战场环境下无线实时传输网络基站功能设计及技术探讨

部队演习训练时，需要对参与人员进行考核及对在役装备进行性能等评估，作为前端数据采集设备和后台指挥中心的评估考核系统之间桥梁——无线实时传输网络的设计显得尤为重要。无线传输网络包括了卫星通信网络、移动通信网络等，随着科学技术的不断发展，公用无线传输网络趋于完善，基本实现了国内全覆盖。但是某些情况下，仍然需要搭建私有无线传输网络。在部队演习或科目训练考核期间，由于保密、成本等原因，需要搭建临时的无线实时传输网络，将移动车载前端采集的数据、战场环境数据、视频数据等实时回传到指挥中心，为指挥人员和组织人员提供现场数据。本文针对复杂战场环境下的无线实时传输网络基站的功能设计进行阐述，以及对基站中频域均衡算法、基于训练数据的信道估计方法、天线分集接收等技术进行了探讨。

一、无线实时传输网络基站功能设计

（一）广域覆盖

根据部队演习、训练场所的一般范围、电磁特性，设计范围半径3km～5km。选型基站的工作频段为300MHz～1GHz，这个频段的无线实时传输网络基站可达到10km的覆盖半径，满足部队一般演习和训练考核的需求。

为了保证通信基站有较大的有效通信范围，提高通信效率，无线实时传输网络基站采用双天线分集接收技术以充分利用空间分集能力。传统的无线网络接入技术（如Wi-Fi、蓝牙等），只是单纯的热点接入与覆盖，而不能称之为局域网。本文探讨的无线实时传输网络定位于更容易组成局域网，使得无线实时传输网络有效覆盖范围内通信设备之间享受独立的、快速的数据传输服务。

（二）高速数据传输

本文描述的无线实时传输网络单基站系统设计在4M带宽下提供高达4.2Mbps的净数据吞吐量。因此系统了无线通信新技术，比如采用双天线接收结构、CDMA、单载波频域均衡传输等技术，使基站能够在一定的有限带宽下提供相对高速的数据传输服务。

（三）支持同频组网

无线实时传输网络基站支持同频组网。本文探讨的实时传输网络为了在有限的频率资源的条件下组较大规模的无线实时传输网络同时使得传输基站及网内覆盖范围内的数据传输设备在通信时具有良好的抗同频干扰能力，无线实时传输基站可采用动态信道分配等新技术。而应用其他信道分配技术的无线实时传输网络系统在同频组网性能指标方面具有一定的劣势。

（四）支持非视距传输

无线实时传输网络基站与网络有效覆盖范围内的数据传输设备在数据通信时需要具有良好的非视距传输能力，网络可同时对空旷场所和有遮挡物场所具有良好有效的通信范围覆盖。由于在战场环境中，无线接入的很多应用场景在室内或者有遮挡物，因此非视距传输能力是衡量一个无线实时传输网络的重要指标。

（五）支持大量用户并发

演习、训练战场由于通信设备众多，因此对无线实时传输网络系统的并发容量提出很高要求，多设备可能会同时通过无线实时传输网络基站传输数据，数据格式包括：图像、语音、文本等，同时，在演习、训练的过程时间可能会相对比较长，这就带来了通过无线实时传输网络进行数据通信时单位时间内的通传数据量大的问题，也就是通信链路的数传容量会很大。基于这一需求，本文探讨的战场环境下无线实时传输网络基站设备采用TDMA时分多址进行带宽的动态分配同时支持双向255个并发信道，满足了通信要求。

（六）支持移动性

战场环境下，演习、训练的进程中，通过无线实时传输网络进行的数据通信传输的终端、数据采集装置等通常被安装在移动车辆（步战车、指挥车等）上，因此针对战场这一特殊环境，对无线实时传输网络基站的选型、设计需要考虑无线实时传输终端的移动性，需满足移动环境下的宽带无线接入需求。

二、无线实时传输网络基站主要技术

（一）收发模块

无线实时传输网络基站收发模块主要功能包括基站下行数据和上行数据的发送和接收。接收数据时，信号从两根天线接入，分别进行滤波、放大、混频、模数转换等操作。

射频前端模块接收通道采用两次变频来完成的。两次变频的中频信号都设计成相近频率，这样可以采用相同的元器件，以保证设计的一致性。每个信道在设计时考虑射频通道的宽频点、可配置性、可扩展性等功能，按照信號的最大传输带宽设置滤波器，使用宽带的混频器和频率综合器等模拟器件，用户只需要更改频率综合器的频率控制字，就可以产生所需信道的本振信号，频率控制字由单片机控制输入，如图1。这样可以接收到宽频模拟信号，体现了系统的灵活性和可配置性。

（二） 处理模块

无线实时传输网络处理模块完成双向数据组织、数据发送接收以及协议栈运行。本文采用单载波频域均衡技术进行上行帧的发送和下行帧的接收。

1.数据发送

数据发送原理如图2：

无线实时传输网络处理模块的发射过程简单描述为：首先是信道编码，即信号信息在输入端完成二进制转换，编译成适合信道传输的信号；经过信道编码后的信号通过映射包括插入保护间隔，再经过脉冲整形，D/A变换完成由最初的数字信号到模拟信号的转变，最后调制包括变频到射频信号。

