DTR91散射通信设备在岛屿通信中的应用研究

叶天朝

（中国船舶工业集团公司船舶系统工程部,北京 100036）

0 引言

对流层散射通信是一种利用对流层大气媒介中的不均匀体对电波的前向散射作用而实现的超视距无线通信方式,由于其具有单跳跨距远、通信容量大、抗干扰和抗截获能力强、不受核爆影响,以及能够跨越复杂地形进行全天候可靠通信等突出优点,倍受世界各军事强国的青睐。特别是散射通信还具有在海上传播特性好的优点,较之陆地通信时能够获得大幅度的系统性能提升,所以特别适合在海上应用。美国Comtech公司研制的DTR91散射通信设备广泛用于美国、英国、澳大利亚、远东地区的200km～300km的海军岛屿间通信及岛屿对岸通信中,与海底光缆、卫星通信相比是一种成本低、效益高的通信手段。

1 DTR91散射通信设备

1.1 设备组成

DTR91系列数字对流层散射通信设备,是上世纪九十年代初期美国Comtech公司研制的一种采用先进数字自适应散射调制解调技术的大容量散射通信系统,能够在长达300km链路上提供8Mb/s（4×E1）高速信息传输,适用于各种固定或战术可搬移应用场合,现已应用于美国、英国、巴西、中东等国家和地区的军事机构,以及诸如石油公司等商业用户。

DTR91系列散射通信设备由S575自适应数字散射调制解调器、具有4重分集性能的收发信机、2部功放、2部双工器以及2副天线组成。可根据用户需求配置1kW固态功放或2kW速调管功放;并可选配不同口径的天线,其设备组成框图如图1所示。

图1 DTR91系列散射通信设备组成框图

1.2 主要技术指标

DTR91系列散射通信设备采用先进的自适应均衡技术,具有良好的自适应抗符号间干扰能力;采用4重分集接收技术,并利用自适应均衡器提供的隐分集增益,具有良好的抗衰落性能;设备可工作在750～5000MHz频率范围内的任何标准频段。其主要技术指标如下:

工作频率:755～985MHz,1700～2400MHz分段（1700～2100MHz;2100～2400MHz）,2400～2700MHz,4400～5000MHz;

传输速率:可达8Mb/s;

调制解调方式:QPSK调制（8Mb/s）;自适应判决反馈均衡,相干检测;

分集重数:4重显分集/隐分集;

最大抗多径能力:2σ/T=3;

误码性能:1×10-4～1×10-8。

1.3 主要技术体制分析

（1）自适应均衡技术

大容量散射通信设备除具有中、小容量散射设备的接收信号微弱且时变的特点之外,因其传输速率较高,所占据的信号带宽就更宽,经由对流层散射信道传输时,受到频率选择性衰落的影响就更为严重,使接收信号的频谱产生失真。这时,由多径传播引入的双边多径时延展宽与传输符号宽度的比值（2σ/T）会更大,在时域上就表现为十分严重的符号间干扰,从而使系统引入不可减小误码,严重时系统无法实现正确判决。因此,符号间干扰是大容量散射传输所遇到的首要问题,在信号的接收端必须采取有效措施来消除符号间干扰的影响。DTR91系列散射通信设备采用S575自适应数字散射调制解调器,利用自适应均衡技术对接收信号进行处理。

自适应均衡技术的基本原理是对信号在不同时延上乘以自适应于信道状态的复数加权值,然后予以合并。S575调制解调器采用抽头延迟线滤波器实现自适应均衡,滤波器的加权系数与信道自适应,以去除信道时延展宽引入的符号间干扰。

S575自适应数字散射调制解调器采用目前国际上先进的时域判决反馈均衡结构,散射信号的自适应均衡由1个6抽头前向均衡器和1个4抽头反馈均衡器完成,如图2所示。其可处理的2σ/T达3.0。其中前向均衡器采用加权系数自适应于信道状态的抽头延迟线滤波器实现,使多径时延展宽的宽度减小,从而消除符号间干扰对检测的影响;反馈均衡器用另一个自适应抽头延迟线滤波器实现,它对判决输出序列进行处理,利用相加器输出的取样值,反馈回来消除过去判决的符号间干扰。前向均衡器的抽头间隔为1/2符号间隔（T/2）,因此跨距为3个符号。由于反馈均衡器在当前符号上消除过去的干扰,因此其抽头间隔采用符号间隔（T）,跨距为4个符号。

