基于散射通信的新型应急指挥车设计及实现

邵建伟，徐志平

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081;2.中国人民解放军96275部队，河南 洛阳 471003)

基于散射通信的新型应急指挥车设计及实现

邵建伟1，徐志平2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081;2.中国人民解放军96275部队，河南 洛阳 471003)

针对应急指挥通信系统要求对事件现场的实况进行语音、视频和数据等多种业务的实时通信，以保障固定指挥中心对紧急事件的实时掌控，设计了应急指挥车，集成散射通信、短波、超短波和地空电台等多种通信手段以及多种信息采集处理方式。首次采用散射通信方式，实现了应急指挥车与固定指挥中心间的宽带超视距传输功能，单跳通信距离可达120 km(@8 Mbps)。

应急指挥车；散射通信；指挥所

0 引言

应急通信系统主要是应对各种重大的突发事件，因此应急通信系统的安全性往往关乎广大人民群众的生命和财产安危[1]。应急指挥通信系统是处理突发事件时指挥控制信息传输的关键部分，由于突发事件与固定指挥所间的距离不确定，采用传统的视距微波传输方式受到很大限制；同时为了掌握现场第一手资料，往往需要应急指挥车将现场的话音、视频和监控数据等信息实时传输到上级指挥部，因此，要求应急指挥车具备超视距宽带传输能力。针对上述需求，通过对各种通信手段的对比分析，提出了采用散射通信作为超视距宽带通信的主用手段，设计了新型应急指挥车。

1 散射通信的特点

在我国已建设的应急通信指挥系统中，主要包括公网、卫星通信、电台和微波通信等[2]。每种类型的通信技术都有其特点，适用于特定的应用领域和业务，因此在设计应急通信系统时，很难有一个统一的和完美的体系架构，而且也很难使用单一的通信手段[3]。

经调研，用户在使用过程中，往往会遇到以下几个问题：① 应急情况下，公网信道拥挤无法正常使用；② 卫星通信带宽窄，租费高昂，资源申请困难；③ 电台信道不稳定，易受干扰和侦听；④ 微波通信需视距，受地形影响大。因此，应急通信指挥系统急需一种远距离、超视距、高带宽、抗干扰、抗截获和高质量的通信方式，可快速在应急事件现场部署，为突发情况或战时指挥提供有力通信保障。

对流层散射通信是一种超视距通信方式，通过对流层湍流对电波的散射作用，实现超视距越障通信，能够适应沙漠、山川、海岛和建筑等多种地形地貌[4]，其具备高带宽、远距离、高可靠和高保密的越障通信能力，能够为处置应急突发事件提供满足实战需求的通信保障[5]，具有非常深远的意义。

2 应急指挥车系统设计及组成

应急指挥车作为现场指挥所，通信手段应满足近、远，对地、对空等环境下的通信需求；其次就数据采集源来说，不仅要摄录舱内信息，同时还应实时采集舱外实况、气象情况等；最后舱内设备工作，人员办公所需的保障条件，需要合理设计。

基于以上需求和设计思路，通信车高度集成各种音视频信息采集设备，依托大容量散射通信，实现远程监视、视频会议、多媒体播放、卫星电视广播、光纤引接远传、实况信息记录、语音通话、传真、视频分发、显示控制及指挥调度等功能。配备短波、超短波以及多波段全模式电台、北斗卫星指挥机、用户机和无线AP等设备，进一步保障了特殊条件下的应急通信[6]。

应急指挥车组成如图1所示。

系统设计流程为：

① 视音采集处理方面：音视频采集设备采集信息后，进入视频矩阵和调音台分别进行交换处理，其中视频矩阵可切换任意视频源输出到显示屏或者编解码设备(用于模数转换后进入信道传输)，也可切换到远传设备进行短距离的有线引接；

② 调度指挥方面：系统配备视频会议终端和专用电话会议终端，来召开现场电视电话会议，同时为话音接入公网，同时配备了调度交换机，实现话音调度；

③ 场景通信方面：根据使用场景的不同需求，配备多种电台和北斗指挥系统。

3 散射通信的抗衰落设计

系统主要依托于散射通信方式与指挥中心进行数据交换，而根据地理环境特点，要求散射通信以双天线对单天线的形式设计，因此针对抗衰落性能做了特殊设计。

考虑到系统的实用性和作战性，该系统应用形式为机动站和固定站，也即机动指挥所和固定指挥中心。固定站天线采用单天线结构，配备自动伺服系统，可做360°方位转动。机动站灵活机动部署在紧急事件发生现场，以固定站为中心，可在半径120 km范围内完成应急通信保障，提供8 Mbps IP业务传输能力。主要技术指标为：① 工作频率：C波段；② 通信距离：≤120 km；③ 传输速率：2～8 Mb/s；④ 对外接口：IP透传接口。

