用于变参信道的变速率传输技术

李文铎

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

变参信道，通常是指具有慢、快衰落的信道。慢衰落是指这样的接收信号变化特性:它的振幅具有分钟级或更长的中值(均值)电平变化特性;快衰落是指接收信号振幅在秒级或者更短时间的变化特性;而对流层前向散射变参传输信道，其衰落损耗更具特色:每日慢衰落损耗变化可达20 dB;常出现的瑞利型快衰落变化也有20 dB。更为严重的是:随距离的增加，接收信号的中值电平将随距离大约按其5次方成反比下降。按此计算，信噪比增加3 dB，仅能换来距离增加15%，而在按2次方成反比下降的信道，换来距离增加为40%。因此可见，对流层散射信道传输，对距离是十分敏感的，要使距离倍增代价很大，需要15 dB的信噪比补偿。通过增加投资来增加通信距离，这是多年来的一个行之有效的途径。仔细分析，多业务服务时间连续的通信保障往往是不必要的。因此，在增加距离条件下，不增加投资而减少或去掉必要性不大的能力提供，仅确保最需求的通信能力，它就是所研究的内容——变速率传输技术。

对于无线通信保障效果，一种提法是一周7天、一天24小时的保障，本文谓之充分保障，其意指时间是无缝的，带宽是充分的。但通信资源(设备及频谱)的使用常让保障部门倍感压力。另一种思路和途径是仅保障必要的通信需求，释放或尽量少地使用资源(简化设备及节约频谱)，如一部小电台使用极低速(≤100 b/s)波形，达到较远距离的“生命线”通信，以实现更远距离的通信保障。在通信站规模不变的条件下，通过降速率，亦即从充分保障降为必要保障，以达到显著增加通信距离的目的。这是变速率传输的一种应用。

在对流层前向弯管传输过程中，一条提供使用的链路，一天当中有相当时段是有高中值接收电平的状态，对此提高传输速率以使链路的平均能力显著提升，是变速率传输的第2种应用。提出了一种新的变速率状态，不但具有上升、下降2种行为，还具有第3种行为——速率变为零，且保持一定必要的时间，称之为容中断伺机通信，即伺机变速(速率可高可低)，可以为零(通信中断)。

1 弹性散射

Elastic Troposcatter这一概念出现已逾10年了，这一技术现已引起国际上一些著名散射设备研制单位的关注。它是从固定速率散射通信基础上发展起来的，即由固定速率发展为弹性速率。

1.1 固定速率传输的设计理念分析

Raytheon公司的DART-T散射设备的广告中，对于4 Mb/s速率，BER为10-7陆地应用，分别给出了90%或99%可靠度条件下，不同天线尺寸、分集重数下的通信距离。设计理念是向用户保障全年(或长期)可靠度指标下的通信能力，但是没有理会此期间内出现的优质传输条件利用的可能性，也不去管其余10%或1%的时间内通信保障问题。从本世纪以来，国际上散射通信业界人士已开始探索固定速率散射通信实用性及其不足，从而促进了弹性散射的提出和研发投入。

1.2 弹性散射提出的基础

各地的气象条件都是一年四季不同，每日每时不同。温度、湿度都会影响对流层前向散射传输的效果，即链路中值传输损耗不但随时间而变，而且变化范围很大，即所谓昼夜效应。由此研究人员提出一个问题:这种变化，在一条链路上，有没有用，能不能用?回答是肯定的，对于IP业务及有优先级的话音数据等电路业务，均可用之，只要技术上实现速率自适应链路损耗和用户终端自适应变速或选择接入种类和数量，即可解决能不能用的问题。这些技术现在均已实用化，固而形成弹性通信的技术基础。

1.3 弹性散射的效果

［1］给出的对于大陆温带气候区(6区)相当于光滑球面113 km链路上，在最坏月份(相当于2月)，理论上99.9%的时间提供1.8 Mb/s速率，使用弹性传输技术，在50%时间估算可高达138 Mb/s，速率变化76倍;对于地中海或沙漠地区，散射角1.520相当于平地280 km的一条链路，在最坏月份，理论上99.9%的时间提供34 kb/s的速率，在50%的时间可达1.4 Mb/s，速率变化约40倍。上两例表明弹性散射通信技术对于不同气候区和不同链路长度，都会使平均信息传输能力显著提升。

