散射通信固定站应用及展望

2018-03-21徐亮亮

无线电工程 2018年4期

徐亮亮，陈玮

(1.海军装备部信息系统局，北京 100841；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

散射通信固定站因其传输容量大，可提供话音、数据和视频等多种业务，具有易于维护、维护费用低、无需租费等特点，在无光缆和卫星通信资源不足的条件下，可用于陆地战略组网通信、海上岛礁间通信和岛屿到大陆通信等。特别是在沿海地带，信道质量明显优于内陆地区，可使通信容量更大、传输质量更优，可与光纤媲美，无论是军用还是民用，在无线通信领域均占有极为重要的地位。

早在20世纪五六十年代，以美、苏两个超级大国为首的北约和华约国家之间开展了长达半个世纪的“冷战”，在科技与军备竞赛的大背景下，对流层散射通信长期活跃于战略指挥及远程预警信息回传的舞台，美国和前苏联两个超级大国建设了上百条散射通信远程中继固定链路[1]；20世纪80年代以来卫星通信技术逐渐成熟，散射中继链路跨几个国家甚至跨大洲、大洋的战略通信地位逐渐为之取代，尽管如此，在近30年、几百跳散射链路的长期运行基础上，对流层散射传播特性研究和对流层散射通信技术均得到了长足的发展[1]；进入21世纪，国际形势的发展呈现总体稳定局部动荡的态势，在美国发动的“持久自由行动”和“伊拉克自由行动”这2次局部战争中，对流层散射通信再次历经了实战检验，无论技术研发还是军方订货此时都再次进入一个革新突破期，以至于国外设备供方称散射通信“重新跃升”(Bounces Back)[11]。

散射通信固定站因散射通信海上传播的优势，在海上岛礁间超视距通信、海上石油平台通信等方面得到广泛应用[10]，但是因散射通信本身特点及在岛屿上的使用环境限制，使海上散射通信固定站的建设有别于其他通信设备，因此本文给出了海上散射固定站建设要求，并对其未来应用方向进行了展望。

1 国内外应用

1.1 国外应用

国外散射通信固定站应用主要包括冷战时期的战略指挥及预警远程通信组网应用以及21世纪以来海上平台的远程信息回传应用等。

1.1.1 战略指挥及预警远程通信组网应用

此种应用中的散射固定站具有如下特点：单跳可达数百km(如有的链路距离远达600 km以上)；使用的频率大都在1 GHz以下；采用了大型的抛物面广告牌天线；发射功率大，近距离发射功率在几kW，远距离时可达几十kW。

(1) 白爱丽丝通信系统(WACS)[2]

WACS是用于连接预警系统与指挥控制系统的远程通信网，服务时间约1956～1985年，是冷战期间位于阿拉斯加的美国空军远程通信系统。链路总跨距达4 000英里，有的散射链路单跳段距离超过了350英里。在卫星通信出现后该系统逐渐废弃，1997年后一些站址因环境问题被拆除。

(2) 北美3条防空预警线的雷达站点间互连通信系统

北美3条预警线包括连接加拿大和美国的近程预警线(Pinetree Line)[3]、跨越北部区域的加拿大中部预警线(Mid-Canada Line)[4]、远程预警线(Distant Early Warning Line)[5]，它们是冷战期间为了应对苏联而建立的雷达站系统，如图1所示。

图1 DEW Line的链路和站址分布

其中，DEW Line规模最大并且服役时间较长，包括63个站点，跨越大约10 000 km，成为北美防空联合司令部(NORAD)联合洲际防空系统的基础，后来升级融入了北部预警系统。DEW在阿拉斯加北部与白爱丽丝系统互连，预警线站点间互连主要依赖对流层散射通信。1990年，随着冷战的结束以及苏联解体逐渐弃用。

(3) 前苏联战略指挥及预警通信系统[6]

20世纪60～70年代是前苏联对流层散射通信迅速发展时期，共建设了长达100 000 km的散射链路，其间大力发展低频段散射通信站，在早期综合预警系统及指挥控制系统中大量装备应用。其中非常著名的是其“北方”系统(又名“地平线”系统)，如图2所示。该系统沿欧亚大陆汇入北冰洋的河流还有几个向南延伸的支线；沿鄂霍次克海岸与沿勒拿河的支线在东西伯利亚形成环路；沿叶尼塞河有一个支线；沿鄂毕河为另一支线。这条预警链路全长超过15 000 km，共有50多个中继站/端站。“北方”系统在北极地区与美国和加拿大建设的DEW Line隔北冰洋相望，互相防御来自对方的弹道导弹和远程轰炸机的威胁。

