舰载散射通信自主建链研究

李经安，刘子龙，韩 军，丁良辉

（1.中国电子科技集团公司第54研究所，河北 石家庄 050081；2.上海交通大学，上海 200240）

0 引言

对流层散射通信是1种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，可看作“依托高空对流层无源转发实现的超视距通信”，是除卫星通信、升空平台中继等有源转发手段之外，唯一具备宽带超视距通信能力的无线通信手段[1]。对流散射通信具有单跳跨距远、通信容量大、抗干扰能力强、受核爆影响小等突出优点，可以跨越复杂地形（如湖泊、海湾、沼泽等）进行全天候的可靠通信[2-3]。

散射既可以用于陆地超视距传输，又可用于海上传输，与陆上对流层散射通信相比，跨越海面的对流层散射通信具有以下优势：1） 无山体丘陵等突出遮挡，具有天然优越的地形优势[4]；2） 海面传播增强效应明显，信号衰减相对较少[5-6]；3） 海上经常出现蒸发波导，大大降低了链路衰减，能够支持高速率远距离通信[7]。

因此，国内外散射通信逐步由固定架设、陆地机动向海上“动中通”应用拓展。美国格子商品公司正在研制新型散射电台[8]，目的是利用散射通信能力支持舰-舰、岸-舰通信，减小对卫星通信的依赖，已于2019 年完成200 km 通信试验。Comtech 也正在开展对流层散射“动中通”技术研究，进行了一系列海上超视距通信应用的测试，结果证明，低功耗对流层散射是1 种在航行中提供船/岸高吞吐量通信的可行手段[9]。通过国外报道可以分析出，该舰载散射的建链方法仍是通过GPS 定位定向完成的散射建链和跟踪[10-11]；我国早在2002 年就开展了海上散射“动中通”技术体制验证[12]，并形成样机产品，经历了多次试验和验证[13-14]，取得了一系列成果，但同时系统存在一些需要克服的问题：传输速率低、系统容量小、链路建立较困难等。近年来，随着自适应传输、新型分集等技术在散射通信中的逐步应用[15]，散射通信能力得到了大幅提升，但散射自主建链仍是难题[16-17]。

由于散射通信链路的高衰减特性，需要通过高增益、窄波束方向性天线实现通信[18]。如何将通信双方的窄波束互相对准，是散射通信建立的前提。现有舰载散射的开通和建链主要依靠卫通、短波等第三方通信手段交换通信双方的位置信息，通过位置解算实现粗对准。但是，在局域拒止环境下，卫通、短波等第三方通信手段无法使用时，现有舰载散射通信建链机制将无法工作，因而迫切需要不依赖第三方通信手段的建链方法。通过国内外现状分析，散射的建链方式主要通过第三方通信辅助手段完成信号的初始捕获，再将通信信号进行精确对准；而散射的自主建链尚未看到相关报道。

针对该问题，本文提出了1 种舰载散射的自主建链方法，通过使用不同波束宽度的散射天线，以不同旋转角速度的旋转来搜索目标站台方位，从而完成建链，解决位置信息无法获得背景下的散射开通问题。

1 舰载散射自主建链方法

1.1 建链方法总述

本文所设计自主建链方案用不同波束宽度的天线进行建链。建链过程中，两站以不同转速进行目标站点搜索，建链完成后，再使用窄波束天线进行通信。需要建链的两站点被划分为主站和从站：主站采用频分双工的方式进行信号收发；从站一直处于扫描侦听状态。建链时，主站主动发起建链请求，从站接收到建链请求后向主站发送建链确认信息；主站和从站分别从收到的信息中解析出对方的位置信息，从而完成建链。主、从站均为移动站的自主建链示意图，如图1所示，其中，主站采用离散式扫描，从站采用连续式扫描。单一移动站的情况可以看作双移动站中主站对1个方位进行扫描的情况。

图1 双移动站散射通信系统自主建链示意图Fig.1 Diagram of the link auto-creation in dual mobile station sacttering communication system

