基于散射通信的新型應急指揮車設計及實現

邵建偉，徐志平

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081;2.中國人民解放軍96275部隊，河南 洛陽 471003)

基于散射通信的新型應急指揮車設計及實現

邵建偉1，徐志平2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081;2.中國人民解放軍96275部隊，河南 洛陽 471003)

針對應急指揮通信系統要求對事件現場的實況進行語音、視頻和數據等多種業務的實時通信，以保障固定指揮中心對緊急事件的實時掌控，設計了應急指揮車，集成散射通信、短波、超短波和地空電臺等多種通信手段以及多種信息采集處理方式。首次采用散射通信方式，實現了應急指揮車與固定指揮中心間的寬帶超視距傳輸功能，單跳通信距離可達120 km(@8 Mbps)。

應急指揮車；散射通信；指揮所

0 引言

應急通信系統主要是應對各種重大的突發事件，因此應急通信系統的安全性往往關乎廣大人民群眾的生命和財產安危[1]。應急指揮通信系統是處理突發事件時指揮控制信息傳輸的關鍵部分，由于突發事件與固定指揮所間的距離不確定，采用傳統的視距微波傳輸方式受到很大限制；同時為了掌握現場第一手資料，往往需要應急指揮車將現場的話音、視頻和監控數據等信息實時傳輸到上級指揮部，因此，要求應急指揮車具備超視距寬帶傳輸能力。針對上述需求，通過對各種通信手段的對比分析，提出了采用散射通信作為超視距寬帶通信的主用手段，設計了新型應急指揮車。

1 散射通信的特點

在我國已建設的應急通信指揮系統中，主要包括公網、衛星通信、電臺和微波通信等[2]。每種類型的通信技術都有其特點，適用于特定的應用領域和業務，因此在設計應急通信系統時，很難有一個統一的和完美的體系架構，而且也很難使用單一的通信手段[3]。

經調研，用戶在使用過程中，往往會遇到以下幾個問題：① 應急情況下，公網信道擁擠無法正常使用；② 衛星通信帶寬窄，租費高昂，資源申請困難；③ 電臺信道不穩定，易受干擾和偵聽；④ 微波通信需視距，受地形影響大。因此，應急通信指揮系統急需一種遠距離、超視距、高帶寬、抗干擾、抗截獲和高質量的通信方式，可快速在應急事件現場部署，為突發情況或戰時指揮提供有力通信保障。

對流層散射通信是一種超視距通信方式，通過對流層湍流對電波的散射作用，實現超視距越障通信，能夠適應沙漠、山川、海島和建筑等多種地形地貌[4]，其具備高帶寬、遠距離、高可靠和高保密的越障通信能力，能夠為處置應急突發事件提供滿足實戰需求的通信保障[5]，具有非常深遠的意義。

2 應急指揮車系統設計及組成

應急指揮車作為現場指揮所，通信手段應滿足近、遠，對地、對空等環境下的通信需求；其次就數據采集源來說，不僅要攝錄艙內信息，同時還應實時采集艙外實況、氣象情況等；最后艙內設備工作，人員辦公所需的保障條件，需要合理設計。

基于以上需求和設計思路，通信車高度集成各種音視頻信息采集設備，依托大容量散射通信，實現遠程監視、視頻會議、多媒體播放、衛星電視廣播、光纖引接遠傳、實況信息記錄、語音通話、傳真、視頻分發、顯示控制及指揮調度等功能。配備短波、超短波以及多波段全模式電臺、北斗衛星指揮機、用戶機和無線AP等設備，進一步保障了特殊條件下的應急通信[6]。

應急指揮車組成如圖1所示。

系統設計流程為：

① 視音采集處理方面：音視頻采集設備采集信息后，進入視頻矩陣和調音臺分別進行交換處理，其中視頻矩陣可切換任意視頻源輸出到顯示屏或者編解碼設備(用于模數轉換后進入信道傳輸)，也可切換到遠傳設備進行短距離的有線引接；

