散射通信在岛屿中的应用及传播特性分析

郝英川，甘启光，贾梦媛

(1.海军驻石家庄地区通信军事代表室，河北石家庄050081;2.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

对流层散射通信，是一种利用对流层媒质对电磁波的前向弯管传输效应的超视距通信方式。对流层散射传播理论［1，2］认为，在对流层中不断产生大气涡流，使得它的温度、湿度和气压产生随机变化，相应的相对介电常数ε和大气折射指数N在某个平均值附近变化;当电磁波进入这种折射指数不断起伏的区域(称散射体)，利用大气的不均匀性产生散射，大部分前向散射波落在接收天线的波束内，就形成了超视距传输。

散射通信由于具有单跳跨距大、传输质量稳定，而且方向性强、保密性好，具有较强的抗侦收、抗干扰、抗毁和抗核爆能力等优点，使其在现代军事通信中得到了广泛的应用，特别是在岸岛之间和远离大陆的岛屿通信中占有了重要的地位。

1 岛屿散射通信应用优点

作为中远程链路通信中的一种成本效益高的通信手段，对流层散射通信有着其突出的通信特点。一是单跳跨距远，通常可达100～600 km，并且有明显的“越障”能力;二是通信容量比短波、超短波通信大得多，可达8 Mb/s以上;三是对流层传播信道稳定，支持全时域和全天候工作，基本不受雷电、极光、磁暴和太阳黑子等恶劣自然环境的影响。另外，还具有以下优点:

①在岛屿应用的散射通信站的天线面向大海，前方无地物地貌遮挡，具备天然优越的应用条件;

②岛屿散射通信链路要经过海面上空传播，按照瑞利分布的散射信道传播模式进行统计，海上的散射年中值电平比陆地要高6～10 dB［3］;

③海上还常常呈现规则、不规则层反射及大气波导现象，造成了通信信号异于陆地的反常传播，这使得散射通信系统在海上的通信性能大大优于在陆地上的使用性能;

④在同样的设备能力下，可获得海上传输容量或单跳通信距离的大幅度提升。

综上所述，由于散射通信的突出特点，非常适合应用在岛屿间通信中，可以实现超视距、高质量、变带宽的可靠无线通信。

2 系统组成及关键技术

散射通信链路由2个通信端站组成，实现点对点散射通信，能够完成数据、话音、视频和雷情信息的传输，如果岛屿间距离或者岛屿与大陆间通信距离过远，超出设备单跳传输能力，可以通过链状组网的方式或者建立中继站的方式延伸通信距离。通常一个端站设备包括2面抛物面天线、2套功率放大器室外机、2套功率放大器室内机、2套收发信机、1套调制解调器、晶振单元和集中监控设备等配套设备。端站散射通信设备组成如图1所示。

图1 散射通信设备组成

为实现岛屿间对流层散射通信网的可靠通信，采用的关键技术主要有:

①解决了承载业务需要更高通信质量的问题。专门开发一种新波形，对多重分集接收、信道均衡［4，5］与高效纠错编码［6，7］进行了联合优化设计，使误码率大幅降低，通信质量升高至优质链路(误码率≤1×10－7)水平;

②解决了低纬度海岛地区散射通信链路性能较准确的预报问题。经过对某低纬度海岛地区整年重点时段的散射链路观测，获得了重点时段的链路数据，可以对类似海岛地区散射链路的传输损耗以及年传播可靠度进行较为准确的预报。

2．1 新波形及其性能分析

信号经过散射传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落，不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或者增强，导致严重的衰落。常用的抗多径技术手段有失真自适应(DAR)和自适应均衡(AE)。

DAR要求发送信号基带码元留有抗码间干扰保护间隔，基带符号成型必须是完全响应而不能是部分响应。收发通道上的各种失真如滤波器带内不平造成的接收符号展宽，若不超过保护间隔，DAR接收机仍可正常工作。但是，DAR接收机的抗码间干扰保护间隔不可能大于1个符号，而且，大的发收通道幅频特性畸变将严重影响接收性能。而对于AE来说，AE的抗码间干扰能力很容易达到4～8个符号，仅收发通道幅频畸变引起的码元扩展不会高于2个符号;因此，收发通道硬件设计上的瑕疵对AE接收机基本无影响。

2.1.1 新波形的实现

新波形对现有DAR和AE体制进行了综合:在发送端仍然采用带内两频，两频发送相同信息构成2重频率分集;接收端采用8通道AE解调，同时在传输码流中插入训练信息使均衡器稳定地收敛于绝对相位;在此基础上引入一种3/4码率的LDPC几何码作为信道纠错编码。

发送波形采用带内两频交叠升余弦方式，两频中心频点间隔7 MHz。原始信息速率2 304 kb/s，使用 3/4 LDPC［8］编码后速率为 3 072 kb/s，发送信号频谱如图2所示。

图2 发送信号频谱

2.1.2 新波形性能分析

为测试及分析新波形在变参信道下的性能，采用搭建室内测试平台的方法对新波形的性能进行测试。其中用2台Spirent公司的SR5500仿真器来模拟四重显分集不同信噪比、不同衰落模型下的信道。为了使测试环境逼近设备真实的工作状态，SR5500仿真器的收发接口的频率段覆盖4．4～5 GHz。