设主站波束宽度为α，从站波束宽度为β，主站扫描步长为Δφ，开始通信时刻为t1，结束通信时刻为t2，主站发送时长和从站发送时长的和为T，从站扫描角速度为ω。为了使主站在扫描1 周后可以完成建链，对系统参数做以下约束。

1） 两站波束宽度。以典型的抛物面天线为例，天线波束宽度如下：

式（1）中：λ和D分别表示工作波长和天线口径。在指定频率条件下，两站之间波束宽度α和β的改变，主要是通过天线口径的改变获得。同时，两站的波束宽度会共同影响通信距离，此影响将在3.1 部分详细阐述。因此，为了能在短时间内完成建链，须根据实际情况进行天线口径设计和频率选择。当前典型的天线口径为0.6 m、1.5 m 和2.4 m，工作在3 GHz 时，各天线对应的波束宽度分别为11.7°、4.7°和2.9°。

2） 主站扫描步长。主站以固定步长在离散的方向进行扫描，每个方向上扫描的时间应至少保证从站能够转动1圈。为了缩减系统建链时间且保证主站能实现全方位覆盖，则主站扫描步长如下：

3） 从站扫描角速度。为了能在顺利解析主站发送建链请求信息的同时降低建链所需时间，各参数约束条件如下：

由于自主建链过程中，建链双方至少有一方的方位信息是未知的，这就需要在建链过程中传输位置信息。为了能在建链过程中获得建链两端的位置信息，本文设计了如图2 所示的用于建链的数据帧，建链请求信息（Link Request，LReq）和建链确认信息（Link Response，LRes）均采用该数据帧格式。其中，同步码用于通信同步，位置信息用于建链，源节点和目标节点信息用于判定是否为通信对象。

图2 建链帧格式Fig.2 Frame structure used in link creation process

开始建链时，主站随机选择角度开始以步长Δφ进行全方位扫描。在固定角度扫描过程中，主站持续发送LReq 直到接收到LRes 或者等待1 个完整的时隙结构（如图3所示），之后步进Δφ，重复上述过程。

图3 建链时隙结构图Fig.3 Diagram of time slot in link creation process

假设探测信号在两站之间的传播时间为T1、主站发送信号的时间为T2、从站发送信号的时间为T3、从站的扫描时长为T4，则单个方向扫描的时隙长度为2T1+T2+T3+T4。当从站接收到LReq 之后，立即向主站发送LRes。主站和从站从LReq 和LRes 中分别解析出对端的位置信息，结合自身位置信息和姿态信息，通过计算可以获得通信方位，从而完成建链。通信方位的计算[2]如图4 所示。本站通过和目标站的位置信息可以计算通信指向，并获得该指向与真北方向的夹角θ。设天线当前指向与真北方向的夹角为γ，则舰载散射天线须向通信方位旋转角度Φ=θ-γ。

图4 通信方位计算示意图Fig.4 Diagram of communication bearing calculation

1.2 岸-舰散射通信自主建链

岸-舰散射通信指的是舰载“动中通”散射通信站与1台岸基固定散射站或多台岸基固定散射站组成的通信网之间的通信。岸基站作为固定站点，其位置可以作为已知信息存入舰载“动中通”散射站。岸-舰散射通信系统自主建链的示意图如图5 所示，这是双移动站的1种特殊情况，舰载站作为主站，岸基站作为从站。开始建链时，由舰载站根据岸基站的位置选择最佳岸基通信站点，计算通信方位。舰载站天线转向通信方位后持续发送LReq 信号，等待岸基回复LRes。岸基站一直处于侦听状态，当接收到舰载站的LReq之后，岸基站根据LReq 中的位置信息计算通信方位，将窄波束天线指向通信方位，从而完成建链。

图5 岸-舰散射通信系统自主建链示意图Fig.5 Diagram of the link auto-creation in shore-to-ship system

