海岛散射通信应用研究

曹 诚， 鞠茂光， 朱华进

（海军通信应用研究所，北京 100841）

0 引言

自上世纪五十年代以来，在通信领域内最突出的成就之一就是发现了电磁波的散射传输现象，即通信波束在大气层中产生了主要能量集中于前方的前向弯管超视距传输，其中利用通信波束在高空10～12 km以下对流层中产生的散射现象进行通信的方式称为对流层散射通信。散射理论认为，电波在对流层中的散射传播是湍流不相干散射传播，由于在对流层中不断产生大气涡流（湍流），使温度、湿度和气压产生随机变化，引起大气折射指数N发生变化，（各处介电常数ε不同，且随机变化），当电磁波进入这种折射指数不断起伏的区域（称公共体积或者散射体），利用大气的不均匀性产生散射，部分前向散射波落到接收天线的波束内，就形成超视距传播。

由于散射通信工作在超短波和微波波段，单跳距离远，通信容量大，传播信道稳定，可靠性高，抗干扰、抗毁、抗截获能力强等特点，已经在现代通信中广泛应用，特别是在军事通信和远离大陆的海岛通信中能够发挥重要的作用。

1 海岛散射通信理论依据

通过分析海岛通信应用需求可知，实现海岛与大陆或者海岛间的通信方法很多，有海底光缆、卫星、微波通信等多种方式。采用海底光缆虽然可以实现可靠的海岛间及海岛对大陆间的通信，但是海底光缆建设成本昂贵，而且容易受舰船、海浪的冲击而损毁，维护保养难度大。海岛间或者海岛与大陆间的通信链路往往为中远距离，如果采用卫星通信既不能发挥其长距离通信的优势，又需要占用大量通信资源，在通信距离通常小于200 km的海岛通信链路中卫星通信并非首选。微波通信作为视距内通信，如果海岛间或者海岛与大陆间距离超过50 km，采用微波通信需要中继，容易造成通信信号衰减，通信质量下降等问题。

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，目前国际上已成功实现了40 Mb/s的传输速率；三是对流层传播信道稳定，支持全时域、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；四是抗干扰、抗截获能力强、抗毁性能好，是其它通信方式不可比拟的。另外，海岛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；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。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，散射通信对设备能力(发射功率、天线口径)等的要求显著低于陆地传播需求[1]。

综上所述，由于散射通信的突出特点，在海岛通信应用中，利用散射通信既能够有效弥补使用光缆、卫星、微波、短波等通信手段带来的不便，又可以实现超视距、高质量、变带宽的可靠海岛无线通信。

2 散射通信关键技术

散射传输系统通常由两个通信端站组成，可实现点对点散射通信，能够完成数据和话音的传输，如果海岛间距离或者海岛与大陆间通信距离过远，也可通过建立中继站的方式达成散射通信。通常一个端站设备包括用户室内单元（复用设备一台、散射通信低频设备一台）、室外单元（散射通信高频设备两台）、天线及配套电缆等。散射通信系统组成框图如图1所示。中继通信系统组成框图如图2所示。

图1 散射通信系统组成框

图2 中继方式通信组成框

散射通信通常采用多重分集接收及最佳合并、BPSK调制和相干检测、固态功率放大器、语音编解码、自适应均衡、纠错等先进技术，使得设备性能稳定可靠，体积小、重量轻、工耗低，通信质量高。

2.1 分集接收及最佳合并技术

在实际的散射通信系统中，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。分集接收技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道传输下的可靠性。分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同，接收机使用多个副本包含的信息能够比较正确的恢复出原发信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。而采用分集方法可以降低发射功率，这在散射通信中非常重要。

在散射通信系统中，当信号接收端取得若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。从合并所处的位置来看，合并可以在检测器以前，即在中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并，合并也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。合并时采用的准则与方式主要分为最大比值合并（MRC）、等增益合并(EGC)，选择式合并(SC)和切换合并[2]。由于最大比值合并的性能最好，在散射通信系统中通常采用最大比值合并技术。

2.2 自适应均衡技术

散射通信设备除具有接收信号微弱且时变的特点之外，因其传输速率较高，所占据的信号带宽很宽，经由对流层散射信道传输时，受到频率选择性衰落的影响严重，导致接收信号频谱产生失真。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（2/Tσ）会很大，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，符号间干扰是散射信号传输中所遇到的首要问题，在信号的接收端必须采取有效措施来消除这种符号间的相互干扰。

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。一般散射通信设备的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。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算法的优势在于它的简易性和有效性，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[3]。

3 海岛散射通信端站建设要求

由于海岛属高温、高盐、潮湿的海洋性气候环境，雷电和台风较多，雨季时间较长，对通信设备特别是室外通信设备的材质、安装要求较高。同时，由于散射通信本身对地域和空域的特殊要求，在海岛上建设散射通信端站有别与其它通信设备之处。特殊要求有：

①散射通信是利用10～12 km以下的对流层产生散射现象进行通信的，由于发生散射现象空域离地面较近，为避免地面建设物或者高山、树木等对信号传播遮挡造成的影响，必然确保在信号传播前言至少2 km范围内无高大的建筑物或者自然遮挡物；

②为防止高温、盐雾等对海岛散射通信设备造成的腐蚀、盐蚀等损害，海岛散射通信室外单元，特别是天线等设备必须做好“三防”，在台风较多地带要加装必要的防风罩；

③为防止由于信号衰减造成通信质量下降等问题，散射通信室外单元与室内单元相隔不应太远，一般确保在20 m距离范围内，天线与室外单元距离在3 m范围内为佳。

4 结语

散射通信是利用对流层产生的散射现象达成通信的，由于其传播距离，传播速率快，传输容量大，可靠稳定等优点，已广泛应用在中远距离的无线通信和军事通信中。由于海岛地理环境和气候环境的特殊要求，同采用其它通信手段相比，采用散射通信手段达成海岛间或者海岛与大陆间的通信是一种既便宜有可靠的通信方法。近年来，随着对散射通信技术的不断深入研究，散射通信的使用范围在不断在扩大，在无线通信中发挥的作用越来越大。

[1] 王晓春,秦建存.散射通信海上应用研究[J].工程实践与应用技术,2008,34(03)：62-64.

[2] 陈志元,任欣.对流层散射通信新技术及其军事应用[EB/OL].（2009-07-01） [2010-05-1O]. http：//wenku.baidu.com/view/7c5a6a4ac850ad02de8041fe.html.

[3] 叶朝天.DTR91散射通信设备在岛屿通信中的应用研究[J].工程实践与应用技术,2010,36(01)：58-60.