，配合平行紫外光源，采用定向发射方式，可有效扩展紫外光技术体制的通信距离，以取代传统的信号灯和旗语通信方式，实现在编队无线电静默状态下编队成员间高速率的可靠通信。

其次紫外光有较强的绕射能力，可以实现在一定距离范围内的非直视通信，该特性使其在结构复杂的地下工事、坑道、洞窟仓库以及大型水面舰艇甲板、舱内的通信中有着广泛的用途。例如，在航空母舰甲板通信中，紫外光通信与飞行甲板上其它复杂的电子系统之间具有良好的电磁兼容性，且能够有效绕过飞行甲板上大型设备及飞机对通信的遮挡，为甲板操作人员提供可靠的通信保障。同时，也可有效避免甲板通信信号外泄导致被敌方电子战飞机或卫星侦测、截获甚至是定位。

4.2 紫外光通信技术体制的发展趋势

目前，限制紫外光通信技术发展的主要瓶颈在于紫外光源及其检测器件的水平。虽然市场上已经可以采购到紫外光源LED及其光电检测器件，但种类与性能还不能满足应用的需求。

随着相关技术的发展，未来紫外光源及检测等主要器件将对紫外光技术体制形成更有力的支撑：

1）具有多种不同波长紫外光的发射与检测能力，帮助紫外光通信技术扩展紫外光信道个数，形成波分复用系统。

2）具备更强的发射功率和完善的功率控制功能，能够有效扩展紫外光的有效通信距离并实现对紫外光信号覆盖范围的精确控制，保证紫外光技术体制的反侦察和抗截获能力。

3）具有更快地响应速度和检测灵敏度，提高紫外光调制发射与接收解调性能，进一步提高紫外光通信技术体制的符号传输速率。

同时，紫外光通信技术体制还将引入Ad Hoc相关组网关键技术，实现针对紫外光信号特点的多跳自组织网络技术体制，进一步增强其组网通信能力，以适应更加复杂的应用场合。

5 结语

紫外光的大气传输特性决定其能够有效控制信号的覆盖范围，并具有良好的绕射能力，是一种有效的反侦察、抗截获通信技术体制。未来随着紫外光相关技术的发展与其通信技术体制的不断完善，紫外光通信技术在隐蔽与保密通信领域中必将有着更为广泛的应用。

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