短波广域分集技术研究

刘青龙，董家山

（1.华南理工大学 电信学院，广东 广州 510640；2.广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

短波广域分集技术研究

刘青龙1，2，董家山2

（1.华南理工大学 电信学院，广东 广州 510640；2.广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

短波广域分集技术是利用多个相距较远的、通过网络互联的短波固定台站，将不同地域空间和不同极化天线所接收到的短波信号，通过实时汇聚和合并解调，有效提升短波话音通信的稳定性和可靠性。针对短波广域分集接收系统的设计，首先对其技术特点作了详尽介绍并指出其设计难点；对短波广域分集接收技术国内外当前的研究状况进行了总结和概括，最后介绍了短波广域分集接收中的关键技术并指明了其未来的发展趋势。

短波通信；广域分集

0 引言

短波通信作为一种可以不依赖于易被摧毁的固定基础设施的通信手段，具有通信距离远、机动灵活、组网便捷等优点，其能力的发展和提高可以为“海、陆、空、天”一体化协同作战提供重要的基础能力支撑。

由于短波通信依赖于不稳定的大气电离层反射，短波信道存在时变色散、衰落和干扰严重等特点。同时，随着短波频段面临的电磁环境不断恶化和远距离、高动态战场环境的通信需要，提高短波通信的可通率和通信质量迫在眉睫。随着分集接收技术应用日益广泛，将短波通信与空间分集接收技术相结合的短波广域分集接收技术是一种重大的应用创新。该技术在我国不具备完备的卫星通信网背景下，对提高我国军用通信系统安全具有重要意义。

分集技术是针对包含相同信息、经过多个相互独立路径传输的多路信号实施合并处理，以达到减小各种衰落、提高抗干扰能力的目的。不论是在民用还是在军事装备中，分集技术的应用都非常广泛。在军事领域，针对隐身技术日渐完善的隐形飞行器，现有常规雷达对高速、超高速目标的捕获显得捉襟见肘。外军现役先进雷达装备通过引入分集接收技术来提高对太空和临近空间快速目标的探测能力，如外军装备的反隐身MIMO米波雷达就是将谐振效应与分集接收技术相结合。此外，在防空系统的建设中，使雷达阵地发挥分集接收功能、并与导弹阵地相隔较远距离，不但可以大大提高雷达探测精度和抗干扰能力，还可以提高导弹阵地的抗打击能力。此外，NASA还将天线阵空间分集接收技术应用于具有极低信噪比的深空探测，获得了高质量的语音和图像信息。在民用领域，蜂窝移动通信系统中就广泛应用了分集接收技术，如 RAKE接收机、MIMO、协同分集接收技术等。分集技术另一个重要的应用领域就是现有的高速铁路通信系统，如我国上海运营的磁悬浮车地通信系统。

短波广域分集接收就是利用多个相距较远的、通过有线互联的短波固定台站，将不同地域空间和不同极化天线所接收的短波信号，通过实时汇聚和合并解调，有效提升短波话音链路的稳定性和可靠性[1-2]。图1是基于软值合并的多天线地空短波分集接收技术框图。移动台通过声码话设备将编码后的数据通过短波电台发送出去。地面各个短波台站进行同步头捕获与频率校正、信道均衡与解调软值操作。由于需要对多路信号进行分集合并处理，信号的汇集方式包括 IP网、数据专线和电话公网等多种方式[1]，可以根据业务服务质量的要求进行合理选择。在汇聚端，对各路信号通过同步信息进行时延校正，并对各路解调软值数据进行合并处理，从而提高系统接收性能。这样的合并处理方式可以有效处理各路信号到达汇聚点时延迟不一的问题。

图1 短波地空广域分集接收技术框图

1 短波广域分集接收特点及难点

1.1 短波广域分集接收特点

分集接收技术是发端将信号分散传输、收端集中处理、从而减少多径衰落影响的技术。目前，主要的分集接收技术包括空间分集、频率分集、极化分集、角度分集、时间分集等。短波广域分集接收主要用到的是下行信道（移动台到固定台）的空间分集和上行信道（固定台到移动台）的频率分集。在下行信道上，由于多个不同短波台站间的间隔距离足够远，不同天线接收信号是相互独立的，根据不同信道间信息的互补来增强接收效果。在上行信道上，将信源信息调制到载频间隔足够宽的不同载波上进行传输，从而获得衰落特性相互独立的多路信号。