图2 前苏联“北方”系统[6]

1.1.2 海上平台到大陆的超视距信息回传应用

对流层散射通信在海上应用极具优势。首先，海上散射链路的传输损耗要小，有些地区海上信号比陆上要强10 dB甚至更多，所以在海上同样距离的情况下所需的发射功率更小，通信容量更大；与卫星通信相比，散射链路的频谱可复用，不存在类似卫星信号的雨衰断链时段，而且长期使用费用比卫星要低。Comtech公司比较了卫星通信与散射通信的长期使用费用[7]，如图3所示。

图3 VSAT和对流层散射的费用与时间关系[7]

图3表明尽管散射通信的一次投资高于VSAT，但一旦建设完成再无租用费用，因而几年之后散射通信的总投入反而更低。

基于上述原因，散射通信固定站在海上平台到大陆的超视距信息回传方面得到了广泛的应用。英国北海油田利用对流层散射通信系统作为解决平台至岸的通信手段。英国马可尼公司已为北海公司建成20多条对流层散射通信链路。澳大利亚针对油田开采的需求，构建了从大陆至海上采油平台跨越草原的多条散射通信链路，通信距离在130 km左右，传输容量为2～8 Mb/s。俄罗斯为了开发海洋资源，利用对流层散射通信系统，先后构建了多条对海上岛屿和海上平台的通信链路。另外还有利比亚撒哈拉沙漠地区的对流层散射通信电视传输线路、加拿大水电部拉布拉半岛到魁北克对流层散射通信线路等。

英国采油平台散射通信典型链路如图4所示。澳州西部采油平台散射通信站如图5所示。

图4 英国采油平台散射通信典型链路

图5 澳洲西部采油平台散射通信站

1.2 国内应用

国内从20世纪80年代开始了散射通信固定站的研究，目前主要应用于岛礁间远距离通信以及岛屿、海上平台到大陆远距离超视距通信。

1.2.1 陆地应用

我国早在80年代即利用数字对流层散射通信设备建成一条2跳3站的散射通信链路。该设备是一种远距离地面无线通信设备，S频段，主要用于建立战略散射通信干线，也可用于军用/民用通信网中其他通信方式难以实现或成本太高的远距离路由。通信速率460.8 kbps，24路话(19.2 kbps×24路)，单跳跨距远，选择合适的散射路由，单跳跨距可超过500 km。20 m×20 m广告牌式抛物面天线如图6所示。

图6 20 m×20 m广告牌式抛物面天线

1.2.2 海上应用

(1) 海上岛礁间超视距传输

我国岛礁众多，很多面积较大的岛屿，相距在几十km到几百km，其中与大陆最近的岛屿距离为300 km左右。传统的微波视距通信在海上难以建设中继站；卫星通信资源紧张，不可能在每个礁站建设卫星通信地面站，而短波通信因其通信容量小、通信易受电离层影响等不足，难以满足要求。对流层散射通信由于单跳距离远、抗干扰能力强、无资源依赖性等优点，以及在海上传播可获得性能提升，十分适合应用于岛礁间超视距通信，作为光缆中断时的应急备份，增强各岛礁及岛礁与大陆间通信保障的可靠性。海岛散射通信固定站如图7所示。

(2) 海上石油平台通信应用

海洋油田数字化发展的最大瓶颈就是油田与陆地办公室之间的通信链路，常用的卫星通信由于转发器资源受限，且租用价格非常昂贵，只能提供中低速数据链路，根本无法满足数字化油田的发展需要；微波通信由于通信距离受限，为视距通信，且在海上建设中继站的成本非常高，也无法满足海洋油田通信的需求。所以，寻求一种链路稳定、宽带以及超视距的通信链路迫在眉睫。

图7 海岛散射通信固定站

散射通信可实现超视距通信，传输容量较大，可提供话音、数据和视频等多种业务，易于维护，且维护费用低，无需租费。因此在400 km以内超视距情况下，采用散射通信具有较高的性价比。文昌油田至大陆散射链路的室外天线如图8所示。

