大容量散射通信抗干扰关键技术综述

谢泽东，陈西宏，肖 军，刘永进

(空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安 710051)

0 引言

对流层散射通信作为一种极具军事应用前景的超视距远程无线通信方式，具有技术先进、性价比高、机动性好、越障能力强等优点[1]，能够显著提升地空导弹部队的体系对抗能力，解决组网作战中高速数据越障通信可靠传输的难题[2]。

然而，对流层散射通信的传输速率相对偏低，且对抗通信干扰能力相对偏弱。在未来复杂电磁环境下的防空反导体系作战中，需要持续、及时、准确地传递高密度、快速变化的空中态势和指控信息。因此，研究具有抗干扰能力的大容量散射通信技术是目前军事通信领域亟待解决的问题，充分契合对流层散射通信技术未来的发展趋势。

本文从大容量和抗干扰两个方面对散射通信技术进行了研究。在大容量方面，探讨了高速率对流层散射通信的合并技术；在抗干扰方面，探讨了散射通信抗空中主瓣干扰和抗空中旁瓣干扰的策略和方法。

1 散射信道传播特性

在研究大容量散射通信的抗干扰关键技术前，有必要先对散射信道的传播特性进行研究。信号在散射信道中传播时，会经历不同程度传输损耗和时变多径衰落。因此在对散射信道的传播特性进行描述和度量时，主要关注其损耗特性和衰落特性[3]。

1.1 散射损耗特性

对流层散射通信的损耗特性是无线通信系统存在的共性问题，也是散射通信需要考虑的首要问题。通常而言，对流层散射总传输损耗相当大，有时会高达200～250 dB。理论分析和计算表明，在100～400 km的通信范围内，损耗与距离的近似关系表现为1 km通信距离的增加带来0.12 dB的损耗增大；而当通信距离继续增大时，损耗增大速度变慢[4-6]。此外，通信频率、四季更迭、日夜交替和地理大气环境不同都会对传输损耗带来一定程度影响，但影响相对较小。

对流层散射较大的传输损耗会使得接收信号异常微弱，这对散射通信系统设计带来诸多挑战。其中，提高发射功率在一定程度上能够有效应对散射传输损耗。

1.2 散射衰落特性

衰落特性是散射传播的又一重要特征，按照信号起伏变化的快慢可分成慢衰落和快衰落[7-8]。

慢衰落通常是由气象或气候条件的改变逐渐形成的，这类衰落呈现出较长时间间隔内的变化。在慢衰落过程中，接收信号的电平中值通过服从对数正态分布。在通信链路的工程设计中，散射传播的慢衰落特性是必须考虑的因素之一。

相对于慢衰落，快衰落表现为信号在短时间内的起伏变化，是散射信道传播特性中需要重点考虑的方面。多径效应和多普勒效应是散射信道快衰落的主要成因。

多径效应会造成接收信号在时域的多径时延扩展，可用均方根延迟扩展描述其时散特性，并由时散参数定义相干带宽。若传输信号带宽小于信道相干带宽，即认为属于窄带通信系统，信号经历非频率选择性衰落，即平坦衰落；反之属于宽带通信系统，信号经历频率选择性衰落。研究表明，散射信道多径时延展宽与传输距离的平方成正比，与工作频率、天线口面直径及地球等效半径成反比，其数值通常在10～500 ns之间；散射信道的相干带宽可由多径时延展宽的倒数近似。

多普勒效应会造成接收信号在频域的多普勒扩展，可用多普勒频移描述其频散特性，并由频散参数定义相干时间。若传输信号的符号周期小于信道相干时间，即认为属于慢时变通信系统，信号经历非时间选择性衰落；反之则属于快时变通信系统，信号经历时间选择性衰落。研究表明，多普勒效应主要是由对流层大气中散射体的运动引起，主要与风速有关。多普勒频移的数值范围通常在1～100 Hz之间，散射信道的相干时间可由多普勒频移的倒数乘以常值系数0.179近似。