建链流程分解如下。

1） 舰载站计算通信方位。舰载站获取自身位置信息和姿态信息，根据已知的岸基站位置进行通信方位计算。舰载站通过自身和岸基站位置信息可以计算通信指向。

2） 舰载站计算旋转角度。根据计算出的通信方位和自身天线方位信息，将天线转向通信方位。在旋转的过程中，舰载天线伺服或相控阵列需实时补偿舰载站自身姿态变化的影响。

3） 舰载站发送建链请求。舰载站将波束指向岸基站，选择合适的速率发送LReq。

4） 岸基站响应建链请求。由于散射通信的窄波束特性，岸基固定散射站需要通过波束调整实现大范围海域的覆盖。在空闲时，岸基固定站按照预设的规则在规划的覆盖区域内进行波束扫描，接收散射通信信号。当岸基站侦听到LReq 信号后，在接下来的时间T3内发送LRes信号。

5） 完成建链。岸基站接收到LRes 信号后，根据LRes中的位置信息计算通信方位，两站之间建立起通信链路。之后两站便可以使用窄波束天线进行通信和方位追踪，从而完成建链。

1.3 舰-舰散射通信自主建链

2 艘舰艇在双方均未知对方端位置的前提下，通过各自固有的窄波束定向天线扫描，接收到对端信号的概率极小，导致几乎不可能实现超视距散射通信建链，存在耗时长、建链成功率低的问题。随着相控阵列天线在舰船上的广泛应用，通过调整散射通信波束成为可能，可以使用宽天线波束、低通信速率实现建链，再通过窄天线波束实现高速通信。

设舰载站A、B 需要建立散射通信链路，两站之间的主从关系需事先设定。此时两站之间建立链路时典型的双移动站的自主建链流程可以分解如下。

1） 建链发起。舰载站A、B 以事先设定的主从关系开始建链。主站以离散扫描的方式发起建链请求，从站以连续扫描的形式持续侦听主站的信息。

2） 建链请求信息发送。主站随机选择1 个时间点，从绝对0°指向开始，以波束宽度α持续发射LReq信号并等待从站的回复。若在时间2T1+T2+T3+T4内收到建链请求回复，则建链成功；否则，旋转角度Δφ，继续执行上述过程。

3） 建链请求信息回复。从站随机选择1 个时间点，从绝对0°指向开始，以波束宽度β，扫描角速度ω持续扫描侦听LReq 信号。若在接收时间内收到LReq，则立刻发送LRes；否则，继续执行上述过程。

4） 计算通信方位。主、从站通过解析LReq 和LRes获得对方的位置信息，然后进行通信方位计算。

5） 完成建链。两站转向通信方位，并在旋转过程中补偿自身姿态变化所产生的影响，完成建链。

2 岸-舰、舰-舰散射通信自主建链性能分析

在散射通信建链过程中，比较重要的2 个参数是可以进行通信的距离以及建链所需花费的时间。本节将着重分析主、从站的波束宽度和建链请求信息发送时隙T2对自主建链系统的性能影响，为系统在实践应用中提供参考。

2.1 通信距离

在移动通信中，通信距离是1个非常重要的指标，其与天线波束宽度密切相关。在相同发射功率情况下，窄波束天线由于具有更好的方向性，在特定方向上具有更高的发射增益，能实现更远距离的通信。以抛物面天为例，其增益G为：

设天线的发射功率和接收灵敏度分别为Pt和Pr，dBm；发送端天线增益和接收端天线增益分别为Gt和Gr，dBi；路径损耗为L，dB。所设参量之间的关系为：

其中，路径损耗根据L.P.Yeh公式[19]可以表示为：

式（6）中：f表示链路使用频率，MHz；d为收发天线大圆弧弧线距离，km；θ0为散射角，( °) ；Ns为链路大气折射指数；Le为天线介质耦合损耗，dB。Le可以表示为：

设Pt=56 dBm、Pr=-120 dBm、f=3 GHz、θ0=1°、Ns=310，则结合式（1）和（4）～（7），可以获得如图6所示的通信距离d随波束宽度α和β的变化曲线。

