適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)設(shè)計

溫亞萍

摘要：本文針對遠程無人值守地區(qū)信息回傳的需求，結(jié)合業(yè)務特點，基于單天線、單發(fā)射機和單接收機的“三單”散射通信系統(tǒng)，采取氮化鎵功放、功率自適應以及基于心跳的遠程管理控制協(xié)議，設(shè)計了一種適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)，通過實用表明，該系統(tǒng)通信效果良好、視頻清晰、話音通暢，可有效解決無人值守地區(qū)信息的遠程傳輸問題。

關(guān)鍵詞：無人值守；低功耗；散射通信

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）16-46-4

0引言

我國國土遼闊，邊境綿長，海域?qū)拸V，海島眾多，邊境、海島或其他無人值守地區(qū)的遠程信息回傳多采用衛(wèi)星和光纜實現(xiàn)，但由于存在衛(wèi)星通信需要付費、光纜易損毀且修復周期長等問題，僅依靠衛(wèi)星通信和光纜難以支撐無人值守地區(qū)的超視距、可靠通信需求。

散射通信具有單跳跨距遠、信道隨處可得且無需付費、一次性投資和維護費較低及較好的抗毀性等優(yōu)勢[1]。傳統(tǒng)散射通信系統(tǒng)多采用大功率、大天線對抗傳輸損耗大問題，采用分集接收對抗信道衰落問題，因此站型較大。隨著新技術(shù)的發(fā)展，20世紀末期，散射通信重新躍升[2]，散射通信設(shè)備不斷輕量化和小型化，傳遞的業(yè)務也擴展至ISR信息、圖像及IP數(shù)據(jù)，為利用散射通信實現(xiàn)無人值守地區(qū)的信息超視距回傳提供了可能。

本文針對遠程無人值守地區(qū)信息回傳的需求，結(jié)合業(yè)務時效性不敏感、業(yè)務容量可調(diào)和任務突發(fā)等特點，基于單天線、單發(fā)射機和單接收機的“三單”散射通信系統(tǒng)，通過多種能耗控制方法，并結(jié)合新型波形，設(shè)計了一種適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)，可為邊境、海島或其他無人值守地區(qū)提供一種超視距信息傳遞手段。

1系統(tǒng)設(shè)計

無人值守地區(qū)不僅環(huán)境條件惡劣、能源有限，而且人員往返困難，靠人員運維成本較高，對散射通信系統(tǒng)的能耗控制、維修性、可靠性以及環(huán)境適應性等方面提出了很高的要求。

針對上述問題，本文重點通過低功耗設(shè)計、遠程管理控制協(xié)議設(shè)計以及保證信號平穩(wěn)傳輸?shù)牟ㄐ卧O(shè)計，同時在各設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)和連接器等方面進行了防水、防塵、防鹽霧、防雷設(shè)計，進一步加強了環(huán)境適應性；利用監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備進行了自動休眠、斷鏈自動復位以及故障告警并上報等設(shè)計，增強了設(shè)備的維修性，研制了一套適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由監(jiān)控系統(tǒng)、散射通信設(shè)備和風光電互補供電系統(tǒng)構(gòu)成。

對流層散射通信主要是利用對流層大氣媒介中的不均勻體對電波的前向散射作用而實現(xiàn)的超視距無線通信方式[1]，為適配無人值守應用，本文摒棄傳統(tǒng)的雙天線體制，采用單天線、單發(fā)射機和單接收機的“三單”散射通信系統(tǒng)，同時將基帶單元和射頻單元集成在一個機箱之內(nèi)，采用散射通信設(shè)備與天線聯(lián)合緊湊式結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低饋線損耗，實現(xiàn)了散射通信設(shè)備僅由設(shè)備主機及天饋單元組成，既減少了設(shè)備數(shù)量，又降低了系統(tǒng)功耗。其組成框圖如圖2所示。

監(jiān)控系統(tǒng)為一自研應用軟件，安裝在計算機上，兼容多種操作系統(tǒng)，主要完成設(shè)備狀態(tài)查詢、參數(shù)設(shè)置及修改和故障告警等功能；風光電互補供電系統(tǒng)采用太陽能和風能作為能量來源，結(jié)合蓄電池為無人端各設(shè)備提供所需能源。

