大容量散射通信抗干擾關鍵技術綜述

謝澤東，陳西宏，肖 軍，劉永進

(空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安 710051)

0 引言

對流層散射通信作為一種極具軍事應用前景的超視距遠程無線通信方式，具有技術先進、性價比高、機動性好、越障能力強等優點[1]，能夠顯著提升地空導彈部隊的體系對抗能力，解決組網作戰中高速數據越障通信可靠傳輸的難題[2]。

然而，對流層散射通信的傳輸速率相對偏低，且對抗通信干擾能力相對偏弱。在未來復雜電磁環境下的防空反導體系作戰中，需要持續、及時、準確地傳遞高密度、快速變化的空中態勢和指控信息。因此，研究具有抗干擾能力的大容量散射通信技術是目前軍事通信領域亟待解決的問題，充分契合對流層散射通信技術未來的發展趨勢。

本文從大容量和抗干擾兩個方面對散射通信技術進行了研究。在大容量方面，探討了高速率對流層散射通信的合并技術；在抗干擾方面，探討了散射通信抗空中主瓣干擾和抗空中旁瓣干擾的策略和方法。

1 散射信道傳播特性

在研究大容量散射通信的抗干擾關鍵技術前，有必要先對散射信道的傳播特性進行研究。信號在散射信道中傳播時，會經歷不同程度傳輸損耗和時變多徑衰落。因此在對散射信道的傳播特性進行描述和度量時，主要關注其損耗特性和衰落特性[3]。

1.1 散射損耗特性

對流層散射通信的損耗特性是無線通信系統存在的共性問題，也是散射通信需要考慮的首要問題。通常而言，對流層散射總傳輸損耗相當大，有時會高達200～250 dB。理論分析和計算表明，在100～400 km的通信范圍內，損耗與距離的近似關系表現為1 km通信距離的增加帶來0.12 dB的損耗增大；而當通信距離繼續增大時，損耗增大速度變慢[4-6]。此外，通信頻率、四季更迭、日夜交替和地理大氣環境不同都會對傳輸損耗帶來一定程度影響，但影響相對較小。

對流層散射較大的傳輸損耗會使得接收信號異常微弱，這對散射通信系統設計帶來諸多挑戰。其中，提高發射功率在一定程度上能夠有效應對散射傳輸損耗。

1.2 散射衰落特性

衰落特性是散射傳播的又一重要特征，按照信號起伏變化的快慢可分成慢衰落和快衰落[7-8]。

慢衰落通常是由氣象或氣候條件的改變逐漸形成的，這類衰落呈現出較長時間間隔內的變化。在慢衰落過程中，接收信號的電平中值通過服從對數正態分布。在通信鏈路的工程設計中，散射傳播的慢衰落特性是必須考慮的因素之一。

相對于慢衰落，快衰落表現為信號在短時間內的起伏變化，是散射信道傳播特性中需要重點考慮的方面。多徑效應和多普勒效應是散射信道快衰落的主要成因。

多徑效應會造成接收信號在時域的多徑時延擴展，可用均方根延遲擴展描述其時散特性，并由時散參數定義相干帶寬。若傳輸信號帶寬小于信道相干帶寬，即認為屬于窄帶通信系統，信號經歷非頻率選擇性衰落，即平坦衰落；反之屬于寬帶通信系統，信號經歷頻率選擇性衰落。研究表明，散射信道多徑時延展寬與傳輸距離的平方成正比，與工作頻率、天線口面直徑及地球等效半徑成反比，其數值通常在10～500 ns之間；散射信道的相干帶寬可由多徑時延展寬的倒數近似。

多普勒效應會造成接收信號在頻域的多普勒擴展，可用多普勒頻移描述其頻散特性，并由頻散參數定義相干時間。若傳輸信號的符號周期小于信道相干時間，即認為屬于慢時變通信系統，信號經歷非時間選擇性衰落；反之則屬于快時變通信系統，信號經歷時間選擇性衰落。研究表明，多普勒效應主要是由對流層大氣中散射體的運動引起，主要與風速有關。多普勒頻移的數值范圍通常在1～100 Hz之間，散射信道的相干時間可由多普勒頻移的倒數乘以常值系數0.179近似。

