基于“DSSS”復用技術下非對稱數據鏈的應用研究

摘 要:根據目前非對稱數據鏈原理，對其工作應用模型和最新成果進行分析。基于“復合單工DSSS”非對稱數據鏈思想，結合我軍現有通信設備狀況，提出了利用短波、超短波戰(zhàn)術電臺作為上行鏈路，下行鏈路采用衛(wèi)星、無人機、同溫層氣球及其他高空平臺載體作為通信樞紐，利用微波、超短波和其他軍用頻段，結合相控陣天線、擴頻通信等技術，通過具有分組協(xié)議的數據廣播來實現的戰(zhàn)術通信網的應用方案，并對其性能進行了分析。

關鍵詞:數據鏈; DSSS; 高空平臺載體; 戰(zhàn)術通信網

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)08-0090-03

Research on Unsymmetrical Data Link Application Based on “DSSS” Multiplexing Technology

CAI Hang1， LUO Jun2

(1.Shaanxi Lignum Head Office， Xi’an7100001， China;

2.Military Repsesentative Office Stationed at Xi’an Area Army Aviation Department of General Staff， Xi’an 710073， China)

Abstract: The operation applications model and the latest achievements is analyzed according to the principle of asymmetric data link. Based on the ideology of \"Composite Simplex DSSS\" asymmetric data link， a scheme that takes short-wave and ultrashort-wave tactical radio stations as the uklinks is put forward in consideration of the psesent situation of chinese military communication equipments， and also the scheme that takes satellites， UAVs， stratoballoons and other high-altitude platform carriers as the downlinks is brought forward.

Keywords:data link; DSSS; high-altitude platform carrier; tactical communication network

無論是民用的因特網，還是專用的戰(zhàn)術通信網，通常用戶終端設備在整個網絡中接收數據的業(yè)務量遠遠大于發(fā)送數據的業(yè)務量，需要從服務器端到本地用戶終端的下行速率遠遠大于用戶終端到服務器的上行速率，利用非對稱的傳輸技術可以進一步提高用戶接入網絡的帶寬和速率[1]。此技術在民用有線網絡接入中已被廣泛應用，如目前己商用化的非對稱數字用戶環(huán)線(ADSL)技術、Cable-Modem技術等。非對稱傳輸技術在無線網絡方面的應用研究才剛剛起步，各種管理、調度的理論算法為工程應用提供了進一步的理論基礎。研究表明，非對稱無線網絡在有限帶寬的條件下比傳統(tǒng)等速率網絡具有更大的網絡傳輸效率和頻帶利用率。如何利用不同頻段、不同調制方式的信道資源和通信媒介組成非對稱的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術數據鏈路和信息網絡，已成為各國軍事通信領域中的重點研究對象。1995年，MIT的林肯實驗室(MIT Lincoln Laboratory)在美國國防部發(fā)展技術研究項目(DoD-developed Technology)資助下開展了基于非對稱衛(wèi)星廣播鏈路的GBS系統(tǒng)研究[1];馬里蘭大學系統(tǒng)研究院(University of Maryland and the Institute for Systems Research)在美國國家航空航天局(NASA)和國防部(DoD)的聯合資助下成立了衛(wèi)星與綜合通信網絡中心(CSHCN)，專門研究基于衛(wèi)星鏈路的非對稱傳輸體制綜合網絡(Hybrid Networks)技術，并取得了許多相關的研究成果[2]。本文對非對稱傳輸技術在無線網絡中的應用進行了分析研究。

1 基本原理與模型

早期所有解決DS擴頻系統(tǒng)的快速同步問題幾乎都源于“參考直序擴頻”技術方案，該技術多用于本文廣播方式的途徑。

1.1 基本原理

非對稱下行數據鏈的應用，由于采取廣播方式一點對多點通信，與傳統(tǒng)的對稱應用有很大的差異。就廣播通信而言，單向鏈路上的終端用戶是被動接收，在一個大的范圍內，每個用戶的通信環(huán)境都完全不同，而且作為戰(zhàn)術應用，要求接收機體積小，成本低。因此，非對稱技術的戰(zhàn)術數據鏈要求使用傳輸參考信號的直序擴頻信道模型來簡化整個系統(tǒng)的多點接收同步問題，從而進一步降低的復雜程度和成本。深入對比多種復雜的技術方案，事實上，現在仍利用該方法實現DSSS擴頻接收機，但區(qū)別在于:現在的方案結合了原有的HF/UHF單工戰(zhàn)術電臺。這種方法盡管復雜，但原理上沒有較大的突破，技術成熟，可迅速組合成一套非對稱傳輸的無線網絡[3]。