2低功耗設(shè)計

在散射通信系統(tǒng)中，功率放大器消耗的功耗最大，占整個系統(tǒng)的60%～70%。為達到降低整機功耗的目的，高效功率放大器的設(shè)計以及實現(xiàn)輸出功率自適應是本文的重點和難點。

固態(tài)功率放大器按實現(xiàn)工藝分為3類：LDMOS類功率放大器、GaAs類功率放大器及GaN類功率放大器[3]。GaN類功率放大器為第3代寬禁帶半導體材料的典型代表，憑借其具有更高的效率、更寬的工作頻段等特點，成為功率放大器的一個研究熱點。為保證功率放大器的效率，本文采用GaN半導體技術(shù)，研發(fā)了適用于對流層散射通信的、小型化內(nèi)匹配功放管，通過實際測試，功放管的漏極效率比原有功放管提升了10%，單管增益由8 dB提升至10 dB。

同時，考慮到對流層散射信道具有典型慢衰落特性[4]，慢衰落使得接收電平在較長時間間隔內(nèi)具有中值波動，聯(lián)合接收中值電平、誤碼率和信噪比完成對散射慢衰落的實時感知，充分利用這一特性可以實現(xiàn)輸出功率的自適應調(diào)整，即當信道質(zhì)量好時，降低功率放大器輸出功率，功耗也隨之降低；當無任務需求時，甚至關(guān)閉功率放大器，從而達到進一步降低能耗的目的。

散射慢衰落信道感知技術(shù)實現(xiàn)框圖如圖3所示，主要由電平檢測模塊、中值電平統(tǒng)計模塊、已知幀頭序列模塊、誤碼統(tǒng)計模塊、誤碼率估算模塊、信噪比估計模塊以及信道質(zhì)量評估模塊等組成。

結(jié)合功率自適應調(diào)整策略，該功率放大器輸出功率可根據(jù)功率調(diào)整指示信息自適應變大或變小，調(diào)整步進0.5dB，動態(tài)調(diào)整范圍可達40dB，整體功耗降低約50%。

此外，本文還應用數(shù)字化集成芯片和低功耗器件進行了板級節(jié)點設(shè)計，高度集成接口電路、數(shù)字信號處理電路、調(diào)制解調(diào)電路以及射頻電路，通過結(jié)構(gòu)緊湊的電路布局和優(yōu)化的電磁兼容設(shè)計，使其集成于一個電路板上，體積、質(zhì)量及功耗至少降低50%。

3遠程管理控制協(xié)議設(shè)計

傳統(tǒng)的散射通信系統(tǒng)一般由本端站的監(jiān)控系統(tǒng)對本端站的工作頻率、通信速率和發(fā)射功率等參數(shù)進行監(jiān)視和控制，并記錄下來以備值班人員后續(xù)的檢查和維修，較少采用對端站控制本端站的方式，但存在無人值守地區(qū)人員無法經(jīng)常往返、維護較為不便等問題。因此，本文設(shè)計了一種基于心跳的遠程管理控制協(xié)議，利用可靠的極低速控制指令，通過周期性發(fā)送心跳判斷無人端的“存活狀態(tài)”，完成對無人端的初始化、參數(shù)查詢及調(diào)整、故障告警上報等控制管理，使得無人端散射通信設(shè)備能夠正常運行，并具備休眠、喚醒和斷電、斷鏈自恢復功能。

本文設(shè)計了通信及靜默2種工作模式，無業(yè)務傳輸任務時，設(shè)備處于靜默狀態(tài)，僅保證心跳信息的傳輸；有業(yè)務傳輸任務時，切換至通信模式，自動喚醒通信鏈路，完成信息的可靠傳輸。通信模式下，速率自適應、功率較大，可實現(xiàn)無人端至有人端的遠距離、大容量數(shù)據(jù)傳輸；靜默模式下，基于心跳機制，以低速、小功率定時發(fā)送探測幀及心跳幀，以使有人端實時獲悉無人端的工作狀態(tài)，保證連接的有效性，有效降低無人值守端散射站的整機功耗。

圖4、圖5和圖6分別為基于心跳的遠程管理控制協(xié)議流程及有人端和無人端的信息處理流程。

有人端發(fā)送探測幀，探測幀中包含有人端的工作參數(shù)信息以及無人端是否需要重啟的指示信息；其中，工作參數(shù)信息包括工作模式、工作頻率、通信速率和發(fā)射頻率；有人端在收到無人端的反饋信號后判斷反饋信號類型，如果收到的為數(shù)據(jù)幀，則調(diào)整工作參數(shù)信息，存儲收到的數(shù)據(jù)；如果收到的為心跳幀，則工作模式不變，繼續(xù)發(fā)送探測幀。