根据汇聚端对多路信号合并的方式不同可以分为三种：选择式合并、等增益合并和最大比合并。这三种合并方式的复杂度和获得的分集增益都是有所差异的。

选择式合并是从接收到的多路信号中选择信噪比最大的一路信号输出，该合并方式算法复杂度低，易于实现。但是只利用了多路信号中的一路信号，分集增益低。

相比之下，等增益合并和最大比值合并均对多路信号进行了合并处理，分集效果更加明显。等增益合并是对各路信号对齐后作等系数加权合并处理，算法复杂度较低，可以提高接收性能。但缺点是，当存在某一路或者多路信号的信噪比很低时，会导致分集合并性能急剧下降，甚至可能低于选择性合并。

最大比值合并则依据各路信号的信噪比分配不同的加权系数，再对各路信号进行加权合并处理，从而最大化接收信号信噪比。但缺点是算法实现复杂，同时需要实时、动态、精确地测定各条信道的信噪比来准确地分配加权系数，从而最大化接收性能。

由于短波信道具有多径衰落严重、信道时变特性复杂、干扰复杂等特点，在短波广域分集接收设计中需要考虑将选择性合并与最大比合并相结合，实现有选择的最大比合并更能充分发挥短波分集接收系统的性能[1]。有选择的最大比合并的一般步骤是：

(1)设定可以满足数据传输速率要求的信噪比门限值SNRO；

(2)对于 N条信道，估计各信道 si的瞬时信噪比|si|(1≤i≤N)，并与信噪比门限值SNRO作比较；

实施有选择的最大比合并可以将选择性合并和最大比合并各自的优势相结合，避免由于短波信道的时变衰落特性造成各信道质量的较大差异，影响分集合并的效果。

由于短波广域分集接收中的同构天线间距很大，几十到几千公里不等，能够很好地保证各天线所接收到的信号衰落的独立性；同时，由于短波地面接收台站分布地域的宽广，随着分集重数的增加，短波通信的可通率也会得到极大提高，从而有效提高短波通信的可靠性。据统计[2，3]，当收端天线分别位于我国北京、西安、重庆、广州，发端电台位于南京时的四重分集接收，短波通信的可通率可以达到96%以上，远高于无分集方式的可通率，有效提高了短波通信的通信效能。

1.2 短波广域分集接收技术难点

(1)短波模拟话音通信在缺乏声码话设备的条件下，将不同地域空间和不同极化天线所接收的短波模拟话音信号实施分集合并接收是短波广域分集接收技术的难点之一。针对短波模拟信号的特性，主要采用选择性合并分集接收技术来提升话音链路的话音质量和稳定性。实施的技术难点包括：①短波信道带噪语音信号的端点检测；②短波语音信号的质量评价；③短波语音信号的优选切换。

(2)短波广域分集接收需要对不同地域所接收到的信号汇聚后作集中合并处理。然而，信号的汇聚可以通过 IP网络、数据专网等多种方式，所获得的传输时延也是不尽相同，进而影响到合并后信号的整体传输时延。对于一些延时要求低的应用（如短报文等），信号汇聚所带来的传输时延对其无大的影响，但是对有延时要求的话音通信等，会直接影响其服务质量。因此，对于各路参与合并的信号，需要通过具有 QoS意识的路由技术、基于延时限制的软信息动态合并技术等来满足对服务质量的要求。

(3)由于短波天波传输主要依靠电离层的反射来实现远距离通信，依据短波信道的特性，短波通信的最佳工作频率为可用频率窗口中的最高频率。在这种情况下，短波的散射路径最少，接收信噪比最高。然而，在实际的短波通信测试中发现，由于电离层的特性会随昼夜变化、太阳黑子活动、季节等变化，部分地域会成为信号盲区。因而，短波广域分集接收技术需要短波经电离层的散射路径尽可能多，从而需要调低工作频率。由此带来的弊端是接收端信噪比的降低。如何在最佳工作频率和最佳的分集增益间进行合理的折中是工作频率调整的一个难点。