凡是通過這種重新 “組合” 而生成的技術方案可歸為一類“復合單工DSSS”非對稱數據鏈。該數據鏈的上行信道使用戰(zhàn)術電臺原來的戰(zhàn)斗員信息網絡，下行鏈路使用本節(jié)所述的直序擴頻鏈路模型，且易于工程實現。處理廣播信道的模塊既能直接傳輸數據，也可作為更復雜的DSSS系統(tǒng)設計中的導頻或傳呼信道。

1.2 工作模型

在 “復合單工DSSS”非對稱數據鏈的擴頻通信中，碼同步是必不可少的，同步的本地PN碼是對期望信號實現去擴譜和對干擾信號擴譜的關鍵[4]。同步性能直接影響系統(tǒng)的性能。通常在分析擴頻系統(tǒng)性能時都是假定發(fā)射機與接收機之間是同步良好的(就碼同步而言)，即到達接收機的編碼信號在碼的波形相位及其比特速率兩個方面相對于接收機的參考碼在時間上都是準確一致的。實際上，為保證收發(fā)二者的精確同步，必須在發(fā)射機和接收機中都使用精度較高的碼發(fā)生器。因此，“復合單工DSSS”非對稱數據鏈的同步跟蹤和捕獲電路較為復雜[5]，成本和技術復雜程度也隨之增加。

對比穩(wěn)定度極高的頻率源方案，盡管可以降低成本，簡化復雜程度，卻依然不可能完全消除所有的不穩(wěn)定因素。例如，對有相對運動的發(fā)射機和接收機，多普勒頻移將對系統(tǒng)的同步產生不良影響，即使對于固定位置的收發(fā)系統(tǒng)，也會由于傳輸信道的變化而引起碼相位和載波頻率的變化。因此在實際系統(tǒng)中要做到準確同步是相當困難的。作為廣播信道，由于不同用戶接收環(huán)境的差異，這些問題會顯得更加突出，而“復合單工DSSS”非對稱數據鏈可以很好地解決這些問題，其模型[3]如圖1所示。

圖1 非對稱數據鏈工作模型

2 非對稱數據鏈應用

我軍的通信裝備從先進的衛(wèi)星通信系統(tǒng)到傳統(tǒng)的短波、超短波戰(zhàn)術電臺都在編使用，特別是短波、超短波戰(zhàn)術電臺，以其具有簡單、便捷、抗毀性強等特點，仍然是部隊最基本的通信手段，且采用先進技術，可大大提高現有短波、超短波電臺的數據傳輸速率。

2.1 現有技術改造應用

在單工超短波電臺上，采用GMSK調制，可以實現穩(wěn)定的9.6 Kb/s數據率;在短波信道上采用多音并行調制，也能獲得穩(wěn)定的2.4 Kb/s數據率[1]。這些技術無論從理論研究到工程應用已趨于成熟。因此，充分利用這些設備和頻率資源作為戰(zhàn)術通信網的上行鏈路，不但可以延長現有武器裝備的效用周期，保護國家對軍隊的投資，而且可使部隊現有的模擬通信手段無縫升級到數字化、網路化，這對提高部隊戰(zhàn)斗力，實現科技強軍有重要意義。下行鏈路的實現可以用衛(wèi)星、無人機、同溫層氣球及其他高空平臺載體作為通信樞紐，利用微波、超短波并及其他軍用頻段，結合相控陣天線、擴頻通信等技術，通過具有分組協(xié)議的數據廣播來實現。

表1 非對稱數據鏈戰(zhàn)場主要裝備表

數據鏈節(jié)點通路類別傳輸速度/(Kb/s)