图2 自适应均衡器原理框图

自适应均衡使用的最佳化准则为最小均方误差（MMSE）准则。在MMSE准则下,均衡器自动调整加权系数向量,使输出误差的均方值达到最小。用来寻找使误差性能函数最小的最佳权矢量的算法采用最小均方（LMS）自适应算法。LMS算法基本上不需要有关统计特性的先验知识,经过一段时间就能够达到实际应用情况下的最小均方误差解,进而能连续不断地调节,保持系统的最佳性能。LMS算法的优势在于它的简易性和有效性,实际实现LMS算法时不需要求平方、平均或者微分计算,其每次权矢量更新需要2N（N为均衡器抽头数目）次乘法。由于对流层散射信道的时变速率比信息传输速率要慢得多,所以,采用LMS算法的自适应均衡器能够跟踪信道的响应。

（2）显、隐结合的分集接收技术

散射信道是典型的随机多径变参信道,散射信道的多径传播造成了通信信号的快衰落。为了有效地克服多径衰落对系统性能的严重影响,散射通信系统需要具有4重以上的分集效果,通过获得衰落不相关的多个分集支路信号达到较好地平滑信道深衰落的目的。该系统利用2部收发信机、2副天线构成4重空间分集;同时,在一定的多径展宽范围内,利用自适应均衡器可产生近似于2重的隐分集效果,从而使总的分集重数达到8重,使系统具有良好的抗衰落性能。

自适应均衡器提供隐分集增益的基本原理如下:均衡器将每一多径分量（可以看成单独的分集支路;而支路与支路之间有某种程度的相关性）中信号能量进行相位校正和合并,从而使信噪比得到改善,由于这种改善对发送信号波形是隐含的,因此称为隐分集。即使在各分集支路之间的归一化相关系数不为零时,也能够实现一定的分集效果。因此,多径均衡是一种形式的带内分集合并,从而提供了隐分集增益。

2 应用分析及实例

2.1 应用分析

美国海军在对岛屿通信的应用需求分析中认为:采用海底光缆实现可靠的岛屿间通信及岛屿对大陆通信是非常昂贵和具有挑战性的。在岛屿间安装海底光缆需要数百万美元的巨大投资,而且容易受到舰船和海浪的冲击而损毁。

如果需要与邻近岛屿通信,卫星通信显然也不是最佳选择。由于岛屿之间链路往往为中远距离,采用卫星通信不能发挥其长距离的优点;而且岛屿彼此间通信点数多,占用资源大,采用卫星通信时将使用户拥挤、地球站数量不够,可能无法达到需要的带宽。因此卫星通信对于视频和图像传输难以保障充足的数据率。超过256kb/s数据率时,建立卫星链路就很昂贵。卫星非常适于大陆之间远距离通信,但用于建立中远程通信链路对于有限的资源无疑是一种浪费,特别是在200～300km的通信链路中卫星通信并非首选。

而对流层散射通信在军事上的应用已有40多年,被公认为是中远程链路通信中的一种成本效益高的通信手段。通过安装散射通信系统,用户可以排除大部分用于卫星和光缆重复性投入的成本,实现超视距传输。并且散射通信在海上应用时,具有传播特性优于陆地散射通信的特殊性。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6～10dB;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的使用性能。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;而为了实现同等容量和通信距离的信息传输,对设备能力（发射功率、天线口径）的要求要显著低于陆地传播。因此,美国海军已将对流层散射通信视为解决岛屿通信最有效的手段而大量应用,Comtech公司研制的DTR91系列散射通信设备就是其中的典范。

2.2 应用实例

DTR91散射通信设备自上世纪90年代初期问世以来,在海军岛屿间通信及岛屿对岸通信中获得了广泛应用,在远东战略岛屿间建立了218km、219km、186km、269km的4条跨海8Mb/s散射通信链路;在英国CATS工程中建立了228.4km、254.2km的两条岸-岛间跨海数字对流层散射通信链路。

3 结束语

美国Comtech公司研制的DTR91系列数字对流层散射通信设备采用先进的自适应均衡技术,具有良好的自适应抗符号间干扰能力以及4重显分集与隐分集相结合的抗衰落效果,是当今世界上较为先进的大容量对流层散射通信机,在200～300km的海军岛屿间通信及岛屿对岸通信中获得了广泛应用,与海底光缆、卫星通信相比是一种成本低、效益高的通信手段。

[1]常迎春,对流层散射通信在军事通信中的应用[J].计算机与网络,1997（3）:21-24.

[2]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.