2 国内外研究概况

短波广域分集接收旨在通过广域有线互联的多个短波台站接收经电离层反射和散射的短波信号，然后合并处理来提高短波信道的抗衰落和抗干扰性能。尽管已经有大量研究工作集中于将MIMO技术应用于VHF～ SHF频段，以利用有限的频谱来提高数据传输速率[4-6]。然而，由于短波波长在10 m～100 m之间，相比于 MIMO应用于其他频段，所需的天线尺寸较大，使用间隔的天线阵来应用MIMO技术受到了较大的限制，MIMO技术领域新的研究进展也难于直接应用于短波频段[7]。幸运的是，短波广域分集接收技术却不受这些限制的影响，可以充分发挥分集技术的优势，国内外在该领域已经取得了可喜的研究进展，有效改善了短波通信的可靠性和抗干扰性能。

2.1 国内研究概况

在国内，电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室最早对短波 MIMO相关关键技术开展实验验证工作。2004年，张熙瑜、聂在平等人对MIMO多天线系统展开了深入研究，在国内首次提出了分布式开关阵列天线来均衡各分集支路接收到的信号强度，从而最大化分集合并增益[8]；朱鹏、唐万斌等人展开了对短波 MIMO信道相关性的测量研究，并给出了短波 MIMO信道测量的实现方案[9]；王运健、李少谦等人对短波系统中采用OFDM-MIMO通信系统展开了研究，尝试了导频训练序列来实施信道估计[10]；王民建、雷霞等人基于 MIMO OFDM短波通信系统实现了基于扩频滑动相关的短波信道参数测量的研究工作，并针对实际无线传输干扰问题展开了干扰抑制研究[11]；刘吉、雷霞等人面向第三代短波通信标准，研究了基于分布式天线的短波语音分集接收方案来解决短波信道下语音可靠传输问题[12]。此外，上海交通大学王若擎、钱良等人针对短波MIMO通信系统研究了预编码技术来消除用户间的干扰等[13]。

除了大学的相关研究成果外，国内部分企业（如南京熊猫汉达科技有限公司等）在短波分集接收领域也开展了大量卓有成效的实验验证工作。王峥等对分集接收技术用于对抗短波信道衰落做了仿真分析并进行了实验验证，展示出良好的分集接收效果[3]。信长安探讨了在短波组网条件下实现短波分集接收的设计问题，并给出了相关的优化和设计方法[2]。王钦玉等对短波分集接收技术建立了相应的通信模型和软件仿真。实际的天波通信试验表明，MIMO短波通信可以将传统的点对点短波通信可通率由17%提升至96%，显著提升了短波通信的传输效能[14]。此外，中国电子科技集团公司第三十六研究所李坚等人提出了一种短波分集接收方案来提升短波猝发通信系统性能。实验结果表明，该方案在1 000km通信距离、猝发发射功率100 W的条件下，采用 5重分集接收可以有效提高猝发通信信号的捕获概率和接收信号的信噪比[15]。

