适用于无人值守的低功耗散射通信系统设计

2022-05-30温亚萍

计算机与网络 2022年16期

温亚萍

摘要：本文针对远程无人值守地区信息回传的需求，结合业务特点，基于单天线、单发射机和单接收机的“三单”散射通信系统，采取氮化镓功放、功率自适应以及基于心跳的远程管理控制协议，设计了一种适用于无人值守的低功耗散射通信系统，通过实用表明，该系统通信效果良好、视频清晰、话音通畅，可有效解决无人值守地区信息的远程传输问题。

关键词：无人值守；低功耗；散射通信

中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）16-46-4

0引言

我国国土辽阔，边境绵长，海域宽广，海岛众多，边境、海岛或其他无人值守地区的远程信息回传多采用卫星和光缆实现，但由于存在卫星通信需要付费、光缆易损毁且修复周期长等问题，仅依靠卫星通信和光缆难以支撑无人值守地区的超视距、可靠通信需求。

散射通信具有单跳跨距远、信道随处可得且无需付费、一次性投资和维护费较低及较好的抗毁性等优势[1]。传统散射通信系统多采用大功率、大天线对抗传输损耗大问题，采用分集接收对抗信道衰落问题，因此站型较大。随着新技术的发展，20世纪末期，散射通信重新跃升[2]，散射通信设备不断轻量化和小型化，传递的业务也扩展至ISR信息、图像及IP数据，为利用散射通信实现无人值守地区的信息超视距回传提供了可能。

本文针对远程无人值守地区信息回传的需求，结合业务时效性不敏感、业务容量可调和任务突发等特点，基于单天线、单发射机和单接收机的“三单”散射通信系统，通过多种能耗控制方法，并结合新型波形，设计了一种适用于无人值守的低功耗散射通信系统，可为边境、海岛或其他无人值守地区提供一种超视距信息传递手段。

1系统设计

无人值守地区不仅环境条件恶劣、能源有限，而且人员往返困难，靠人员运维成本较高，对散射通信系统的能耗控制、维修性、可靠性以及环境适应性等方面提出了很高的要求。

针对上述问题，本文重点通过低功耗设计、远程管理控制协议设计以及保证信号平稳传输的波形设计，同时在各设备机箱结构和连接器等方面进行了防水、防尘、防盐雾、防雷设计，进一步加强了环境适应性；利用监控系统对设备进行了自动休眠、断链自动复位以及故障告警并上报等设计，增强了设备的维修性，研制了一套适用于无人值守的低功耗散射通信系统。该系统框图如图1所示，主要由监控系统、散射通信设备和风光电互补供电系统构成。

对流层散射通信主要是利用对流层大气媒介中的不均匀体对电波的前向散射作用而实现的超视距无线通信方式[1]，为适配无人值守应用，本文摒弃传统的双天线体制，采用单天线、单发射机和单接收机的“三单”散射通信系统，同时将基带单元和射频单元集成在一个机箱之内，采用散射通信设备与天线联合紧凑式结构设计，降低馈线损耗，实现了散射通信设备仅由设备主机及天馈单元组成，既减少了设备数量，又降低了系统功耗。其组成框图如图2所示。

监控系统为一自研应用软件，安装在计算机上，兼容多种操作系统，主要完成设备状态查询、参数设置及修改和故障告警等功能；风光电互补供电系统采用太阳能和风能作为能量来源，结合蓄电池为无人端各设备提供所需能源。

2低功耗设计

在散射通信系统中，功率放大器消耗的功耗最大，占整个系统的60%～70%。为达到降低整机功耗的目的，高效功率放大器的设计以及实现输出功率自适应是本文的重点和难点。

固态功率放大器按实现工艺分为3类：LDMOS类功率放大器、GaAs类功率放大器及GaN类功率放大器[3]。GaN类功率放大器为第3代宽禁带半导体材料的典型代表，凭借其具有更高的效率、更宽的工作频段等特点，成为功率放大器的一个研究热點。为保证功率放大器的效率，本文采用GaN半导体技术，研发了适用于对流层散射通信的、小型化内匹配功放管，通过实际测试，功放管的漏极效率比原有功放管提升了10%，单管增益由8 dB提升至10 dB。

同时，考虑到对流层散射信道具有典型慢衰落特性[4]，慢衰落使得接收电平在较长时间间隔内具有中值波动，联合接收中值电平、误码率和信噪比完成对散射慢衰落的实时感知，充分利用这一特性可以实现输出功率的自适应调整，即当信道质量好时，降低功率放大器输出功率，功耗也随之降低；当无任务需求时，甚至关闭功率放大器，从而达到进一步降低能耗的目的。

散射慢衰落信道感知技术实现框图如图3所示，主要由电平检测模块、中值电平统计模块、已知帧头序列模块、误码统计模块、误码率估算模块、信噪比估计模块以及信道质量评估模块等组成。