預警機上行>9

戰(zhàn)斗機上行2.4~9

直升機上行2.4

通訊車上行2.4~9

地面中繼站下行>9

衛(wèi)星下行2.4

無人機下行2.4~9

同溫層氣球下行2.4

偵查步兵上行不確定

用上述方案實現的上、下行非對稱無線網絡，具有性能良好，成本低，易于工程實現等特點，符合我軍現有裝備的實際情況和未來的發(fā)展需求。采用目前廣泛應用的軟件無線電技術、無線網絡技術、衛(wèi)星導航技術，還可實現全頻段、多制式、多媒體的新型戰(zhàn)術終端，對提高我軍的電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)的作戰(zhàn)能力和生存能力，具有較高的軍事意義和廣闊的應用前景。利用非對稱傳輸技術實現高速戰(zhàn)術數據鏈，完全符合我軍戰(zhàn)術通信網的發(fā)展方針，即“技術體制由模擬向數字過渡，傳輸系統(tǒng)由低速窄帶向高速寬帶過渡，通信業(yè)務由以話音為主向話音、數據、圖像綜合業(yè)務過渡”，同時也能滿足戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術系統(tǒng)互聯互通的要求。

2.2 國外最新成果應用案例

Tadiran 電子系統(tǒng)公司已研發(fā)的Starlink 小型數據鏈就是一種小型化了的“復合單工DSSS”非對稱數據鏈，其終端用來裝備無人機和其他小型平臺，同時用于開發(fā)商用成熟的COTS產品與技術，以提供給無線電收發(fā)兩用機。這種無線電收發(fā)兩用機的重量小于400 g，電池功率為4 W。Starlink 使用正交跳頻技術，使15架或更多架無人機既可在不同頻率下通信，又可在同樣的地理環(huán)境下操作，從而避免了相互的干擾。

Tadiran 公司聲稱他們使用數字調頻技術使該系統(tǒng)可在有陡坡、凹地的多山地區(qū)實現抗干擾和多路效應。Starlink 除了提供點對點鏈接外，還可以作為一個中繼站，當視線被阻擋時，允許多架無人機接收通信信息，并提供來自機上傳感器的圖像。該系統(tǒng)可與TadiranM RS2200 數字便攜式接收器一起工作。附加的輕型放大器將有效距離從10～ 15km擴大到50km。Tadiran公司通過Elbit 公司向英國(Watchkeeper)、加拿大、美國及其他國家的無人機計劃推銷該系統(tǒng)。

另外，Starlink 可與Tadiran 的戰(zhàn)術視頻鏈 (TVL )聯合操作。輕型(不足1 kg)視頻接收器適于安裝在直升機、地面車輛及其他小型平臺上。戰(zhàn)術視頻鏈(TVL )已用于以色列國防軍，并裝備在獵潛分隊作戰(zhàn)的攻擊直升機上。只收系統(tǒng)通過安裝在直升機座艙蓋上的小型天線工作，直接從巡邏無人機上接收圖像的能力，能使直升機突然躍起，捕獲目標，并以最短響應時間發(fā)射導彈。當使用全向輻射天線時，戰(zhàn)術視頻鏈在C波段的有效距離可達12 km或在S波段的有效距離達40 km。當使用定向天線時，戰(zhàn)術視頻鏈在C波段和S波段的有效距離可分別增加到40 km和50 km。

3 非對稱數據鏈性能分析

3.1 理論性能分析

由于“復合單工DSSS”非對稱數據鏈主要基于參考法DSSS來實現，其理論性能也以此為主。為了方便分析，下面以常規(guī)BPSK-DSSS為例說明參考法DSSS的解擴原理。對于任意常規(guī)的BPSK調制，設置為數據信號，已調信號可以表示為:

x(t)=2ssin(ωt+dnπ/2)

式中:nTb≤t(n+1)

x(t)=dn2scos(ωt)

式中:nTb≤t<(n+1)Tb，n為正整數。對于二進制PN碼的BPSK-DSSS信號則可以表示為:

x(t)=2ssin(ωt+dnCnN+kπ/2)

=dnCnN+k2scos(ωt)

式中:nTb+KTc≤t

s(t)=x1(t)+x2(t)=d(t)C(t)2scos(ω1t)+

C(t)2scos(ω2t)

在接收機端經過分路器得到x1(t)和x2(t)兩路信號，經過混頻器的輸出信號為:

s(t)=x1(t)x2(t)=d(t)C(t)2scos(ω1t)#8226;