2.2 国外研究概况

多输入、多输出系统（MIMO）作为传统天线阵通信的自然延伸和扩展，国外学者已经从信息论容量的角度对其进行过深入研究，证实了其容量增益和空分复用效果[16-20]。尽管短波存在的多径传输问题非常适合于 MIMO技术的应用，但受限于传统短波天线尺寸较大的缘故，使之不便于MIMO技术的直接应用。2008年，国外首次对短波MIMO应用展开了测试实验，发站位于英国达拉谟（Durham）、收站分别位于距离达拉谟 255km的英国莱斯特（Leicester）和距离达拉谟 743km的法国蒙特菲尔（Monterfil），采用 4重发射天线和 8重接收天线并实验了不同类型的天线阵。实验证实了：(1)在发射信号和在不同天线上接收到的信号间的相关度足够低的情况下，短波频段采用MIMO技术可以取得高容量增益；(2)异构天线阵可以取代天线间相隔距离较远的同构天线阵、并取得相近似的容量增益[7]。此后，大量的研究工作朝这两个方向展开。通过MIMO技术来抑制杂波，加拿大的研究机构实验证实了短波 MIMO视距外雷达的可行性和有效性[23]。文献[24]在实验验证了短波 MIMO应用紧凑型交叉极化天线阵的可行性前提下，基于已有的单天线 MIL-STD-188-110C-Appendix-D宽带短波标准，设计了新的短波MIMO物理层。仿真结果表明，与单天线模式相比，该新标准可以提高整体吞吐率116%、提高信噪比15 dB。文献[25]介绍了短波近垂直天波传输在救灾等指挥通信中的应用，并通过实验证明，相比于线性极化天线，环形极化天线能更有效地抑制多径衰落的影响，从而可以有效提高各类短波分集接收系统的整体性能。针对视距外短波通信，文献[26]提出了一种基于随机空时编码的物理层节点协同方法，从而获得类似于MIMO系统的分集增益。仿真实验证实了该方法的能量效率和分集增益。文献[27]针对短波MIMO OFDM系统提出了一种时间和频率同步算法。仿真结果证明，即使在低信噪比条件下，该方法依然可以显著提高系统同步性能，并且时域内可以快速收敛。文献[28]通过将发送的极化分集替代传统的空间分集，提出了一种短波超视距的数字传输方法。通过 280km远的短波传输实验表明，在 4.2 kHz的带宽上可以取得最高 24.09 kb/s的传输速率。

此外，随着网络通信领域一些提高网络吞吐率的新技术的出现，如网络编码技术[29]等，创新性地将 MIMO与网络编码技术相结合可以使系统更加有效地对抗衰落信道、获得更高的传输速率[30]。

3 短波广域分集接收关键技术及发展趋势

3.1 关键技术

为实现短波广域分集接收系统的性能增益，需要研究以下的关键技术。

3.1.1 分集合并技术

对来自远端的多路接收信号通过组网方式汇集、并将基于解调数据的软值合并基本步骤是：

(1)对各支路基带音频信号进行检测和同步；

(2)依据各路信号的信噪比和幅度信息，对各条支路信号分配不同的加权系数；

(3)对加权后的各支路信号相加合并。

单纯的分集合并算法包括选择合并、等增益合并和最大比值合并。在短波广域分集接收系统中，出于对复杂度的限制和高分集增益的要求，一般采用的是组合合并技术[31]。常见的组合合并方式是将选择合并（SC）与最大比值合并（MRC）或等增益合并（EGC）相结合，对从所有链路中选出的部分链路实施最大比合并或者等增益合并。

3.1.2 模拟话音质量打分与切换

在短波模拟话音分集接收系统中，当缺少声码话设备时，需要通过选择性分集合并接收来提高话音链路的话音质量和稳定性。由于短波的天波传输受到电离层的影响较大，多径衰落、干扰、噪声等均会对信号的接收造成影响。为此，可以概括为三项主要的关键技术：

(1)带噪语音端点检测技术：从含噪声的语音信号中确定出语音信号的起始点及结束点。目前主要有基于模型与基于特征两类端点检测方法；

(2)语音质量评价技术：主要从语音质量的特征参数（如响度、信噪比、串音等）角度来加以综合评价；

(3)语音信号优选切换技术：通过对各支路语音信号信号质量的准确评价，动态地切换至语音质量更好的信道。

3.1.3 具有服务质量意识的等待汇集技术

在短波广域分集接收系统中，需要对多个不同地域空间和不同极化天线所接收到的短波信号通过网络传输并汇聚至中心站点进行合并处理。由于经过不同路径的传输，到达中心合并站点的延时也不相同。为了确保语音信号的服务质量（QoS），当各支路信号中的某一路信号到达中心合并站点后，需要确定一个等待时间的门限 tT，从而在 QoS和分集增益间取得一个合理的折中，该问题可以归结为求解如下的一个最优化问题：