無人端接收有人端發(fā)送的探測幀，根據(jù)探測幀判斷無人端是否工作異常，如果工作異常，則無人端進行設(shè)備重啟，配置工作模式為靜默模式，工作參數(shù)為靜默模式對應的工作參數(shù)；如果工作正常，則根據(jù)當前存儲器容量決定要發(fā)送的反饋信號類型，并按相應幀結(jié)構(gòu)發(fā)送至有人端。

4保證信號平穩(wěn)傳輸?shù)牟ㄐ卧O(shè)計

散射信道存在快衰落現(xiàn)象[5]，在從幾秒到幾分鐘的時間間隔內(nèi)，接收信號電平瞬時值的起伏變化可達數(shù)十分貝。它是散射傳播的一個重要特性，也是散射通信需要解決的首要問題。為了對抗散射信道的隨機快速衰落，傳統(tǒng)散射通信系統(tǒng)往往采取分集接收技術(shù)體制平滑信道衰落[6]。空間分集是對流層散射通信站最常用、同時也是最有效的分集方式；頻率分集是利用散射信號快衰落的頻率選擇性實現(xiàn)的，應用十分方便但不是魯棒的分集方式；角分集使用的是一面天線、多個饋源形成的多個不同方向的波束，可降低系統(tǒng)造價，但存在附加損耗；時間分集雖是一種穩(wěn)健的分集方式，但存在傳輸時延[1]。

綜合考慮，本系統(tǒng)采用的是單天線，無法實現(xiàn)空間分集，單純采用頻率分集，系統(tǒng)能力在二徑平衰條件下會大幅下降。為保證系統(tǒng)能力，本文采用時間分集與頻率分集相結(jié)合的方案。

經(jīng)過仿真，在沒有時頻分集時，由于散射信道存在瑞利衰落，接收信號電平在短時間內(nèi)會產(chǎn)生劇烈變化，平均衰落幅度接近13 dB，最大衰落幅度接近22 dB，最大衰落深度約10 dB，平均衰落深度約5 dB。無分集時的衰落幅度和衰落深度仿真結(jié)果如7和圖8所示。

在時頻分集條件下，衰落幅度和衰落深度得到明顯改善，平均衰落幅度約4 dB，最大衰落幅度接近7 dB，最大衰落深度約3.5 dB，平均衰落深度約2 dB。8重分集時的衰落幅度和衰落深度仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。可見，分集技術(shù)大大降低了散射信道的衰落幅度和衰落深度，改善了信道傳輸條件，提高了信號傳輸質(zhì)量。

5結(jié)束語

設(shè)備研制完成后，搭建了約80 km的散射通信鏈路，開展了實際應用，通過實用表明，通信效果良好、視頻清晰、話音通暢，可解決島嶼傳感網(wǎng)絡信息的遠程傳輸問題。

面向無人值守地區(qū)的信息超視距傳輸應用需求，本文基于傳統(tǒng)的對流層散射通信系統(tǒng)進行了改進設(shè)計，通過低功耗、無人值守的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，研制了適用于無人值守的低功耗散射通信系統(tǒng)，為邊境、海島等無人值守區(qū)的無線通信覆蓋、遠程信息回傳提供了一種解決方案。未來，可推廣至無人值守雷達信息回傳、海上漁業(yè)、石油開采和測繪等領(lǐng)域，應用前景廣闊。

參考文獻

[1]李志勇，秦建存，梁進波.對流層散射通信工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[2]紀曉輝.散射通信在國外應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國新通信， 2017， 19（11）： 40-41.

[3]張濤，劉瑩，孫柏昶，等.對流層散射通信及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.

[4]張明高.對流層散射傳輸[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5]中國人民解放軍總參謀部通信部.對流層散射遠距離通信[M].北京：中國人民解放軍戰(zhàn)士出版社，1982.

[6]劉麗哲，沈斌松.瑞利衰落信道下擴頻信號隱分集性能分析[J].無線電通信技術(shù)， 2013，39（6）：48-50.