② 調度指揮方面：系統配備視頻會議終端和專用電話會議終端，來召開現場電視電話會議，同時為話音接入公網，同時配備了調度交換機，實現話音調度；

③ 場景通信方面：根據使用場景的不同需求，配備多種電臺和北斗指揮系統。

3 散射通信的抗衰落設計

系統主要依托于散射通信方式與指揮中心進行數據交換，而根據地理環境特點，要求散射通信以雙天線對單天線的形式設計，因此針對抗衰落性能做了特殊設計。

考慮到系統的實用性和作戰性，該系統應用形式為機動站和固定站，也即機動指揮所和固定指揮中心。固定站天線采用單天線結構，配備自動伺服系統，可做360°方位轉動。機動站靈活機動部署在緊急事件發生現場，以固定站為中心，可在半徑120 km范圍內完成應急通信保障，提供8 Mbps IP業務傳輸能力。主要技術指標為：① 工作頻率：C波段；② 通信距離：≤120 km；③ 傳輸速率：2～8 Mb/s；④ 對外接口：IP透傳接口。

應急指揮車的系統設計原理框圖如圖2所示。

車載站包含2面天線，固定站含有1面天線，設計時首先需解決2對1非對稱系統的信道衰落問題。分集接收是散射通信的關鍵技術，系統的性能嚴重依賴分集合并的效果，若設計指標要求BER優于10-5，顯分集通道不應少于3個；如若不然，即使在每通道平均Eb/N0>20 dB時BER也不能滿足要求。

散射通信系統分集方案可采用以下2種：其一，繼承目前對流層散射通信系統通用設計，單純采用2發1收(1發2收)，集中設備發射功率，實現2重空間分集；其二，采用2發1收(1發2收)空間分集結合帶內2頻的分集方案，實現4重顯分集。由圖3誤碼性能曲線可以得出，在BER=1×10-6時，4重分集Eb/N0需要11 dB，而2重分集所需要的Eb/N0>20 dB，二者相差超過10 dB；在BER=1×10-4時，4重分集Eb/N0需要6 dB，而2重分集所需要的Eb/N0則為15 dB，二者相差9 dB。因此，4重分集接收性能明顯優于2重空間分集，其根本原因是4重分集下的散射信道衰落被平滑得更充分，更加接近AWGN信道，從而LDPC編碼的編碼增益更高[7-8]。

不同分集重數下的誤碼性能曲線如圖3所示。

圖2 系統原理框圖

圖3 不同分集重數下的誤碼性能曲線

車載站采用雙天線結構，做2重空間分集，信號形式為帶內2頻交疊升余弦，頻率間隔14 MHz；同時2面天線的發頻率間隔30 MHz。車載站到固定站的收發頻率分配如圖4所示，固定站接收機可接收分別來自2面天線的信號，并且信號的頻譜不相互混疊，可在頻域分離，從而實現4重分集。

圖4 車載站到固定站的收發頻率分配

固定站也采用帶內2頻交疊升余弦信號形式，頻率間隔14 MHz，由1面天線發射，同時被2面接收天線接收。固定站到車載站的收發頻率分配如圖5所示，車載站的2面天線可分別接收固定站的發射信號，然后信號通過2個獨立的射頻通道下變頻后送入調制解調器，從而實現4重分集。

圖5 固定站到車載站的收發頻率分配

通過設計空間與頻率相結合的顯分集技術克服散射通信系統的電平衰落，同時結合抗衰落自適應均衡(AE)技術，消除信道引起的信號畸變，并獲取2重隱分集增益。因此，系統可達到8重分集接收效果，優于傳統的2重空間分集接收設計5 dB，可使年傳輸可靠度由95%提升至99%。

4 天線自動對準的改進設計

針對散射通信天線固定和對準，做了優化設計，提升了系統可靠度和易用性。

4.1 快速天線對準——雙北斗定位測向

快速天線對準，要求不需要借助于任何儀器，只需要通過算法軟件控制來實現散射通信天線快速自動對準，這對適應快速部署的需求具有重大的現實意義[9]。以往天線對準設計中，采用電子羅盤獲取當前車體朝向，而電子羅盤指示精度低、維護難的特點，導致天線對準功能不盡人意。

雙北斗定向系統(含北斗一代)，測向精度可達0.2°/m。設計中，沿艙體前后朝向各安裝1個北斗二代定向天線，基線長度大于4 m。所測的定向角度即為車頭朝向。在艙頂合適位置安裝1個北斗一代天線，用于短消息報文收發，互傳各端站的地理位置坐標信息。

艙內安裝1臺接口單元設備，與3個北斗天線相連接，設備加電后自動獲取北斗二代衛星定位信息進行解算，最終計算出基線長度，指向角度(即車頭朝向)，整個數據鎖定過程十分迅速。北斗測向系統框圖如圖6所示。

通過北斗一代衛星的短消息報文收發功能，兩端站均可得知對端的地理位置坐標。散射控制臺軟件根據車頭朝向A和通信方向B，計算天線轉動偏差角C，并控制天線轉動，從而實現天線自動對準功能。

