空间分集技术在对流层散射通信中的应用研究

李利 郭佩丽

摘  要：针对对流层散射通信系统存在信道传播损耗大和具有快慢衰落特性等问题，首先提出了利用分集接收技术来克服这些衰落特性，然后对分集技术中的三种主要分集技术进行了比较，通过比较得到空间分集是最适合的一种技术。基于此，研究了空间分集在多天线系统中的应用，最后给出了散射通信的发展前景。

关键词：对流层散射;空间分集;多天线;衰落

中图分类号：TN926.4       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）27-0148-03

Abstract： In view of the problems of large channel propagation loss and fast and slow fading characteristics in the tropospheric scattering communication system. Firstly， the diversity receiving technology is used to overcome these fading characteristics， and then the three main diversity technologies in the diversity technology are compared， and the spatial diversity which is obtained by comparison is the most suitable technology. Based on this， the application of space diversity in a multi-antenna system is studied， and the development prospect of scattering communication is proposed.

Keywords： tropospheric scattering; spatial diversity; multi-antenna; decline

对流层散射通信凭借其抗毁性强、保密性好、且适应各种复杂环境能力强等特点，在现代通信中发挥着越来越重要的作用，但该通信方式也存在不少缺点。本文分析总结了对流层散射信道的传播特性和散射通信克服衰落的方法，综合实际应用情况，着重对空间分集展开研究，通过时空编码技术进一步提升对流层散射通信的系统性能。

1 对流层散射信道及传输特性

从发射机发出信号到接收机接收信号，这期间信号所经历的路径较为复杂，信道中存在的情况并不是固定可先预见的，而是随机出现且误差较大，分析具有困难。因此，采用统计特性分析。

1.1 对流层散射介绍

地球大气层分为好几层，对流层是离我们最近的一层，其底部与地面相接，顶部距地面有十多公里的高度。对流层集中了大量的水汽，其温度会随高度的升高而下降。对流层中含有大量随机运动的散射体，这些散射体分布不均匀，它们受大气环境因素影响较大，与所处地区、气象状况及太阳离子活动等都有关系。这些散射体会向四面八方辐射，部分被地面上的通信设备所接收，实现了信号的远距离传输。

1.2 散射信道传播损耗

无线电波信号在散射信道传输时，当这些信号入射到散射体时，会产生较大的散射损耗，导致最后只有小部分的电磁波能量能被传输回到地面，所以经过散射信道传输后的信号十分微弱。此外，一些其他的因素也会给传输损耗带来一定程度的影响，如通信的频率、季节变化和大气环境和区域的不同，但这些影响相对而言都比较小。

如何降低传播路径损耗是我们一直以来思考的问题，这对散射通信系统的设计而言也是一种挑战。从理论上来看，提高发射机功率在一定程度上可以有效应对传输损耗，但从长远出发，还需寻找更好的解决办法。

1.3 快慢衰落特性[1]

散射信号的衰落特性是指当接收信号电平不稳定时，信号幅度开始发生随机不规则的变化，有起有伏，有快有慢。快衰落特性是指接收信号的电场强度在短时间内的随机变化，这种衰落主要是由于大气湍流等引起的，通过时间差形成相互干涉叠加;慢衰落特性是指接收信号中值电平在较长时间内的变化，它是由气象条件变化引起的，一般体现在日、月、年上，它的起伏变化过程很慢。

1.4 多径传播

快衰落就是由于多径传播而产生的，它的特性主要表现在以下几个方面[2]：（1）经过不同路径传输的信号具有时变性，使确定的载波信号Acosw0t变成了衰落信号。（2）多径信号相互叠加后引起码间干扰，使原始信号失真。（3）多径传播使接收端接收到的信号是经过多个二次辐射源发射的多径信号。

2 分集接收技术

通过前面的介绍，我们知道在对流层散射通信中，信号会产生传输损耗和衰落特性问题，这些对通信系统性能的影响较大，不可忽视。尽管可以通过提高发射机功率等措施来克服，但实际上，这些方法都会使设备的体积增大，所以并不建议使用这些措施。而分集接收技术应用范围较广，它可以较好克服系统的衰落特性。

2.1 分集技术

通过分集技术，接收端获得若干不相关信号，有效合并改善接收到的信号，从而弥补信道造成的衰落特性。目前主要应用的分集技术有以下三种[3]：（1）时间分集。将一段信息在间隔一定时间后重复发送，这样信息就会经历不同的衰落，然后在接收端合并，会产生一定的延时。（2）频率分集。與时间分集类似，它是发送端在不同的相关带宽内发射同一信息，接收端接收到同一信息但不同频率的信号。（3）空间分集。在空间不同的位置上设置多副天线，配置相同数量的接收机，利用多副接收天线来实现。