1.3 散射带宽特性

传输信号的带宽大于信道相关带宽时会产生波形失真，并且随着传输信号带宽的增大而愈发严重。因此，为保证散射信号的无失真可靠传输，其带宽不能大于散射信道可用带宽。研究表明，当天线波束宽度较宽时多径时延扩展较大，此时散射信道可用带宽较小。因此，使用方向性强的窄波束定向天线可一定程度提高散射信道带宽。

2 大容量散射通信的分集合并技术

对流层散射通信中，散射信道的传输损耗和慢衰落特性可以通过提高发射机功率、预留衰落余量等措施克服。针对快衰落特性，散射通信的分集合并技术为其提供了解决方案[9-10]。

窄带散射通信通常是指业务传输速率不超过2 Mb/s的通信系统。由于信道中传输信号的带宽较小，信号经历平坦衰落，可以通过简单的分集合并技术来克服。最大比合并(Maximal Ratio Combining,MRC)、选择性合并以及等增益合并是3种常规的合并方法，本文重点探讨MRC方法。

MRC方法是将各条多径都进行合并，在其他条件相同的情况下能够得到最大的信噪比。然而，随着多径数增加，MCR复杂度迅速增大，这使得该合并方法在实际应用中受限。为降低MCR实现复杂度，一种针对部分多径的选择性最大比合并方法被提出。在对部分多径进行选择时，可依据概率密度函数设置信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的阈值。为保证较低复杂度，可考虑建立信道冲击响应与SNR的联合估计[11]。

中等速率散射通信通常是指业务传输速率在2～8 Mbps的通信系统。信号此时会经历频率选择性衰落，在时域则表现为符号间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI)。信号传输过程中的ISI可通过时域均衡进行克服，并通过将其与分集合并相结合，可推导出一种时域分集合并与均衡联合算法，它能够同时解决散射信道的ISI和深度衰落问题。

对于宽带散射通信，通常是指业务传输速率不低于8 Mbps的通信系统。此时信号带宽将达到10 MHz以上，传统的时域均衡器无法应对高达几十阶的时域抽头系数的计算，而频域均衡能够以较低的实现复杂度达到近似的系统性能。将频域均衡与分集合并相结合，可推导出一种频域分集合并与均衡联合算法[12]。

3 散射通信中的抗干扰技术

可以预见，在未来信息化战争中，散射通信对抗将成为通信对抗的一个重要方面。散射通信系统要在复杂的战场电磁环境下进行有效通信，应该具有较强的通信反侦察和抗干扰能力。本文以美军AN/TRC-170型散射装备为例，研究对流层散射通信的抗侦察和抗干扰性能。侦察和干扰平台与散射站的空间位置，分为地面、空中主瓣和空中旁瓣的角度，对散射通信抗侦察和抗干扰能力进行了分析。

3.1 地面侦察

电磁侦察是实施干扰的前提和基础。当侦察设备置于地面时，根据电磁波的传输方式，又可将其分为直射波、地面波和绕射波侦察三种[13]。

直射波侦察属于视距传播侦察，侦察距离受到视线距离的限制，在满足天线高架的条件下，对散射站进行直射波侦察的距离为20～40 km，这对于侦察设备的部署位置有较高的要求。

地面波侦察时，受地球曲率限制，对主工作频段为4.4～5 GHz的散射通信设备而言，其地面波最大通信距离为4.7～4.9 km；即使对工作于335～475 MHz频段的散射通信设备，其地面波最大通信距离也只有11.4 km。当前散射通信具有向高频段(Ku波段)扩展的趋势，可用于侦察的距离会更短。因此地面波侦察在战术实施上比较困难。

当超出地面波的最大通信距离时，电磁波将进入绕射区。以载频为4.4 GHz的电磁波为例，当传播距离为10 km时，电磁波沿具有地形地物的地球表面进行绕射传播，根据前述散射损耗特性可知，此时的信道传输损耗非常之大。