图6 系统通信距离随波束宽度变化曲线Fig.6 Communication distance of different aperture antennas

该图假设从站使用的是典型的3 种天线，口径分别为0.6 m、1.5 m 和2.4 m，工作频率为3 GHz，即β分别等于11.7°、4.7°和2.9°。从图6 可以看出，当β一定时，通信距离会随α的增大而减小，对于固定的α，通信距离也会随β的增大而减小。当主站和从站均使用2.4 m 天线时，通信距离可以达到200 km；当二者同时使用0.6 m天线时，通信距离会大幅减少到50 km。

2.2 建链时间

为了应对瞬息多变的场景，散射通信系统自主建链的另一个非常重要的指标为建链时间，它能在较短时间内完成建链，以实现为战场提供更及时有效的通信保障。本节将着重分析岸-舰散射通信自主建链和舰-舰散射通信自主建链所需时间的影响因素，为实际应用提供参考。

2.2.1 岸-舰散射通信自主建链时间

在岸-舰散射通信系统中，岸基站为固定站，所以主站仅需通过计算即可获得从站的通信方位。因而整个建链过程所需的时间Tc仅与从站的扫描时间相关，最大为2πω。由式（2）可得ω与从站波束宽度β和主站发送信号时隙T2的关系为：

从而可以获得建链时间为：

最终可以获得建链时间Tc与从站波束宽度β和消息发送时间T之间的关系如图7 所示，图中标识了从站使用典型散射天线时的建链时长。

图7 不同参数情况下岸-舰散射系统建链时间变化曲线Fig.7 Curve of link creation time of shore-ship system under different parameters

从图7 中可以看出，岸-舰系统自主建链过程可以在秒级时间内完成，Tc与β、T之间的关系存在着以下规律。

1） 在相同的消息发送时间条件下：建链时间会随着从站波束宽度β的增大而减少；但变化速率会随着从站波束宽度的增大而逐渐变小。

2） 在相同的从站波束宽度条件下，建链时间会随着消息发送时间的增大而增大。

2.2.2 舰-舰散射通信自主建链时间

相对于岸-舰系统而言，舰-舰系统的主站也需要进行扫描，因而需要花费更多的时间。舰-舰散射通信自主建链过程可以分解为多个岸-舰散射通信系统建链过程，数量为式（2）中的N，其余的推导均和岸-舰散射通信系统相同。故结合式（2）（9）可以获得舰-舰系统建链所需时间为：

通过式（10）可以发现，与岸-舰系统所不同的是，主站波束宽度不仅影响系统的通信距离，也影响系统建立链接的时间。图8 展示了信息发送时间T=100 ms时，不同从站波束宽度情况下，舰-舰散射通信系统建链时间随主站波束宽度α变化的曲线。从站依旧选用典型的抛物面天线。

图8 不同参数情况下舰-舰散射系统建链时间变化曲线Fig.8 Curve of link creation time of ship-to-ship system under different parameters

从图8 中可以看出，舰-舰系统建链时间与α、β之间存在以下规律。

1） 从站波束宽度β和信息发送时间T相同的情况下，建链时间随着主站波束宽度α的增大而减小。当T=100 ms、α=2.9°、β=2.9°时，舰-舰系统需要花费几十分钟完成建链。当主、从站均采用0.5 m 天线，即波束宽度均为11.7°时，系统可以在2 min内完成建链。

2） 从站波束宽度β对舰-舰系统建链时间的影响和对岸-舰系统的影响相同。如图中相同的图标标注所示，在α不变的情况下，随着β的增大，系统建链所需时间会逐渐减少。

3 结论

目前，散射通信的建链主要依靠北斗及短波，或者预设阵地，散射通信尚未有合适的自主建链方法。本文提出的自主建链系统在理论上证明了散射通信系统自主建链的可行性。通过分析发现，无论是岸-舰系统还是舰-舰系统，在满足通信距离和天线波束宽度要求的前提下，都可以通过此方案在分钟级时间内完成建链。同时，该方法也可用于现有地面散射通信系统，在局域拒止环境下，实现散射的快速建链。