结合功率自适应调整策略，该功率放大器输出功率可根据功率调整指示信息自适应变大或变小，调整步进0.5dB，动态调整范围可达40dB，整体功耗降低约50%。

此外，本文还应用数字化集成芯片和低功耗器件进行了板级节点设计，高度集成接口电路、数字信号处理电路、调制解调电路以及射频电路，通过结构紧凑的电路布局和优化的电磁兼容设计，使其集成于一个电路板上，体积、质量及功耗至少降低50%。

3远程管理控制协议设计

传统的散射通信系统一般由本端站的监控系统对本端站的工作频率、通信速率和发射功率等参数进行监视和控制，并记录下来以备值班人员后续的检查和维修，较少采用对端站控制本端站的方式，但存在无人值守地区人员无法经常往返、维护较为不便等问题。因此，本文设计了一种基于心跳的远程管理控制协议，利用可靠的极低速控制指令，通过周期性发送心跳判断无人端的“存活状态”，完成对无人端的初始化、参数查询及调整、故障告警上报等控制管理，使得无人端散射通信设备能够正常运行，并具备休眠、唤醒和断电、断链自恢复功能。

本文设计了通信及静默2种工作模式，无业务传输任务时，设备处于静默状态，仅保证心跳信息的传输；有业务传输任务时，切换至通信模式，自动唤醒通信链路，完成信息的可靠传输。通信模式下，速率自适应、功率较大，可实现无人端至有人端的远距离、大容量数据传输；静默模式下，基于心跳机制，以低速、小功率定时发送探测帧及心跳帧，以使有人端实时获悉无人端的工作状态，保证连接的有效性，有效降低无人值守端散射站的整机功耗。

图4、图5和图6分别为基于心跳的远程管理控制协议流程及有人端和无人端的信息处理流程。

有人端发送探测帧，探测帧中包含有人端的工作参数信息以及无人端是否需要重启的指示信息；其中，工作参数信息包括工作模式、工作频率、通信速率和发射频率；有人端在收到无人端的反馈信号后判断反馈信号类型，如果收到的为数据帧，则调整工作参数信息，存储收到的数据；如果收到的为心跳帧，则工作模式不变，继续发送探测帧。

无人端接收有人端发送的探测帧，根据探测帧判断无人端是否工作异常，如果工作异常，则无人端进行设备重启，配置工作模式为静默模式，工作参数为静默模式对应的工作参数；如果工作正常，则根据当前存储器容量决定要发送的反馈信号類型，并按相应帧结构发送至有人端。

4保证信号平稳传输的波形设计

散射信道存在快衰落现象[5]，在从几秒到几分钟的时间间隔内，接收信号电平瞬时值的起伏变化可达数十分贝。它是散射传播的一个重要特性，也是散射通信需要解决的首要问题。为了对抗散射信道的随机快速衰落，传统散射通信系统往往采取分集接收技术体制平滑信道衰落[6]。空间分集是对流层散射通信站最常用、同时也是最有效的分集方式；频率分集是利用散射信号快衰落的频率选择性实现的，应用十分方便但不是鲁棒的分集方式；角分集使用的是一面天线、多个馈源形成的多个不同方向的波束，可降低系统造价，但存在附加损耗；时间分集虽是一种稳健的分集方式，但存在传输时延[1]。

综合考虑，本系统采用的是单天线，无法实现空间分集，单纯采用频率分集，系统能力在二径平衰条件下会大幅下降。为保证系统能力，本文采用时间分集与频率分集相结合的方案。

经过仿真，在没有时频分集时，由于散射信道存在瑞利衰落，接收信号电平在短时间内会产生剧烈变化，平均衰落幅度接近13 dB，最大衰落幅度接近22 dB，最大衰落深度约10 dB，平均衰落深度约5 dB。无分集时的衰落幅度和衰落深度仿真结果如7和图8所示。

在时频分集条件下，衰落幅度和衰落深度得到明显改善，平均衰落幅度约4 dB，最大衰落幅度接近7 dB，最大衰落深度约3.5 dB，平均衰落深度约2 dB。8重分集时的衰落幅度和衰落深度仿真结果如图9和图10所示。可见，分集技术大大降低了散射信道的衰落幅度和衰落深度，改善了信道传输条件，提高了信号传输质量。

5结束语

设备研制完成后，搭建了约80 km的散射通信链路，开展了实际应用，通过实用表明，通信效果良好、视频清晰、话音通畅，可解决岛屿传感网络信息的远程传输问题。

面向无人值守地区的信息超视距传输应用需求，本文基于传统的对流层散射通信系统进行了改进设计，通过低功耗、无人值守的硬件设计和软件设计，研制了适用于无人值守的低功耗散射通信系统，为边境、海岛等无人值守区的无线通信覆盖、远程信息回传提供了一种解决方案。未来，可推广至无人值守雷达信息回传、海上渔业、石油开采和测绘等领域，应用前景广阔。