(a) 海上平台端站

(b) 岸上端站

我国文昌油田至大陆的一条8 Mb/s的散射链路，现已稳定工作超过10年。该链路工作在C频段，海上平台天线口径3 m，陆上天线口径4.5 m。目前，基于散射链路的网络电视电话会议系统、设备在线监测系统、电站电网中心调度指挥及专家支持系统、FPSO单点GPS监测与预警系统，均已成功应用。

2 海上散射通信固定站特点及建设要求

岛屿属于高温、高盐和高湿的海洋性气候环境，雷电和台风较多，下雨过程比较频繁，对散射通信设备特别是室外部分的通信设备材质、防腐处理、防雷设计和安装要求较高。同时，由于散射通信本身的设备特点及在岛屿上特殊的地理环境、使用环境限制等，使散射通信固定站的建设有别于其他通信设备。

频谱电测：岛屿上一般具有多种电子设备，覆盖了很宽的频段，而且还有其他的强电磁辐射源，因此对站点的频谱电测非常重要，根据电测结果要对散射通信设备的安装位置和电磁兼容进行针对性的设计和处理。

“三防”：为防止高温、盐雾等对岛屿散射通信设备造成的腐蚀、盐蚀等损害，岛屿散射通信室外设备，特别是天线等设备必须做好“三防”处理，在台风较多地带要加装必要的防风罩；在波导、电缆连接处要做好防水处理，以防雨水进入导致链路通信质量下降甚至中断。

安全警示：散射通信设备一般配置有大功率的发射机，而且工作在微波频段，因此要在天线的近场区安装围栏或者设置警示牌，画出警戒线，以防人员进入和驻留。

前方无遮挡：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，必须确保在信号传播前方至少2 km范围内无高大的建筑物或者自然遮挡物。

设备间隔：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。

3 未来应用展望

如引言所述，从冷战结束至今，散射通信的应用定位几次转换，很多知名的厂商退出又加入这种装备研发的行列。在作为战略预警的唯一远程通信方式的时期，一个国家或军事集团如果没有强大的国力和广阔的疆域纵深就没必要、也不可能承担其高昂的建设和维护费用；在这之后虽然站型不断轻量化，但若无经济实力支撑仍然没有能力对其研发和列装。时至今日，它不但没有销声匿迹反而再次跃升，并且被重新定义为卫星通信“能力增强”的新角色。

作为散射通信固定站，未来应用可以在以下两方面考虑：军用方面，在卫星资源匮乏时，可作为岛礁间、岛礁到大陆间常态值班通信保障手段，提供全天候的宽带、组网和多业务应用；还可作为热点海域传感器等信息远程回传手段，为雷达预警、信息采集等功能提供通信保障。民用方面，可为岛屿到大陆之间、岛屿之间、岛屿与钻井平台之间、无人岛礁与岛屿之间的各种宽、窄带业务提供超视距通信保障，例如海岸监视与管理、无人岛礁监控、应急搜救保障等。

4 结束语

对流层散射通信单跳典型距离为150～300 km，最大中继次数可达20次以上，适于跨越各种复杂地形，在低纬度海域传播特性更佳，从20世纪五六十年代至今已在国内外、军民用各领域有着广泛的应用，为各种信息提供了超视距、宽带和高质量的可靠传输保障。通过国内这几年的应用经验，对海上散射通信固定站提出了一些建设建议，希望能对今后的散射通信固定站建设提供一些帮助和指导。最后，根据应用需求和散射固定站的特点，提出了未来应用展望，为散射通信固定站今后的发展提供一点思路。

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[3] Pinetree Line[EB/OL].https：∥en.wikipedia.org/wiki/Pinetree_Line，2016-5-6/2016-6-9.

[4] Mid-Canada[EB/OL].Line https：∥en.wikipedia.org/wiki/Mid-Canada_Line，2016-1-31/2016-6-9.

[5] Distant Early Warning Line[EB/OL].https：∥en.wikipedia.org /wiki/ Distant_Early_Warning_Line，2016-3-24/2016-6-9.

[6] Soviet Nation-Wide Tropospheric Scatter Radio Relay System[EB/OL].http：∥www.trrlsever.org.2016-3-8/2016-6-13.

[7] Comtech systems inc.Communication Links for offshore platforms[EB/OL].http：∥www.comtechsystems.com/our-resources/whitepapers/，2016-1/2016- 6-14.

[8] 戴毅.散射通信在海上平台通信中的应用[J].科技咨询导报，2007，(24)：157-159.

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