应急指挥车的系统设计原理框图如图2所示。

车载站包含2面天线，固定站含有1面天线，设计时首先需解决2对1非对称系统的信道衰落问题。分集接收是散射通信的关键技术，系统的性能严重依赖分集合并的效果，若设计指标要求BER优于10-5，显分集通道不应少于3个；如若不然，即使在每通道平均Eb/N0>20 dB时BER也不能满足要求。

散射通信系统分集方案可采用以下2种：其一，继承目前对流层散射通信系统通用设计，单纯采用2发1收(1发2收)，集中设备发射功率，实现2重空间分集；其二，采用2发1收(1发2收)空间分集结合带内2频的分集方案，实现4重显分集。由图3误码性能曲线可以得出，在BER=1×10-6时，4重分集Eb/N0需要11 dB，而2重分集所需要的Eb/N0>20 dB，二者相差超过10 dB；在BER=1×10-4时，4重分集Eb/N0需要6 dB，而2重分集所需要的Eb/N0则为15 dB，二者相差9 dB。因此，4重分集接收性能明显优于2重空间分集，其根本原因是4重分集下的散射信道衰落被平滑得更充分，更加接近AWGN信道，从而LDPC编码的编码增益更高[7-8]。

不同分集重数下的误码性能曲线如图3所示。

图2 系统原理框图

图3 不同分集重数下的误码性能曲线

车载站采用双天线结构，做2重空间分集，信号形式为带内2频交叠升余弦，频率间隔14 MHz；同时2面天线的发频率间隔30 MHz。车载站到固定站的收发频率分配如图4所示，固定站接收机可接收分别来自2面天线的信号，并且信号的频谱不相互混叠，可在频域分离，从而实现4重分集。

图4 车载站到固定站的收发频率分配

固定站也采用带内2频交叠升余弦信号形式，频率间隔14 MHz，由1面天线发射，同时被2面接收天线接收。固定站到车载站的收发频率分配如图5所示，车载站的2面天线可分别接收固定站的发射信号，然后信号通过2个独立的射频通道下变频后送入调制解调器，从而实现4重分集。

图5 固定站到车载站的收发频率分配

通过设计空间与频率相结合的显分集技术克服散射通信系统的电平衰落，同时结合抗衰落自适应均衡(AE)技术，消除信道引起的信号畸变，并获取2重隐分集增益。因此，系统可达到8重分集接收效果，优于传统的2重空间分集接收设计5 dB，可使年传输可靠度由95%提升至99%。

4 天线自动对准的改进设计

针对散射通信天线固定和对准，做了优化设计，提升了系统可靠度和易用性。

4.1 快速天线对准——双北斗定位测向

快速天线对准，要求不需要借助于任何仪器，只需要通过算法软件控制来实现散射通信天线快速自动对准，这对适应快速部署的需求具有重大的现实意义[9]。以往天线对准设计中，采用电子罗盘获取当前车体朝向，而电子罗盘指示精度低、维护难的特点，导致天线对准功能不尽人意。

双北斗定向系统(含北斗一代)，测向精度可达0.2°/m。设计中，沿舱体前后朝向各安装1个北斗二代定向天线，基线长度大于4 m。所测的定向角度即为车头朝向。在舱顶合适位置安装1个北斗一代天线，用于短消息报文收发，互传各端站的地理位置坐标信息。

舱内安装1台接口单元设备，与3个北斗天线相连接，设备加电后自动获取北斗二代卫星定位信息进行解算，最终计算出基线长度，指向角度(即车头朝向)，整个数据锁定过程十分迅速。北斗测向系统框图如图6所示。

通过北斗一代卫星的短消息报文收发功能，两端站均可得知对端的地理位置坐标。散射控制台软件根据车头朝向A和通信方向B，计算天线转动偏差角C，并控制天线转动，从而实现天线自动对准功能。