综上所述，采用地面平台对散射站进行侦察时，侦察平台必须距离散射站非常的位置(数千米至数十千米)，这在实战中是难以实现的，因此，必须使用升空平台。

3.2 抗空中主瓣侦察和干扰

采用升空平台实施主瓣侦察干扰时，平台位于散射通信双方的公共散射体范围内，这对侦察和干扰是非常有利的，此时可以采用无人机巡航进行侦察和干扰。

采用全方向性干扰天线时，仅需数瓦的功率就可以对散射通信形成压制性干扰，但散射通信采用窄波束天线，经过对公共散射体空间范围的评估发现，干扰机的巡航范围受到较大的限制。

对于空中主瓣干扰，可采用自适应跳频技术、高速宽带跳频技术、自适应选频与跳频相结合的手段和基于认知无线电的抗干扰技术手段进行对抗以实现抗干扰通信。

随着电磁环境的日益恶化，传统跳频通信系统中“盲目跳频”的弊端也随之放大。频谱资源紧缺和抗敌方强干扰能力不足成为制约跳频通信系统性能提升的重要因素。认知无线电的出现，为解决以上问题提供了一种新思路。这里将认知无线电理论和跳频技术进行综合进而应用到散射通信，构建认知跳频抗干扰散射通信系统。通过认知模块对频谱环境进行分析判断，检测出空闲频段的同时发现并及时避开被干扰频段，并根据相应抗干扰策略切换对应的通信模式。认知跳频抗干扰散射通信系统可充分利用通信对抗的频率间隙通信，能够提高散射通信的频谱利用率和对抗空中主瓣干扰能力[14-15]。

基于认知跳频的抗干扰通信系统首先对跳频通信工作范围内的频谱进行检测，根据频段占用或干扰情况，确定可以使用的跳频频率并将其发送到跳频序列产生单元。跳频序列产生单元根据接收到的可用频率，生成新的跳频序列，以进行散射跳频通信[16]。

在认知跳频抗干扰通信系统的工作过程中，需要对正在使用的频段进行实时监测。散射通信系统可工作于定频和跳频两种模式。系统工作于某一种模式时，若监测模块感知其受到主瓣干扰，系统则会自动切换至另一种工作模式。而干扰机此时则需对散射通信信号重新再进行一次侦察，以便再一次对散射通信信号发出干扰。基于认知跳频的抗干扰散射通信系统可充分利用这一时间间隙，选取频率间隙进行通信。

3.3 抗空中旁瓣侦察和干扰

对于距战线较近的散射站，干扰信号只能从天线后瓣进入，将其称为“近站干扰”；对于距战线较远的散射站，干扰信号能够以有利的角度进入天线旁瓣，将其称为“远站干扰”。在采用定向干扰天线的前提下，所需的干扰功率从几瓦到上千瓦不等，考虑到实际作战的可行性，该方案应作为主要手段在作战中实施。

对于空中旁瓣干扰，可采用自适应调零天线、自适应旁瓣匿影或者自适应旁瓣相消等技术进行对抗，这里重点探讨自适应调零天线技术。

自适应调零天线系统由若干天线元阵列、自适应信号处理器和能调整的加权求和网络构成。自适应调零天线系统中，天线方向图能根据战场电磁环境的变化进行调整。利用干扰信号和有用信号在时间域、空间域、频率域以及角度域等的不同特征，通过自适应信号处理器调整加权求和网络，使其在干扰信号方向形成零陷，而在有用信号方向具有最佳的接收性能[17]。

自适应调零天线是空间滤波技术的一种，可同时抑制来自不同方向的多个干扰，处理增益可达几十分贝。自适应的抗干扰调零天线系统对于窄带干扰以及宽频带的噪声干扰都具有极佳抑制性能。

4 结束语

大容量散射通信系统面临的由散射衰落特性引起的符号间干扰问题，可采用单载波频域均衡进行解决。对散射通信系统可能面临的空中主瓣干扰，可采用基于认知无线电的抗干扰通信技术等方法来进行对抗；针对旁瓣干扰，采用自适应调零天线技术进行对抗。基于此，能够提升现有散射通信系统性能，实现具有一定抗干扰能力的大容量散射通信，满足未来战争对军事通信的需求。