2.2 几种分集方式的比较[4]

将上述三种分集方式进行比较，虽然都能取得分集增益，但也相应付出了一些代价。时间分集以降低传输速率为代价，假设时间分集频带宽度为B，重复N次，原始信息的速率为V0 bit/s，当重复发送N次信息后，实际信道的传输速率即为NV0 bit/s，所以高速通信会导致频谱资源激增，使信号难以被接收，因此时间分集适合中低速率通信。频率分集降低了频谱利用率，尽管利用扩频技术能增加可用带宽，但在频谱资源稀缺的情况下，这种做法不太可行。空间分集是以增加设备的成本和复杂性为代价，但其频带资源占用少，频谱资源利用率和分集增益高，技术实现简单，而且随着科技发展，成本都是可以不断降低的，其他因素改善则较为困难。因此，从总体来看，空间分集在这几种技术中是最好的，既具备其他分集技术的优点又避免它们的缺点。

2.3 空间分集的性能

影响散射信道分集性能的因素有信道特性、收发端天线数等，本文用平均误码率和中断率来衡量性能的好坏[1]。

（1）平均误码率。在数字通信中，条件误码率是信噪比的函数，则误码率可以根据条件误码率在衰落信道上的统计特性，然后统计平均后得到：

式中，pm（γ）为接收信号信噪比的概率密度函数，f（γ）为条件误码率。由于散射传播的损耗和衰落都很大，降低了接收信号的信噪比，增大了系统的平均误码率，不利于系统容量的提升。当分集重数增加时，分集增益也不断增大，此时系统的平均误码率会不断下降，以此来提高散射通信的可靠性。

（2）中断率。要想实现高效稳定的速率通信，系统的信噪比必须比最小可接受的信噪比γmin要大，否则通信就会中断。中断率R可以表示系统信噪比低于γmin时的时间百分比，即：

R越小，通信中断的时间就越小，系统抗衰落的能力越强。当分集重数大到一定程度时，系统的中断率就可忽略不计。

3 基于多天线系统的空间分集技术

3.1 多天线系统的引入

传统无线通信系统的发射天线和接收天线数通常为一个，即单入单出系统。1948年香农公式的提出，指出了在高斯白噪声信道条件下，实现可靠通信的最大数据传输速率，公式如下：

式中，C代表信道容量，B表示信道传输带宽， 为信噪比。从上式可以看出，信道容量会随带宽的增长而增长。因此，无论是多发单收或是单发多收都比单发单收系统容量有显著的改善，同时提高了系统的信噪比。为突破限制，在系统收发端放置多天线的同时，人们提出了MIMO的概念。

分集多天线系统，即MIMO系统，它可以利用天线间相互独立的信道冗余来减少多径衰落影响，并且可以充分利用空间自由度，在信道带宽和发射功率不变的条件下，改善通信质量，比传统的单入单出系统可以更好的利用频谱资源和提高系统的传输速率。

在多天线系统中，近年来智能天线的发展在实际应用中表现出了极大的优势。智能天线可利用信号的空间特征区分出信号是有用信号还是多径干扰信号，自动调整天线的方向图，让主波束对准有用信号的波达方向，便于微弱信号接收，实现信号收发的高效性。若信号处于不同的环境中，也能使系统的性能达到最优状态。

3.2 MIMO系统中的空间分集

天线是通信系统中必不可少的组成部分，好的天线对提高系统性能和通信质量都能起到较大的帮助。空间分集又称为天线分集，它是利用多天线来获得分集，同时可使MIMO系统的传输性能得到改善。因此，空间分集会直接影响MIMO系统的性能。利用空间分集在发送端发射多个独立的信号，在不同的接收位置接收信號，然后有效合并起到抗衰落作用。下面介绍空间分集中的两种方式。

（1）接收分集。采用发射端一副天线，接收端多副天线，如图1所示。

为确保各路分集信号的独立性，当天线间的距离不断增大时，信号衰落的相关性也随之减小。即使一副接收天线的输出信号很微弱，由于有多副接收天线，输出的信号不一定很弱，最后通过合并，选出信噪比最佳的一路作为输出，降低了信道衰落所产生的影响，提高信号传输的可靠性。

（2）发射分集[5]。通过在移动台上建立“多发一收”或“一发多收”的不对称分集链路均可实现散射通信。发射分集结构与接收分集相反，分集增益与接收分集较为相似，并且实现了在多个移动台上通过同一个信号获取发射增益的方式。发射分集技术不仅对系统的性能进行了改进，提高了系统的工作效率，而且减少了移动台的成本，节省开销。