1.3 散射帶寬特性

傳輸信號的帶寬大于信道相關帶寬時會產生波形失真，并且隨著傳輸信號帶寬的增大而愈發嚴重。因此，為保證散射信號的無失真可靠傳輸，其帶寬不能大于散射信道可用帶寬。研究表明，當天線波束寬度較寬時多徑時延擴展較大，此時散射信道可用帶寬較小。因此，使用方向性強的窄波束定向天線可一定程度提高散射信道帶寬。

2 大容量散射通信的分集合并技術

對流層散射通信中，散射信道的傳輸損耗和慢衰落特性可以通過提高發射機功率、預留衰落余量等措施克服。針對快衰落特性，散射通信的分集合并技術為其提供了解決方案[9-10]。

窄帶散射通信通常是指業務傳輸速率不超過2 Mb/s的通信系統。由于信道中傳輸信號的帶寬較小，信號經歷平坦衰落，可以通過簡單的分集合并技術來克服。最大比合并(Maximal Ratio Combining,MRC)、選擇性合并以及等增益合并是3種常規的合并方法，本文重點探討MRC方法。

MRC方法是將各條多徑都進行合并，在其他條件相同的情況下能夠得到最大的信噪比。然而，隨著多徑數增加，MCR復雜度迅速增大，這使得該合并方法在實際應用中受限。為降低MCR實現復雜度，一種針對部分多徑的選擇性最大比合并方法被提出。在對部分多徑進行選擇時，可依據概率密度函數設置信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的閾值。為保證較低復雜度，可考慮建立信道沖擊響應與SNR的聯合估計[11]。

中等速率散射通信通常是指業務傳輸速率在2～8 Mbps的通信系統。信號此時會經歷頻率選擇性衰落，在時域則表現為符號間干擾(Inter-Symbol Interference,ISI)。信號傳輸過程中的ISI可通過時域均衡進行克服，并通過將其與分集合并相結合，可推導出一種時域分集合并與均衡聯合算法，它能夠同時解決散射信道的ISI和深度衰落問題。

對于寬帶散射通信，通常是指業務傳輸速率不低于8 Mbps的通信系統。此時信號帶寬將達到10 MHz以上，傳統的時域均衡器無法應對高達幾十階的時域抽頭系數的計算，而頻域均衡能夠以較低的實現復雜度達到近似的系統性能。將頻域均衡與分集合并相結合，可推導出一種頻域分集合并與均衡聯合算法[12]。

3 散射通信中的抗干擾技術

可以預見，在未來信息化戰爭中，散射通信對抗將成為通信對抗的一個重要方面。散射通信系統要在復雜的戰場電磁環境下進行有效通信，應該具有較強的通信反偵察和抗干擾能力。本文以美軍AN/TRC-170型散射裝備為例，研究對流層散射通信的抗偵察和抗干擾性能。偵察和干擾平臺與散射站的空間位置，分為地面、空中主瓣和空中旁瓣的角度，對散射通信抗偵察和抗干擾能力進行了分析。

3.1 地面偵察

電磁偵察是實施干擾的前提和基礎。當偵察設備置于地面時，根據電磁波的傳輸方式，又可將其分為直射波、地面波和繞射波偵察三種[13]。

直射波偵察屬于視距傳播偵察，偵察距離受到視線距離的限制，在滿足天線高架的條件下，對散射站進行直射波偵察的距離為20～40 km，這對于偵察設備的部署位置有較高的要求。

地面波偵察時，受地球曲率限制，對主工作頻段為4.4～5 GHz的散射通信設備而言，其地面波最大通信距離為4.7～4.9 km；即使對工作于335～475 MHz頻段的散射通信設備，其地面波最大通信距離也只有11.4 km。當前散射通信具有向高頻段(Ku波段)擴展的趨勢，可用于偵察的距離會更短。因此地面波偵察在戰術實施上比較困難。

當超出地面波的最大通信距離時，電磁波將進入繞射區。以載頻為4.4 GHz的電磁波為例，當傳播距離為10 km時，電磁波沿具有地形地物的地球表面進行繞射傳播，根據前述散射損耗特性可知，此時的信道傳輸損耗非常之大。