在式(1)中，驻C(t)表示在等待汇聚时间 t后所能获得的分集增益；驻w(t)表示在等待汇聚时间t后在QoS上所付出的代价；优化目标即为，在满足语音信号 QoS要求的条件下，确定等待汇聚时间t，使得在单位QoS损失的条件下取得最大的分集增益。

3.1.4 具有QoS意识的路由技术

在短波广域分集接收系统中，由于多个短波地面台站所接收到的信号通过网络、经不同的路径加以传输，所产生的网络延时也是不一样的。具有QoS意识的路由技术可以通过动态地获取网络拥塞情况来选择合适的路由，从而有助于提高分集增益和语音质量。

3.2 发展趋势

对于短波广域分集接收系统未来的发展，主要表现出以下几个方面的发展趋势。

3.2.1 采用紧凑的异构天线阵技术

在短波广域分集接收领域，为保证各短波地面台站天线所接收的信号衰落的独立性，国内研究机构所开展的相关研究工作主要是基于相距足够远的、位于不同地域的、多个同构短波通信天线所接收到的信号进行合并接收，从而大大限制了分集的重数和分集增益。由于异构天线阵可以取代天线间相隔距离较远的同构天线阵、并取得相近似的容量增益[7]，由此可以带来分集重数和分集增益的大幅提升，也是未来应用的趋势。

3.2.2 实施分层混合合并技术

对于单纯的分集合并技术(如最大比和等增益合并)会随着分集重数的增加，其计算开销也会随之增大；选择合并尽管算法复杂度低，但分集效率低下。通过将不同的分集合并算法加以组合，可以取得对分集合并性能和计算复杂度间的合理折中。

随着紧凑的异构天线阵在国外短波分集接收系统中的成功应用[21-22]，可以通过诸如先对分布在不同地域的、应用异构天线阵的若干短波台站实施最大比合并，然后汇聚至中心合并站点实施选择合并。此类分层混合合并方式类似于“微分集”和“宏分集”的思想，可以有效提高短波广域分集合并系统整体性能，是未来的一个发展趋势。

3.2.3 节点协同分集接收

由于节点间的协同分集可以扩大短波分集接收系统的应用范围，降低各分集接收短波台站所接收到的信号经有线网络传输的延时，是作为天线分集接收系统的一类重要补充。节点协同分集利用了无线传输的广播特性，并通过协同节点创造出“虚拟”的分布式天线，从而获得空间分集增益。

3.2.4 分集合并技术与其他新技术相结合

随着一些通信新技术的出现， 如网络编码技术[29]、功率分配技术[32]等的出现，在短波广域分集接收系统中将分集合并接收与其他新技术的相互结合，以进一步提高短波通信系统的性能是未来一个重要的发展方向。

4 结束语

本文较详细地介绍了短波广域分集接收系统的特点以及实现的技术难点。同时，对短波广域分集接收系统当前的国内外发展状况做了详尽介绍与对比。最后，介绍了短波广域分集接收系统中的关键技术并指出了其未来的发展趋势。

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Research on HF wide area diversity technology

Liu Qinglong1，2，Dong Jiashan2
(1.School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663，China)

Through multiple High Frequency(HF)fixed stations that are connected by wireline networks and far away from each other,HF wide area diversity technology collects HF signals from different areas and polarization diversity antennas,combines these signals real time and retrieves the original signals so as to improve the stability and reliability of HF voice communications.For the design of HF wide area diversity systems,firstly the technical feature is introduced in details and the difficulties are also pointed out.This paper summarized the current research at home and abroad on HF wide area diversity technology.Finally,the paper introduced the key technologies of HF wide area diversity and gave the prospect of future developments.

HF communication；wide area diversity

TN926+.2

：ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.007

刘青龙，董家山.短波广域分集技术研究[J].电子技术应用，2016，42(6)：25-29，33.

英文引用格式：Liu Qinglong，Dong Jiashan.Research on HF wide area diversity technology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：25-29，33.

2016-01-18）

刘青龙，通信作者，男，博士，系统设计师，主要研究方向：无线网络、网络编码、网络安全和语音信号处理等，E-mail：qq350653765@163.com。