2 容中断伺机散射

这是本文提出的概念，是弹性散射通信概念和应用的扩展:前者是保持BER性能不变，根据信道条件变速率，但不能为零;而后者是一定条件下传输速率可以为零(容中断)，而后根据气象条件和使用需求(伺机)恢复通信。

2.1 容中断伺机散射通信提出的基础

散射和卫通相比，劣势在距离上，为此人们自然想到:一条链路放弃充分保障的带宽需求，转而要求保障最低的带宽，肯定会增加距离。最低带宽的概念，在弹性散射中，可以解读为速率接近于零但不等于零;在此基础上进一步增加链路距离，将出现速率等于零的中断现象，集中在每天下午传输损耗最大的时段;过了这个时段，虽然接收信号电平有所恢复，可以支持速率大于零，但是否建立通信链路还要考虑是否有急需信息要传送，如没有，出于节省电池能源和低截获的考虑，也不需建立通信链路。

2.2 容中断伺机散射通信链路的3种状态

①中断等待状态:链路两端站均关闭发射机，仅保留低能耗的接收功能;② 唤醒建链状态:链路任何一端有通信需求时，开启发信机向对端发出通信呼叫信号;对端收到后启动发信机回答包括链路状态的应答信号，发端据此确定相应速率与对端通信;③通信状态:和连续通信不同的是每次通信状态可能差别较大，有单向的数据或图像通信，有双向的话音通信，而且速率也不是固定的，这对加密、纠错均带来新的设计要求。

2.3 容中断伺机散射通信适宜的应用环境

这种通信的实质是降低通信能力来换取通信距离的增长，以下2种应用环境更适合容中断伺机散射通信使用。

2.3.1 高 Ns值的地区

对流层散射链路端对端的传输损耗包括自由空间传输损耗和散射体的散射损耗，其中L.P.叶的长期中值传输损耗计算方法较为简洁，如:

Lb=30lgf+20lgd+10Θ －0.2(Ns－310)+57.6(dB)，(1)

式中，f为以MHz计的频率，d为以英里计的链路长度，Ns为散射公共体下的大气折射指数，Θ为散射角，单位为(°)，高Ns值地区Ns值可达370，较之通常310地区，传输损耗将降低12 dB以上。

而海面上Ns≥370的地域是不少见的，因此，容中断散射链路用在高Ns值地区，可以缩短中断时间或较Ns低的地域通信距离更长或者相同链路条件下，平均信息通过量更高。

2.3.2 较低频段应用于不规则地形区域

文献［2］中指出，在200 MHz和500 MHz频段，与光滑地面或者水平面相比，不规则地面的绕射距离可增加2倍，与此类环境下，容中断伺机通信链路，提供的服务能力较其他地区更强。

3 结束语

变速率无线传输技术今后必将受到业界日益重视。对于可用的频谱而言，国际上公认是:较低频段拥塞现象越来越突出，较高频段可用带宽虽多但稳定性差，易受沙尘和复杂地形的挑战。因此使用无线频谱时，变速率通信将有较大的实用价值和发展空间，而地面超视距通信设备，出于尽量满足长距离、低能耗和低截获需求，容中断伺机通信——传输速率可以一段时间为零——在今后必将会有一席应用之地。

参考文献

［1］BASTOS L，WIETGREFE H.Highly-deployable Troposcatter System in Support of NATO Expeditionary Operation［C］∥IEEE，the 2011 Military Communications Conference-track 5-communications and Network Systems，2011:2042－2049.

［2］MIL-HDBK-417.美国军用手册-对流层散射的简便设计［S］.

［3］李荣海，任香凝，刘莹.数字对流层散射传输技术新动向综述［J］.无线电通信技术，2007，33(3):8 －10.

［4］任香凝，李文计.海面蒸发波导微波超视距通信可行性分析［J］.无线电通信技术，2008，34(2):22－24.

［5］刘莹，李文铎.时变深衰落信道中的自适应均衡技术［J］.无线电通信技术，2004，30(1):6 －8.

［6］吴丹，李文铎.低Rician因子信道传输损伤分析及抗衰落措施［J］.无线电工程，2005，35(11):9 －10.

［7］刘莹，韩明钥，宋迎东.基于空间分集的自适应选频散射传输技术［J］.无线电通信技术，2013，39(2):36 －38.

［8］卢坡，孙柏昶，吴丹，等.跨山通信信道分析［J］.无线电通信技术，2010，36(6):35 －37.