2.数据接收

数据接收原理如图3：

天线是无线实时传输网络基站的最后发射端和最初接收端，无线射频信号经过天线的接收并通过下变频变换成中频模拟信号。而基站内部只能对数字信号进行处理，因此，基站接收到的数据还需要经过A/D转换成处理板能够处理的数字信号。与发射过程相反，模数转换后的数据通过时间、频率同步、信道估计等操作通过傅里叶逆变换、解映射、解码等过程，完成由最初的射频信号到二进制数据的转换。

3.频域均衡算法

在信号处理的过程中不可避免的会产生符号间干扰，但是如何消除或者是减轻这些干扰是尤为重要的。无论是时域还是频域均衡最终的目的是为了消除或者减轻符号间干扰。

本文的无线实时传输网络基站探讨的使用频域均衡器来消除符号间干扰。频域均衡器主要是在频域的范围内进行信号的均衡补偿。在这个过程中首先需要将时域信号通过傅里叶变换成频域信号，在频域完成均衡后再通过反傅里叶变换成时域信号。在这一系列过程中，大多计算处理集中在傅里叶和反傅里叶计算过程中。这种均衡方法就是使用一些滤波器的频率特性去补偿衰减的基带系统的频率。最终使得基带系统基本保持不失真。

为了在均衡时保证噪声功率不会被放大，根据最小均方误差准则可以得到最小将均方误差频域均衡的均衡器系数为：

式中H*（k）为信道传输函数，SNR 为信噪比。信号通过频域均衡器后可以表示为：

4.信道估计算法

目前针对信道估计算法通常有：1.基于训练序列（导频）的估计；2.盲估计。基于训练序列的估计和盲估计两种算法两者各有优缺点。基于训练序列的估计在发送端定时发送特定格式的序列，这个序列也称为训练序列，而接收端则根据序列通过信道的变化计算出信道的反应。基于训练序列的估计算法优点是结果准确可靠，估计过程迅速，缺点是由于发送端不停的周期性发送序列，导致浪费了部分带宽资源。而盲估计不需要发送训练序列，因此也不会浪费带宽资源，盲估计是根据信号的统计特性完成信道参数的估计。缺点是盲估计算法复杂度高。

本文描述的是基于训练数据的信道估计方法。关键是产生训练序列，训练序列采用固定结构的帧头。单载波频域均衡系统在传输数据的首尾插入相同长度的训练序列，每一段传输数据与后面的训练序列组成一个数据块，训练序列的插入使得传输数据块具有理想的周期性的自相关特性。每一个数据块前面的训练序列可以克服前一帧数据对该帧数据的干扰。

如果已知训练序列频域 X （k）的值，一种简单的想法是利用LS进行频域信道估计。

其中Y （k），k = 0，1，2，N-1为接收信号的频域形式， H （k），k = 0，1，2，…N -1为信道频率响应的实际值。

这种信道估计方法称为最小二乘（LS）信道估计方法，其特点是运算简单，当合理选择训练序列x（n）时能够达到工程上可接受的估计精度。

5.天线分集接收

分集接收技术是移動通信的一种抗衰落技术。简单来说，分集接收技术就是采用多副接收天线来接收信号，然后进行合并。在某一接收天线所对应的无线传播路径中经历了深度衰落时，其他天线的接收信号中仍可能包含着较强的有用信号，因此可以对多路接收信号进行合并，这样就有效降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。

分集接收技术在不增加发射功率或牺牲通信带宽的情况下提高了传输的可靠性和稳定性，为实时图像传输提供了强有力的保障。

本文描述的最大比合并分集接收算法，是将两个天线信号相位进行旋转对齐后再进行处理，也就是说通过两个天线信号产生各自的输出信噪比，将两路信噪比合并为最终的输出信噪比。当其中某路天线信号产生偏离或者不可用时，最大比合并算法依然可以通过另一路的天线信号合并成一个符合要求的输出信噪比信号。

6.协议栈

软件协议程序贮存在硬盘上，运行时调入内存执行。主要分为注册、同步、寻呼等过程。

三、结语

由于战场环境复杂、使用通信设备众多等特点，在设计无线实时传输网络时需要考虑网络覆盖范围大、多用户并发接入、抗震性高等功能性能指标。演习、训练场地频繁更换导致无线实时传输网络设备具有可快拆装、便携等特点。在无线实时传输基站设计过程中频域均衡器、信道估计算法的选择尤为重要，同时分集接收技术是一种用相对较低廉的投资就可以大幅度改进无线链路性能的强有力的技术。

参考文献

[1]柏均，李永志，闫鹏.McWiLL系统在应急通信中的应用分析[J].无线通信技术，2008（02）：39-42.

[2]郭友波.单载波传输系统自适应频域均衡研究[D].西安电子科技大学.2005.

[3]李庆忠.单载波频域均衡技术研究[D].哈尔滨工业大学.2008.

（作者简介：范彬，陆军装备部驻上海地区航空军事代表室。）