3.3 MIMO空时编码技术

空时编码技术是一种利用多根发射天线对信号在时域和空域上联合编码的方式，在增强抗衰落能力的同时提供分集和编码增益[6]。它是在空间上采用空间分集，时间上把不同时刻的信号使用同一根天线发射，然后在接收端分集接收，从而克服系统衰落，实现高速数据传输。接收分集和发射分集逐渐演变成了MIMO技术，MIMO技术将多天线间的无线信道等效化为多个相互独立的子空间信道，增加了信道容量。

传统的空时编码技术在带来显著分集增益的同时，由于使用多天线发射，增加了码间干扰和用户间的干扰，若将其与MIMO技术相结合，利用多发多收天线系统进行编码，就可以降低码间干扰，抑制用户间干扰，成倍提升系统的工作效率。假设一个无线通信系统有N根发射天线，M根接收天线，如图2所示。

将发射信息送入空时编码器编码，然后将编码后的信息传送到N根发射天线上，接收端M根天线接收到信号后，把信号送入空时解调器解调成基带信号，最后用空时译码器把信号恢复为原始信号输出。

3.4 一种高增益阵列天线的设计

利用上述技术能有效提高通信系统的性能，为将散射信号的损失尽可能降到最小，实现高增益，我们可以设计一种高增益天线。首先选择阵列天线的形式，采用等幅、同相、等距的激励方式。其次为使天线达到最佳效果，采用一片足够大的平板发射器，调整天线与反射器间的距离，消除天线的背向辐射，实现天线的高增益。简单示意图如图3所示。

对于内部馈电方式的选择，串联馈电虽然占用面积小，但其增益会受到一定限制，因此一般选择并联馈电或串并联相结合馈电的方式。然后采用同轴交叉振子作为天线的主要辐射部分，将若干个d=0.5λ的同轴电缆首尾交叉相连实现倒相。为缩短天线的尺寸，采用填充介质的垂直同轴电缆线。天线振子的材料可以选择铜丝，该材料较容易获取。

实际应用中，为不改变对流层散射通信设备的结构，将高增益天线加装到设备上，这样不仅降低了技术风险，还提高了系统的通信范围和质量。

4 对流层散射通信发展前景

随着现代通信技术的飞速发展，散射通信要想占据一席之地必须有其独特的地方。为发展我国的散射通信事业，通过不断对设备进行改进升级，利用各种散射通信关键技术尽可能把成本和风险降到最低，实现设备的通用化、小型化发展。尽管卫星通信的出现，对流层散射通信的作用有所下降，但其在军用领域上的作用仍很显著。超短波对流层散射通信可作为自动化防空体系的传输手段，更适用于舰机远洋执行任务时通信。对流层散射通信还可应用于机动作战，在实际作战过程中，为不影响战术沟通质量，尽量提高信息的传输速率，减少沟通时间，确保系统能在最短时间内做出正确的反应。随着各种技术的深入研究，对流层散射通信设备的性能越来越好，散射通信前景十分广阔。

5 结束语

对流层散射通信传播距离远、速度快、容量大，在军事领域上发挥越来越重要的作用，这也对对流层散射的研究提出了更高的要求。未来战场环境复杂多变，各种电磁干扰信号无处不在，散射通信势必能充分展示出其独特的优势。

论文分析了影响对流层散射通信效果的一些因素以及提出了克服散射信道传播特性的方法，重点介绍了分集技术中的空间分集，為更好地取得分集增益，提升散射系统的传输性能，可以将空间分集演变后的MIMO技术与时空编码技术相结合，进一步提高系统的抗衰落特性，提高系统的传输速率。

参考文献：

[1]陈晓明.高速率对流层散射通信的合并技术研究[D].南京：南京理工大学，2007：17-18，28.

[2]陈西宏，胡茂凯，薛伦生，等.对流层散射信道下多天线分集OFDM系统研究[J].空军工程大学学报（自然科学报），2014，15

（1）：54.

[3]李军，姜向东.电磁波的散射现象及其在通信中的应用[J].青岛远洋学院学报，2002，23（4）：56.

[4]韩丽君.MIMO系统中的分集技术[J].科学技术与工程，2012，12（14）：3491.

[5]张訸.基于空时频发射分集技术分析与设计[J].信息通信，2020，206（2）：122-124.

[6]李鹏，束锋，孙锦涛，等.新一代对流层散射通信系统关键技术探讨[J].金陵科技学院学报，2007，23（2）：19-20.