图6 北斗测向系统框图

4.2 天线锁紧方式——电磁铁

以往天线固定采用抱箍锁紧方式，遇到紧急情况时，天线面无法释放打开，导致天线面折弯损坏。电磁铁主要由永磁体、线圈和防水外壳组成。不加电时，电磁铁为永磁铁，对天线产生吸附力50 kg，足以抗拒颠簸产生的强拉应力。加电后，线圈产生相反方向的磁性以达到抵消整体磁吸附力的效果。

设计中，在相应固定部位安装电磁铁，替代抱箍、挂钩等结构件。天线展开时，天线控制器首先对电磁铁加电，抵消磁力以释放天线，然后开始执行自动展开程序。天线收藏时与此类似，过程完成后，天线控制器取消对电磁铁加电，使其恢复为永磁铁状态，吸附天线面及馈源支臂进行固定。

整个操作过程均由程序自动完成，中间过程无需人工干预，这大大降低了人员操作危险性(舱顶跌落、忘记摘除挂钩等)，同时节省了工作时间(无需中途程序暂停，人工摘除馈源抱箍)。

5 试验验证

对通信性能进行试验验证，以固定站为中心，在西、北、南3个方向各选取1个试验地点(120 km)，在北向额外选取了1个150 km试验地点。测试季节选择在散射信号传播最为恶劣的冬季，进行24 h的8 Mbps功能和性能测试统计，每8 h记录一次数据，测试记录如表1所示。

表1 测试记录表

6 结束语

以散射通信为主要传输方式的新型应急指挥通信系统，经过试验验证，功能性能均满足预期要求。散射通信应用于应急指挥通信领域，提供了除卫星通信之外，另一种高效和安全的干线通信手段。散射通信能够无缝接入指挥网，可与卫星通信组成互备份链路，进一步提高通信可靠度，能够有力保障突发事件发生时，指挥中心与第一现场的业务联系。

[1] 李 青,杨树强,陈建辉,等.基于应急通信的多网融合信息安全网关设计与实现[J].移动通信,2015,39(8)：65-68.

[2] 张友胜,赵 钊,刘振岭.一种新型综合指挥调度系统[J].无线电工程,2008,38(6)：5-7,23.

[3] 刘建锐.应急通信中各种通信手段的优劣分析[J].计算机与网络,2012,38(10)：65-67.

[4] 王晓春,秦建存.散射通信海上应用研究[J].无线电通信技术,2008,34(3)：62-64.

[5] 段有为.散射通信在海洋石油开采中的应用研究[J].无线电通信技术,2007,33(3)：51-53.

[6] 李中勤.移动指挥车系统的设计与应用[J].电讯技术,2006(2)：129-132.

[7] 沈斌松,任文成.散射通信同频发射分集技术方案探讨[J].无线电通信技术,2015,41(3)：17-19,82.

[8] 平先仙,徐松毅,张玉琴.散射通信的协作分集技术研究[J].无线电通信技术,2013,39(1)：22-24.

[9] 张玉梅,王新龙,王 赟.散射通信车载站天线自动对准技术研究[J].无线电通信技术,2009,35(3)：39-40,58.

Design and Implementation of a New Emergency Command Vehicle Based on Troposcatter Communication

SHAO Jian-wei1,XU Zhi-ping2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.Unit 96275,PLA,Luoyang He’nan 471003,China)

Aiming at the requirements of emergency command communication system to provide multiple-service real-time communication such as live audio,video and data of the event scene and guarantee the fixed command center to implement real-time control on emergency event,the emergency command vehicle is designed.It integrates multiple communication methods such as troposcatter communication,HF,UHF,ground-to-air radio and multiple information collection and processing methods.Using troposcatter communication for the first time,it realizes the wideband BLOS transmission function between emergency command vehicle and fixed command center,and its communication distance can reach 120km(@8 Mbps) for one hop.

emergency command vehicle;troposcatter communication;command center

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.24

邵建伟，徐志平.基于散射通信的新型应急指挥车设计及实现[J].无线电通信技术,2017,43(2)：94-98.

2016-12-09

邵建伟(1985—)，男，工程师，主要研究方向：散射通信系统集成。徐志平(1969—)，男，高级工程师，主要研究方向：电子信息系统。

TN926.4

A

1003-3114(2017)02-94-5