C(t)2scos(ω2t)

簡化為:

s(t)=d(t)C2(t)s[cos(ω1+ω2)t+cos(ω1-ω2)t]

對于PN碼Cn(t)=±1，設ω1>ω2，ω1-ω2=ωIF，則經過低通濾波器濾出的輸出信號為:

s(t)=sd(t)cos ωIFt

該信號為中頻調制的BPSK信號，經解調器解調后可得輸入端的數據信號dn。

3.2 應用性能分析

未來數字化戰(zhàn)場對戰(zhàn)術通信鏈路提出了越來越高的要求，其核心內容是增強指揮人員的指揮能力和決策能力，要求各種作戰(zhàn)信息的傳遞和戰(zhàn)場指揮都能達到“實時”或“準實時”，從而奪取和控制作戰(zhàn)空間，使敵方始終處于被動地位。非對稱數據鏈路的特點如下:

(1) 有利于提供高速、大容量的多媒體信息。

非對稱數據鏈的下行信道是一個高速多用戶共享信道，其數據帶寬比傳統(tǒng)戰(zhàn)術通信鏈路要大得多，采用的訪問方式也不是傳統(tǒng)鏈路中點對點方式，而是采用多播或廣播方式，在這種方式下信道效率和信息分發(fā)速度遠遠大于傳統(tǒng)的點對點方式。如信息中心可以通過非對稱下行鏈路不間斷地提供無人機獲取的視頻偵察圖像，也可以動態(tài)地刷新最新的作戰(zhàn)地圖。在實際戰(zhàn)斗中顯示一段實況錄像或一張照片遠遠比幾千字的戰(zhàn)斗電文更有意義。

(2) 有利于提高戰(zhàn)術終端的靈活性。

對于非對稱模式的戰(zhàn)術終端，其高速下行鏈路實際上是由一部寬帶接收機和解密器組成的，它利用“IP隧道”技術、IP欺騙技術等措施來實現非對稱模式單向鏈路的寬帶IP傳輸。即使沒有上行信道，信息中心也可將收集到的各種情報，如高分辨地圖、圖形、圖像、氣象、預警等多媒體信息，以廣播形式快速分發(fā)到各戰(zhàn)斗單位。終端的信息請求只需通過常規(guī)戰(zhàn)術信道和設備建立“虛擬”上行鏈路，將該“請求”由戰(zhàn)術節(jié)點轉發(fā)至信息中心，信息中心將檢索結果經戰(zhàn)區(qū)信息注入點的上行鏈路通過衛(wèi)星或無人機的廣播信道向戰(zhàn)區(qū)內所有戰(zhàn)術終端廣播。該類型的戰(zhàn)術終端在體積、重量、耗電、機動性等各方面都與常規(guī)戰(zhàn)術終端相近，但信息分發(fā)速度遠遠大于常規(guī)系統(tǒng)。

(3) 有利于提高戰(zhàn)術數據鏈路的穩(wěn)健性。

非對稱模式可通過多條下行鏈路用不同的“頻道”進行廣播，以增強系統(tǒng)的抗毀性[6]，同時可對廣播信息進行連續(xù)接

收、存儲和歸檔。如果被檢索對象在本地歷史存儲數據中存在，則可迅速“恢復”，而無需請求發(fā)送。戰(zhàn)術終端只有在需要特定信息時才進行數據發(fā)送請求，其他時間都是通過下行鏈路的“推”(Push)功能自動獲取信息，因此戰(zhàn)術終端的無線電發(fā)射時間和概率很小，故被截獲和偵聽的概率也小[7]，這有利于提高自身的隱蔽性和抗毀性能。

4 結 語

非對稱數據鏈技術有著廣泛的研究前景與發(fā)展空間。目前，我軍正處在信息化建設的關鍵時期，如何更好地利用現有資源、設備，并合理進行改造與創(chuàng)新，已成為一項緊迫的任務。非對稱數據鏈技術適合于目前我軍這種處境，同時非對稱數據鏈技術的應用成本還有待進一步降低，如何改進非對稱數據鏈技術的應用方案及其技術將是未來非對稱數據鏈技術的重要研究方向。

參考文獻

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