綜上所述，采用地面平臺對散射站進行偵察時，偵察平臺必須距離散射站非常的位置(數千米至數十千米)，這在實戰中是難以實現的，因此，必須使用升空平臺。

3.2 抗空中主瓣偵察和干擾

采用升空平臺實施主瓣偵察干擾時，平臺位于散射通信雙方的公共散射體范圍內，這對偵察和干擾是非常有利的，此時可以采用無人機巡航進行偵察和干擾。

采用全方向性干擾天線時，僅需數瓦的功率就可以對散射通信形成壓制性干擾，但散射通信采用窄波束天線，經過對公共散射體空間范圍的評估發現，干擾機的巡航范圍受到較大的限制。

對于空中主瓣干擾，可采用自適應跳頻技術、高速寬帶跳頻技術、自適應選頻與跳頻相結合的手段和基于認知無線電的抗干擾技術手段進行對抗以實現抗干擾通信。

隨著電磁環境的日益惡化，傳統跳頻通信系統中“盲目跳頻”的弊端也隨之放大。頻譜資源緊缺和抗敵方強干擾能力不足成為制約跳頻通信系統性能提升的重要因素。認知無線電的出現，為解決以上問題提供了一種新思路。這里將認知無線電理論和跳頻技術進行綜合進而應用到散射通信，構建認知跳頻抗干擾散射通信系統。通過認知模塊對頻譜環境進行分析判斷，檢測出空閑頻段的同時發現并及時避開被干擾頻段，并根據相應抗干擾策略切換對應的通信模式。認知跳頻抗干擾散射通信系統可充分利用通信對抗的頻率間隙通信，能夠提高散射通信的頻譜利用率和對抗空中主瓣干擾能力[14-15]。

基于認知跳頻的抗干擾通信系統首先對跳頻通信工作范圍內的頻譜進行檢測，根據頻段占用或干擾情況，確定可以使用的跳頻頻率并將其發送到跳頻序列產生單元。跳頻序列產生單元根據接收到的可用頻率，生成新的跳頻序列，以進行散射跳頻通信[16]。

在認知跳頻抗干擾通信系統的工作過程中，需要對正在使用的頻段進行實時監測。散射通信系統可工作于定頻和跳頻兩種模式。系統工作于某一種模式時，若監測模塊感知其受到主瓣干擾，系統則會自動切換至另一種工作模式。而干擾機此時則需對散射通信信號重新再進行一次偵察，以便再一次對散射通信信號發出干擾。基于認知跳頻的抗干擾散射通信系統可充分利用這一時間間隙，選取頻率間隙進行通信。

3.3 抗空中旁瓣偵察和干擾

對于距戰線較近的散射站，干擾信號只能從天線后瓣進入，將其稱為“近站干擾”；對于距戰線較遠的散射站，干擾信號能夠以有利的角度進入天線旁瓣，將其稱為“遠站干擾”。在采用定向干擾天線的前提下，所需的干擾功率從幾瓦到上千瓦不等，考慮到實際作戰的可行性，該方案應作為主要手段在作戰中實施。

對于空中旁瓣干擾，可采用自適應調零天線、自適應旁瓣匿影或者自適應旁瓣相消等技術進行對抗，這里重點探討自適應調零天線技術。

自適應調零天線系統由若干天線元陣列、自適應信號處理器和能調整的加權求和網絡構成。自適應調零天線系統中，天線方向圖能根據戰場電磁環境的變化進行調整。利用干擾信號和有用信號在時間域、空間域、頻率域以及角度域等的不同特征，通過自適應信號處理器調整加權求和網絡，使其在干擾信號方向形成零陷，而在有用信號方向具有最佳的接收性能[17]。

自適應調零天線是空間濾波技術的一種，可同時抑制來自不同方向的多個干擾，處理增益可達幾十分貝。自適應的抗干擾調零天線系統對于窄帶干擾以及寬頻帶的噪聲干擾都具有極佳抑制性能。

4 結束語

大容量散射通信系統面臨的由散射衰落特性引起的符號間干擾問題，可采用單載波頻域均衡進行解決。對散射通信系統可能面臨的空中主瓣干擾，可采用基于認知無線電的抗干擾通信技術等方法來進行對抗；針對旁瓣干擾，采用自適應調零天線技術進行對抗。基于此，能夠提升現有散射通信系統性能，實現具有一定抗干擾能力的大容量散射通信，滿足未來戰爭對軍事通信的需求。