此外，信道使用等延迟多径瑞利衰落模型来初步模拟非反常传播情况下的实际信道。多径数随多径展宽而增多，为7～14个，衰落速率5 Hz。以7径模型为例，各径延迟及相对衰减如图3所示。

图3 7径信道模型

测试结果如图4所示。

图4 四重显分集下新波形有纠错误码性能

根据图4的测试结果，可分析得出:

①新波形在2σ/T=0．25时就已获得了较好的隐分集性能，在2σ/T≥0．5时，可以达到4重空间分集+2重带内频率分集的理论性能，减少了大突发误码出现的概率;

②新波形在多径瑞利信道下位同步能力很好，当2σ/T≥0．25、Eb/N0=0 dB 时保持时间大于5 min;

③新波形对不同气候条件、不同通信距离引起的多径弥散宽度变化有更好的适应能力，可适应不同地区不同距离的应用场合。

④群路纠错编码对于改善系统性能具有明显效果，在2σ/T≥0．25、BER=1 ×10－6时编码增益可达5～6 dB。

根据通信设备在某岛屿地区的实际工作表现，新波形能更好地适应不同的信道传输模型，并能对窄带干扰进行有效抑制，有效改善了信道传输质量。

2．2 海上信道传播特性分析

按照一般规律，岛屿散射通信链路在经过海面上空传播，依瑞利分布的散射信道传播模式进行统计，海上的散射年中值电平比同纬度的陆地要高6～10 dB;而且海上还常常呈现规则、不规则层反射及大气波导现象，这使得散射通信系统在海上的通信性能大大优于在陆地上的使用性能。但是这些只是理论上的推算和假设，还没有与实际的散射通信链路去检验、验证，更没有进行实际的链路电测。

利用某低纬度岛屿已经建成的散射通信链路，通过特殊的测试设备，对不同的散射通信链路的传播特性进行了实地测试［8］。根据近半年的时间的测试结果，对位于低纬度岛屿地区的散射信道传播特性有了更准确的理解，典型的测试结果如图5所示。

图5 链路测试结果

根据测试结果，可以得出如下结论:

①实际的测试结果比根据《ITU-R P．617》的预测结果要好;

②在较大区域内，长期的链路传播特性具有相似性;

③通过测试并观察，在一条链路上其传播特性变化比较剧烈，而且持续时间较短。

3 站点建设要求

岛屿属于高温、高盐、高湿的海洋性气候环境，雷电和台风较多，下雨过程比较频繁，对散射通信设备特别是室外部分的通信设备材质、防腐处理、防雷设计和安装要求较高。同时，由于散射通信本身的设备特点及在岛屿上特殊的地理环境、使用环境限制，建设散射通信站点［9］有别与其他通信设备之处，特殊要求有:

①岛屿上一般具有多种电子设备，覆盖了很宽的频段，而且还有其他的强电磁辐射源，因此对站点的频谱电测非常重要，因此，根据电测结果要对散射通信设备的安装位置和电磁兼容进行针对性的设计和处理;

②为防止高温、盐雾等对岛屿散射通信设备造成的腐蚀、盐蚀等损害，岛屿散射通信室外设备，特别是天线等设备必须做好“三防”处理;在波导、电缆连接处要做好防水处理，以防雨水进入导致链路通信质量下降甚至中断;

③散射通信设备一般配置有大功率的发射机，而且工作在微波频段，因此要在天线的近场区安装围栏或者设置警示牌，画出警戒线，以防人员进入和驻留。

4 结束语

对流层散射通信作为远程骨干网和超视距地域网中的重要传输手段，具有良好的技术基础与使用经验，而且还在不断地扩展和丰富应用范围。根据已有散射通信链路传播特性进行了分析［10］，不仅可以为现有通信链路的改造升级提供了准确的理论依据和技术支持，还为未来岛屿间及相似地域的散射通信链路建设提供了更为真实、准确的理论支撑。

［1］ 刘圣民，熊兆飞．对流层散射通信技术［M］．北京：国防工业出版社，1981．

［2］ 张明高．对流层散射传播［M］．北京：电子工业出版社，2004．

［3］ 叶天朝．DTR91散射通信设备在岛屿通信中的应用研究［J］．无线电通信技术，2010，36(1)：58 －60．

［4］ 高自新，吴新华，吴慧．大容量散射调制解调技术研究［J］．无线电工程，2008，38(6)：53 －55．

［5］ 刁树林，钟剑波．时域自适应均衡技术的分析与应用［J］．无线电工程，2009，39(9)：44 －47．

［6］ 韩明钥，徐松毅，贾伟．LDPC码在对流层散射通信中的性能分析［J］．无线电通信技术，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］ 刘丽哲．新型散射信道测试机的设计与实现［J］．无线电工程，2012，42(11)：48 －50．

［9］ MIL-HDBK-417．美国军用手册－对流层散射的简便设计［S］．

［10］赵玉超，秦建存，刘丽哲．对流层散射通信传输损耗预计方法分析［J］．无线电工程，2013，43(03)：62 －64．