圖6 北斗測向系統框圖

4.2 天線鎖緊方式——電磁鐵

以往天線固定采用抱箍鎖緊方式，遇到緊急情況時，天線面無法釋放打開，導致天線面折彎損壞。電磁鐵主要由永磁體、線圈和防水外殼組成。不加電時，電磁鐵為永磁鐵，對天線產生吸附力50 kg，足以抗拒顛簸產生的強拉應力。加電后，線圈產生相反方向的磁性以達到抵消整體磁吸附力的效果。

設計中，在相應固定部位安裝電磁鐵，替代抱箍、掛鉤等結構件。天線展開時，天線控制器首先對電磁鐵加電，抵消磁力以釋放天線，然后開始執行自動展開程序。天線收藏時與此類似，過程完成后，天線控制器取消對電磁鐵加電，使其恢復為永磁鐵狀態，吸附天線面及饋源支臂進行固定。

整個操作過程均由程序自動完成，中間過程無需人工干預，這大大降低了人員操作危險性(艙頂跌落、忘記摘除掛鉤等)，同時節省了工作時間(無需中途程序暫停，人工摘除饋源抱箍)。

5 試驗驗證

對通信性能進行試驗驗證，以固定站為中心，在西、北、南3個方向各選取1個試驗地點(120 km)，在北向額外選取了1個150 km試驗地點。測試季節選擇在散射信號傳播最為惡劣的冬季，進行24 h的8 Mbps功能和性能測試統計，每8 h記錄一次數據，測試記錄如表1所示。

表1 測試記錄表

6 結束語

以散射通信為主要傳輸方式的新型應急指揮通信系統，經過試驗驗證，功能性能均滿足預期要求。散射通信應用于應急指揮通信領域，提供了除衛星通信之外，另一種高效和安全的干線通信手段。散射通信能夠無縫接入指揮網，可與衛星通信組成互備份鏈路，進一步提高通信可靠度，能夠有力保障突發事件發生時，指揮中心與第一現場的業務聯系。

[1] 李 青,楊樹強,陳建輝,等.基于應急通信的多網融合信息安全網關設計與實現[J].移動通信,2015,39(8)：65-68.

[2] 張友勝,趙 釗,劉振嶺.一種新型綜合指揮調度系統[J].無線電工程,2008,38(6)：5-7,23.

[3] 劉建銳.應急通信中各種通信手段的優劣分析[J].計算機與網絡,2012,38(10)：65-67.

[4] 王曉春,秦建存.散射通信海上應用研究[J].無線電通信技術,2008,34(3)：62-64.

[5] 段有為.散射通信在海洋石油開采中的應用研究[J].無線電通信技術,2007,33(3)：51-53.

[6] 李中勤.移動指揮車系統的設計與應用[J].電訊技術,2006(2)：129-132.

[7] 沈斌松,任文成.散射通信同頻發射分集技術方案探討[J].無線電通信技術,2015,41(3)：17-19,82.

[8] 平先仙,徐松毅,張玉琴.散射通信的協作分集技術研究[J].無線電通信技術,2013,39(1)：22-24.

[9] 張玉梅,王新龍,王 赟.散射通信車載站天線自動對準技術研究[J].無線電通信技術,2009,35(3)：39-40,58.

Design and Implementation of a New Emergency Command Vehicle Based on Troposcatter Communication

SHAO Jian-wei1,XU Zhi-ping2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.Unit 96275,PLA,Luoyang He’nan 471003,China)

Aiming at the requirements of emergency command communication system to provide multiple-service real-time communication such as live audio,video and data of the event scene and guarantee the fixed command center to implement real-time control on emergency event,the emergency command vehicle is designed.It integrates multiple communication methods such as troposcatter communication,HF,UHF,ground-to-air radio and multiple information collection and processing methods.Using troposcatter communication for the first time,it realizes the wideband BLOS transmission function between emergency command vehicle and fixed command center,and its communication distance can reach 120km(@8 Mbps) for one hop.

emergency command vehicle;troposcatter communication;command center

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.24

邵建偉，徐志平.基于散射通信的新型應急指揮車設計及實現[J].無線電通信技術,2017,43(2)：94-98.

2016-12-09

邵建偉(1985—)，男，工程師，主要研究方向：散射通信系統集成。徐志平(1969—)，男，高級工程師，主要研究方向：電子信息系統。

TN926.4

A

1003-3114(2017)02-94-5